第四代核电站材料问题的挑战

第四代核电站材料问题的挑战
第四代核电站材料问题的挑战

世界核电技术发展简史

世界核电技术发展简史 1、第一代核电技术 即早期原型反应堆,主要目的是为通过试验示范形式来验证核电在工程实施上的可行性。 前苏联在1954年建成5兆瓦实验性石墨沸水堆型核电站;英国1956年建成45兆瓦原型天然铀石墨气冷堆型核电站;美国1957年建成60兆瓦原型压水堆型核电站;法国1962年建成60兆瓦天然铀石墨气冷堆型核电站;加拿大1962年建成25兆瓦天然铀重水堆型核电站。这些核电站均属于第一代核电站。 2、第二代核电技术 第二代核电技术是在第一代核电技术的基础上建成的,它实现了商业化、标准化等,包括压水堆、沸水堆和重水堆等,单机组的功率水平在第一代核电技术基础上大幅提高,达到千兆瓦级。 在第二代核电技术高速发展期,美、苏、日和西欧各国均制定了庞大的核电规划。美国成批建造了500至1100兆瓦的压水堆、沸水堆,并出口其他国家;前苏联建造了1000兆瓦石墨堆和440兆瓦、1000兆瓦VVER型压水堆;日本和法国引进、消化了美国的压水堆、沸水堆技术,其核电发电量均增加了20多倍。 美国三里岛核电站事故和前苏联切尔诺贝利核电站事故催生了第二代改进型核电站,其主要特点是增设了氢气控制系统、安全壳泄压装置等,安全性能得到显著提升。此前建设的所有核电站均为一代改进堆或二代堆,如日本福岛第一核电站的部分机组反应堆。我国目前运行的核电站大多为第二代改进型。 3、第三代核电技术 指满足美国“先进轻水堆型用户要求”(URD)和“欧洲用户对轻水堆型核电站的要求”(EUR)的压水堆型技术核电机组,是具有更高安全性、更高功率的新一代先进核电站。 第三代先进压水堆型核电站主要有ABWR、System80+、AP600、AP1000、EPR、ACR等技术类型,其中具有代表性的是美国的AP1000和法国的EPR。中国已引进AP1000等技术,分别在浙江三门和山东海阳等地开工建造。 4、第四代核电技术 第四代核电是由美国能源部发起,并联合法国、英国、日本等9个国家共同研究的下一代核电技术。目前仍处于开发阶段,预计可在2030年左右投入应用。第四代核能系统将满足安全、经济、可持续发展、极少的废物生成、燃料增殖的风险低、防止核扩散等基本要求。

超硬材料的结构特征与材料硬度的关系

超硬材料的结构特征与材料硬度的关系 材料中的化学键按其特性可分成三类:即金属键、共价键和离子键材料。一般说来,共价键材料具有最高的硬度;离子键材料具有较好的化学稳定性;金属键材料具有较好的综合性能。 材料硬度的大小,主要决定于物质内部结构中原子间结合力的强弱。结合力越强,抵抗外力作用的强度就越大,材料的硬度就越高。金属键一般不很强,故金属键结合成的材料硬度通常不高。共价键则因其键力很强,所以共价键结合成的材料均具有很高的硬度,如金刚石是世界上最硬的材料。离子键的键力较强,因而离子键材料有较高的硬度。 材料的硬度与材料的内部结构特征如离子半径、价键、配位数有关。其规律如下: ①对于结合力类型相同的材料,其离子半径减小,硬度也可提高; ②离子电价高,键力提高,硬度也可提高; ③质点堆积越紧密,密度越大,硬度越高; ④阳离子配位数越高,硬度越高。 1.元素的共价半径 元素周期表中给出了元素的共价半径。共价半径小,材料硬度高。为什么碳是最符合生成超硬材料的元素呢?下面我们分析一下元素的性能。 ①惰性气体 它们是满壳层的元素,其化合价为零,通常呈气态,可用降温或加压的方式使其变为液态,但是除去温度、压力条件则又变成气体,所以它很难变为超硬材料。 ②氢 在通常状况下呈气态。氢原子(H)只有一个电子,当它与其他原子(x)形成共价键后,氢核就暴露在外面,于是可通过库仑作用再与其他电负性较大的原子(Y)相结合。因而,氢键可表示为X —H —Y 的形式。当X 与H 结合时,形成共价键x —H ,结合得紧密;当H 再与Y 结合时,形成氢键,结合力弱。尽管氢还可以通过特殊的形式形成有诸多性能的固态金属氢,但它没有超硬的性能。 ③第二周期中的元素 当把第二周期以外的元素分析过之后,就余下第二周期的锂(Li )、铵(Be)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)等几种元素了,它们的共价半径见表1—3。 对于N ,O ,F :通常呈气态,凡气体从其特性出发,不可能形成超硬的材料。 对于Li ,Be ,B :它们的共价半径均大于碳,若从共价半径小,硬度高的规律来考虑,就只剩下碳元素了。 综上所述,碳是最符合生成最坚硬物质的元素。 2.价键 从价键的观点出发,半满键的碳,呈4价,它既可“捕获”4个电子变成稳定态,也可“奉献”4个电子而呈稳定态。因此,碳通常以共价键结合,具有很高的硬度。 (1)杂化轨道理论 杂化轨道是相当普遍的原子结合形式之一。杂化轨道理论最先是由鲍林(Paning L)和斯来托(Slater J .C)于1931年提出的。鲍林把d 轨道组合进去,得到了s —p —d 杂化轨道(图l —3)。唐敖庆等把f 轨道组合进去,得到了s —p —d —f 杂化轨道,使该理论更加完善。对金刚石而言,仅讨论s —p 轨道杂化,而不去讨论d —f 更为复杂的杂化轨道。 在量子力学里有叠位原理和简并状态,如金刚石的3 sp ,可写为s 、x p 、y p 、z p ,它

【精选】核电科普知识竞赛题库

核电科普知识竞赛题库 第一部分:基本原理和知识 1、原子核中没有()。 A、中子 B、质子 C、电子 2、核能分为核裂变能和核聚变能两种,是通过()释放出的能量。 A、物理变化 B、化学变化 C、原子核变化 3、1946年,我国物理学家()在法国居里实验室发现了铀原子核的“三裂变”、“四裂变”现象。 A、钱三强、何泽慧 B、钱三强钱学森 C、钱学森何泽慧 4、以下哪个是自然界存在的易于发生裂变的核素:()。 A、铀-235 B、铀-233 C、钚-239 5、1942年以物理学家恩里科·费米为首的一批科学家在()建成了世界第一座核反应堆,实现了可控的核自持链式裂变反应。 A、美国芝加哥 B、英国伦敦 C、德国柏林 6、当一个铀-235原子核在吸收了一个能量适当的中子后,这个原子核由于内部不稳定而分裂成两个或多个质量较小的(),这种现象叫做核裂变。 A、原子核 B、中子 C、质子 D、电子 7、原子核由()组成。 A、中子和质子 B、中子和电子 C、质子和电子 D、质子、中子和电子 8、1905年,()在其著名的相对论中指出,质量只是物质存在的形式之一;另一种形式就是能量。质量和能量相互转换的公式是:E=mc2。 A、爱因斯坦 B、玛丽·居里 C、哈恩 D、施特拉斯曼 9、意大利物理学家()在1934年以中子撞击铀元素后,发现会有新的元素产生。 A、贝特 B、阿斯顿 C、卢瑟福 D、费米 10、1896年,法国科学家贝克勒尔发现了()。 A、电子 B、放射性 C、 X射线 11、1898年,居里夫人发现了放射性元素(),她又通过艰苦努力,于1902年发现了另一种放射性元素镭。 A、铀 B 钍C、钋 12、1898年,居里夫人发现了放射性元素钋,她又通过艰苦努力,于1902年发现了另一种放射性元素()。 A、铀 B 钍C、镭 13、1914年,物理学家()确定氢原子核是一个正电荷单元,称为质子。 A、卢瑟福 B、伦琴 C、居里夫人 14、1932年,物理学家()发现了中子。 A、查德威克 B、汤姆逊 C、居里夫人 15、1938年,德国科学家奥托·哈恩及其助手斯特拉斯曼在用中子轰击()原子核时,发现了核裂变现象。 A、钍 B、铀 C、钚 16、1905 年,著名科学家()提出了质能转换公式E=mC2(E为能量,m为转换成能量的质量,C为光速)。核能就是通过原子核反应,由质量转换成的巨大能量。

超硬材料报告

超硬材料的性能和应用 材料成型及控制工程2009级2班张天珍学号:20091420224 摘要:超硬材料在工业发展进程中扮演了至关重要的角色。随着时代发展和技术的更新,将越来越受到人们的关注。本文立足事实基础,以超硬材料多年的发展历史为背景,详细介绍了超硬材料的基本性能以及在工业、军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材等方面的应用。重点介绍了金刚石和立方氮化硼的性能和应用关键词:超硬材料金刚石立方氮化硼性能应用 1、引言 金刚石及立方氮化硼称为超硬材料,是因为它们具有超凡的高硬度特性。金刚石是自然界已知物质中最硬的物质, 还具有高绝缘性、优异的耐磨性和良好的导热性。立方氮化硼的硬度仅次于金刚石, 还具有高耐磨、低摩擦系数、优异的耐热性和化学稳定性,特别是对铁族金属呈化学惰性,尤其适合于加工硬而脆的铁族金属材料。立方氮化硼的这一特点是金刚石所不能比拟的。这样, 立方氮化硼就以其独特的优越性与金刚石相互补充,构成了超硬材料的两大体系。超硬材料具有其他材料无可比拟的优异力学、热学、光学、声学、电学和生物等性能,享有“材料之王”赞誉,是用途广泛的极端材料,不仅可加工世界上所有的已知材料,而且可制成性能极端的功能性器件,在诸多应用领域具有不可替代性。超硬材料及制品已广泛应用于军工、航空航天、电子、机械、汽车、机床工具、精密制造、医疗、石材、建材、机场、清洁能源、高速铁路、公路、石油与天然气钻井、地质勘探、煤炭及矿物采掘、救灾抢险、家庭装修等国计民生的各个领域。 2、金刚石的性能和应用 2.1金刚石的发展史 人类最早发现先金刚石是在公元前800年,但直到18实际末,才开始对金刚石有了系统科学的研究。法国人拉瓦锡发现金刚石可燃烧,英国人费南腾研究证实金刚石是碳的同素异形体。1955年由美国通用电气公司首次以石墨为原料在高温高压条件下合成出金刚石,从此,工业技术领域进入新的时代。 2.2金刚石的性能 金刚石是自然界已知物质中硬度最高的材料。莫氏硬度为10 ,是石英8.5倍,刚玉的4.4倍,立方氮化硼的1.56倍。特别指出,(111)面的硬度大于(110)

核电科普知识介绍

核电科普知识介绍 前言 中国能源现状如何?中国未来能源需求状况如何?我国能源科技将如何应对?我国为什么要发展核电?核能发电有哪些优势?核能发电未来发展趋势是什么?核能开发利用的步骤是什么?核电站的安全措施有哪些? 如何正确认识放射性?核电站会像原子弹一样爆炸吗?为帮助公众了解核电有关知识,本文分能源需求、核能及核电站原理、核电优势、核电发展情况、核安全及事故防护九个方面进行了简明扼要的介绍。 种新能源在短期内都无法满足的,核电与水电、火电一起构成世界电力的三大支柱。

2.什么是核能? 世界上一切物质都是由原子构成的,原子又是由原子核和它周围的电子构成的。轻原子核的融合和重原子核的分裂都能放出能量,分别称为核聚变能和核裂变能,简称核能。 核能实验 3.什么是核电站?工作原理是什么? 核电站就是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。反应堆是核电站的关键设备,链式裂变反应就在其中进行。 将原子核裂变释放的核能转换成热能,再转变为电能的系统和设施,通常称为核电站。

核电厂用的燃料是铀。用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动汽轮机带着发电机一起旋转,电就源源不断地产生出来,并通过电网送到四面八方。 ───核电站工作原理图

5.为什么要发展核电? 核电已日益成为当今世界的主要能源之一,在所有能源所占的比例也越来越大。没有核电,全世界16%的用电设备将无电可用。 核电与水电、火电一起构成世界电力的三大支柱。 迄今为止,世界能源需求的64%来自燃煤、石油、天然气等化石燃料。大量燃烧化石燃烧所产生的二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳和颗粒物等,带来令人担忧的环境问题,而这些化石物质消耗的迅速增长,使它们在地球上的储量面临枯竭的境地。 5.中国核电站有多少? 截止到2011年3月,中国已经有6个投入运营的核电站共11台机组,总核电容量有9百多万千瓦,仅占全国总发电量的2%。 6.核电厂是如何实现安全的? 核电厂的选址、设计、制造、建造、调试、运行直至退役始终都高度重视安全,同时这些过程自始至终都是在国家核安全监督管理部门强有力的监管下进行的。

第四代核反应堆系统简介

第四代核反应堆系统简介 绪言 第四代核反应堆系统(Gen IV)是当前正在被研究的一组理论上的核反应堆,其概念最先是在1999年6月召开的美国核学会年会上提出的。美国、法国、日本、英国等核电发达国家在2000年组建了Gen-IV国际论坛(GIF),并完成制定Gen IV研发目标计划。预期在2030年之前,这些设计方案一般不可能投入商业运行。核工业界普遍认同将,目前世界上在运行中的反应堆为第二代或第三代反应堆系统,以区别已于不久前退役的第一代反应堆系统。在八项技术指标上,第四代核能系统国际论坛已开始正式研究这些反应堆类型。这项计划主要目标是改善核能安全,加强防止核扩散问题,减少核燃料浪费和自然资源的利用,并降低建造和运行这些核电站的成本。并在2030年左右,向商业市场提供能够很好解决核能经济性、安全性、废物处理和防止核扩散问题的第四代核反应堆。 图1 从第一代到第四代核能系统的时间跨越 第一代核反应堆产生于上个世纪70 年代前,其主要目的是生产用于军事目的的铀;第二代核反应堆出现于70 年代,是目前大部分核电站使用的堆型,其目的是降低对石油国家的能源供应依赖;第三代核反应堆是在1979 年美国长岛和1986 年乌克兰切尔诺贝利核电站事故后出现的,主要是增加了安全性,但它并不能很好地解决核废料问题;第四代核反应堆则可以同时很好地解决安全和废料问题。对于第四代核能系统标准且可靠的经济评价,一个完整的核能模式显得十分重要。对于采用新型核能系统的第四代核电站的经济评估,人们需要采用新的评价手段,因为它们的特性大大不同于目前的第二代和第三代核电站。目前的经济模式不适合于比较不同的核技术或核电站,而是用于比较核能和化石能源。 第四代核反应堆的堆型 最初,人们设想过多种反应堆类型。但是经过筛选后,重点选定了几个技术上很有前途且最有可能符合Gen IV的初衷目标的反应堆。它们为几个热中子核反应堆和三种快中子反应

超硬材料及制品的基本知识

超硬材料及制品基本知识 一、超硬材料概念:对于超硬材料的含义至今没有一 个公认为满意的解释。1981年国际硬物质科学会议认为,硬度大于1000HV的物质均可称为硬物质,这就自然包括了金刚石和立方碳化硼。后来对这个定义进行了补充,认为能加工诸如硬质合金(硬度1600—1800HV)、刚玉(—2000HV)、碳化硅(—2200HV)等这一类物质的材料称为超硬材料。目前由于金刚石和立方氮化硼等材料有其极高的硬度,所以统称为超硬材,具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。 二、超硬材料的分类:分为单晶超硬材料和聚晶超硬 材料(也称为“复合超硬材料”)及3.金刚石薄膜三类。 单晶超硬材料和聚晶超硬材料的主要区别为:单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好,但尺寸较小,多用于制造锯片等切割工具;聚晶金刚石/立方氮化硼是指以金刚石和立方氮化硼微粉等单晶超硬材料为主要原料,添加金属或非金属粘结剂通过超高压高温烧结工艺制成的聚晶复合材料。它的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料,但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体,可以增加工具的切割面积,同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的轻易从锯片表面脱落的弊端,具有更高的耐磨性。 金刚石薄膜是用化学气相沉积(CVD)法或其它方法在非金刚石衬底上制备出的超硬薄

膜。它不仅可用于制作各种金刚石刀具,还可作为功能材料用于制作声传感器、扬声器振动膜、红外窗口、X光检测窗口等,应用领域十分广泛。国际上从七十年代初开始进行金刚石薄膜的试制并迅速掀起金刚石薄膜研究开发热潮。我国从八十年代中期开始此项研究,并已列入国家“863计划”,现已能制备出80mm、厚2mm的金刚石薄膜,并在应用研究方面取得了不少成果,但目前总体上仍处于研制阶段,尚未达到工业化应用阶段。有人预计,金刚石薄膜将是21世纪金刚石工业的主要材料,各国科学家都在为使金刚石薄膜产业化而不懈努力。 三、金刚石按用途分为两类:质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石,质差粒细用于工业的称工业用金刚石。 宝石级金刚石,又称钻石,光泽灿烂,晶莹剔透,被誉为“宝石之王”,价值昂贵,是世界公认的第一货品,其占有程度和消费水平往往被视为是衡量个人和国家经济富裕程度的标志。达不到宝石级的金刚石(工业用金刚石),以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交 ?总的来说,复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性,市场潜力更大,广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域,电子信息、航天航空、国防等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。 1.1复合超硬材料的主要产品用途?当前,复合超硬材料的产品主要分为四类:石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。 (1)石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片 石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的,具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击

新时代核电行业公众沟通的探索与实践

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/0212635671.html, 新时代核电行业公众沟通的探索与实践 作者:江小松 来源:《现代企业文化》2019年第28期 中图分类号:F416.23 文献标识:A 文章编号:1674-1145(2019)10-159-02 摘要本文阐述我国核电行业公众沟通的重要性,梳理了核电行业公众沟通的历程和现阶段工作机制,分析了公众沟通存在的问题和面临的挑战。在介绍世界核电强国公众沟通的基本做法之后,归纳出给我们的启示。在上述论述的基础上,提出坚持“以人民为中心”作为公众沟通的方法论,从健全法律法规体系,构建高效运作的体系,提高全民的核科学素养等角度对进一步做好我国核电行业公众沟通提出相关的建议。 关键词核电公众沟通邻避效应 一、我国核电行业公众沟通的重要性分析 (一)我国核电行业具有广阔的发展前景 党的十九大报告对构建清洁低碳、安全高效的能源体系提出了明确的要求。核电具有清洁无污染、能量密度高、成本低、连续供电等优点,是唯一可大规模取代传统化石能源的基荷电源,是我国大规模发展低碳能源的现实选择。 2018年我国核电发电量仅占全国总发电量的4.2%,全球核电发电量占比为10.3%,这个差距是我国核电发展的最基本潜力。积极推进核电建设、推动核电“走出去”,对于实现可持续发展,提升我国国际影响力具有重要的意义。 (二)国家法律法规对涉核项目公众参与提出了明确的要求 当前,公众参与社会管理、法制意识逐渐增强,网络媒体的兴起,国家更加重视维护公众在重大项目中的知情权、参与权和监督权,核电发展将面对更多公众意见的考验。 2015年11月,环保部(国家核安全局)出台了《核与辐射安全公众沟通工作方案》。2017年9月,《核安全法》第66条在我国核领域的顶层法律层面上第一次明确提出要加强公众参与。2019年1月开始实施的《环境影响评价公众参与办法》(生态环境部令第4号),明确提出针对环境影响方面公众质疑性意见多的建设项目,需要建设单位组织开展深度公众参与。 (三)做好公众沟通为核电行业健康发展奠定良好的社会基础

第四代核能系统的特点及其热力循环

第四代核能系统的特点及其热力循环 第四代核能系统的特点 第四代核反应堆技术有别于第三代先进反应堆。它在拓宽核能和平利用空间,提高核安全性、经济性等方面提出了一系列更加新颖的规划设想,包括更合理的核燃料循环、减少核废物、防止核扩散以及消除严重事故、避免厂外应急等。 2002年第四代核能系统国际论坛选择了以下6种技术方案作为第四代核反应堆重点开发对象。 1.超临界水冷堆(SCWR) SCWR是在水的热力学临界点以上运行的高温、高压水冷堆。SCWR效率比目前轻水堆高1/3,采用沸水堆的直接循环,简化了系统。在相同输出功率下,由于采用稠密栅格布置以及超临界水的热容大,因此SCWR只有一般轻水堆的一半大小。 超临界水冷堆及其系统因为反应堆的冷却剂不发生想变,而且采用直接循环,可以大大简化系统。SCWR参考堆热功率1700MWt,运行压力25MPa,堆芯出口温度510℃,使用氧化铀燃料。SCWR的非能动安全特性与简化沸水堆相似。SCWR结合了轻水反应堆和超临界燃煤电厂两种成熟技术。由于系统简化和热效率高(近效率达44%),发电成本可望降低30%,SCWR在经济上有很大竞争力。

日本提出的热中子谱超临界水堆系统是较为典型的压力容器式反应堆。该方案取消了蒸汽发生器、稳压器和二回路相关系统,整个装置是一个简单的闭式直接循环系统。超临界压力水通过反应堆堆芯加热直接引入汽轮机发电,实现了直接循环,使系统大大简化。系统压力约25.0MPa,反应堆的冷却剂入口温度为280℃,出口温度为530℃。装置热功率为2740MW,净效率高达44.4%,可输出1217MW 电功率 SCWR待解决的技术问题:材料和结构要耐极高的温度、压力以及堆芯的辐射,这就带来了很多相关问题,涉及腐蚀问题、辐射分解作用和水化学作用以及强度和脆变等问题;SCWR的安全性,涉及非能动安全系统的设计,要克服堆芯再淹没时出现的正反应性;理论上有可能出现密度波以及热工水力学和自然循环相耦合的不稳定性。功率、温度和压力的控制上有很大挑战,例如,给水功率控制,控制棒的温度控制,汽轮机的节流压力控制等。需要研究电站的启动过程,防止启动过程出现失控。 2.超高温气冷堆(VHTR) VHTR是高温低冷对的进一步发展,采用石墨慢化、氦气冷却、铀燃料一次通过的循环方式。其燃料可承受高达1800度高温,冷却出口温度可大1000度以上。VHTR具有良好非能动安全特性,热效率可超过50%,经济上竞争力强。VHTR可以向高温、高耗能和不使用电能的工艺过程提供光谱热量,还可以与发电设备组合以满足热电联产的需要。系统还具有采用铀/钚燃料循环的灵活性,产生的核废料极少。 VHTR要从目前的堆芯出口温度850到950度提高到1000到1100度,仍有许多技术上有待解决的问题,在这种超高温下,铯和银迁徙能力的增加可能会使得燃料的碳化硅包覆层不足以限制它们,所以需要进行新的燃料和材料研发,以满足堆芯出口温度可达1000度以上的要求;事故时燃料温度最高可达1800度;最大燃耗可达150到200(GWD/MTHM)。 3.熔盐反应堆(MSR) 熔盐反应堆是钠、锆和铀的氟化物液体混合物做燃料的反应堆。氟化物传热性能好,无辐射,与空水、水都不发生剧烈反应。在熔盐中产生的热量通过中间热交换器传给二次侧冷却剂,在通过第三热交换器传给能量转化系统。参考电厂的电功率是百万千瓦级。堆芯出口温度700度,也可达800度,以提高热效率。

超硬材料市场分析

1 复合超硬材料简介 1.1 复合超硬材料基本情况 金刚石和立方氮化硼等材料由于其极高的硬度,统称为超硬材料,具有硬度高、耐磨和热传导性能好、热膨胀系数低等优异性能。 目前,超硬材料主要分为单晶超硬材料和聚晶超硬材料(也称为“复合超硬材料”)两类。单晶超硬材料主要为单晶金刚石/立方氮化硼微粉;聚晶超硬材料主要是指以金刚石或立方氮化硼与相关粘结剂经过烧结工艺制备的复合材料。 两类材料的主要区别为:单晶金刚石/立方氮化硼材料的特点为硬度更高、耐热性更好,但尺寸较小,多用于制造锯片等切割工具;聚晶金刚石/立方氮化硼的特点是硬度、耐热性略逊于单晶材料,但是由于聚晶超硬材料是内部结构紧密的金刚石致密体,可以增加工具的切割面积,同时克服了单晶超硬材料由于粘结面积小造成的容易从锯片表面脱落的弊端,具有更高的耐磨性。 总的来说,复合超硬材料相对于传统合金材料具有强大的替代性,市场潜力更大,广泛应用于机械、冶金、地质、石油、煤炭、石材、建筑等传统领域,电子信息、航天航空、国防军工等高技术领域以及汽车、家电等新兴产业。 1.2 复合超硬材料的主要产品用途

当前,复合超硬材料的产品主要分为四类:石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片、煤田矿山用聚晶金刚石复合片、聚晶金刚石高品级拉丝模坯和刀具用聚晶金刚石/聚晶立方氮化硼复合片。 (1)石油天然气钻头用聚晶金刚石复合片 石油天然气聚晶金刚石复合片是由无数微小金刚石颗粒和粘结 剂混合组成的切削层和硬质合金衬底层在高温高压下烧结合成的,具有很高强度、硬度、耐磨性、抗冲击性以及良好的自锐性,这些优良特性使其能够应用在岩石的钻探领域。该产品主要作为石油天然气钻头的切削齿,是钻头上起到切削和掘进的核心部件。 (2)煤田矿山钻头用聚晶金刚石复合片 由于具有硬度高、耐磨性强、抗冲击韧性良好等特点,复合超硬材料除了可用于制作石油天然气用钻头外,还可用于制作煤田矿山钻头用PCD复合片,其用途并不局限制造于煤田和矿山作业用的钻进和切割工具,还可广泛应用于制造建筑建造、水电工程施工、凿岩破碎、公路修补等众多领域的钻进工具。 (3)聚晶金刚石高品级拉丝模坯 拉丝模是各种金属线材生产厂家(如电线电缆厂、钢丝厂、焊条焊丝厂等)拉制线材的一种非常重要的易消耗性模具。拉丝模的适用范围十分广泛,主要用于拉拔棒材、线材、丝材、管材等直线型难加

核电材料的关键设备

1.核电材料的关键设备 1.1.核燃料分类及各种燃料存在的优缺点 核燃料在反应堆内使用时,应满足以下的要求: ①与包壳材料相容,与冷却剂无强烈的化学作用; ②具有较高的熔点和热导率; ③辐照稳定性好; ④制造容易,再处理简单。根据不同的堆型,可以选用不同类型的核燃料:金属(包括合金)燃料,陶瓷燃料,弥散体燃料和流体(液态)燃料等。 1.2.金属燃料 铀是目前普遍使用的核燃料。天然铀中只含0.7%的U235,其余为U233。天然铀的这个浓度正好能使核反应堆实现自持核裂变链式反应,因而成为最早的核燃料,目前仍在使用。但核电站(特别是核潜艇)用的反应堆要求结构紧凑和高的功率密度,一般要用U含量大于0.7%的浓缩铀。这可以通过气体扩散法或离心法来获得。金属铀在堆内使用的主要缺点为:有同质异晶转变;熔点低;存在尺寸不稳定性;最常见的是核裂变产物使其体积膨胀(称为肿胀);加工时形成的织构使铀棒在辐照时沿轴向伸长(称为辐照生长),虽然不伴随体积变化,但伸长量有时可达原长的4倍。此外,辐照还使金属铀的蠕变速度增加(50~100倍)。这些问题通过铀的合金化虽有所改善,但远不

如采用UO2陶瓷燃料为佳。 1.3.陶瓷燃料 包括铀、钚等的氧化物、碳化物和氮化物,其中UO2是最常用 的陶瓷燃料。UO2的熔点很高(2865℃),高温稳定性好。辐照时UO2燃料芯块内可保留大量裂变气体,所以燃耗(指燃耗份额,即消耗的 易裂变核素的量占初始装载量的百分比值)达10%也无明显的尺寸变化。它与包壳材料锆或不锈钢之间的相容性很好,与水也几乎没有化学反应,因此普遍用于轻水堆中。但是UO2的热导率较低,核燃料 的密度低,限制了反应堆参数进一步提高。在这方面,碳化铀(UC)则具有明显的优越性。UC的热导率比UO2高几倍,单位体积内的含铀量也高得多。它的主要缺点是会与水发生反应,一般用于高温气冷堆。 1.4.弥散体燃料 这种材料是将核燃料弥散地分布在非裂变材料中。在实际应用中,广泛采用由陶瓷燃料颗粒和金属基体组成的弥散体系。这样可以把陶瓷的高熔点和辐照稳定性与金属的较好的强度、塑性和热导率结合起来。细小的陶瓷燃料颗粒减轻了温差造成的热应力,连续的金属基体又大大减少了裂变产物的外泄。由裂变碎片所引起的辐照损伤基本上集中在燃料颗粒内,而基体主要是处在中子的作用下,所受损伤相对较轻,从而可达到很深的燃耗。这种燃料在研究堆中获得广泛应用。除陶瓷燃料颗粒外,由铀、铝的金属间化合物和铝合金(或铝粉)所组

超硬磨料及其磨具的选择与应用

超硬磨料及其磨具的选择与应用 磨削过程就是磨具中的磨粒对工件的切削过程。选择磨具就是要充分利用磨粒的切削能力去克服工件材料的物理力学性能产生的抗力。由于磨具的品种规格繁多,而每一种磨具都不是万能的切削工具,只有一定的适用范围。因此对每一种磨削工作,都必须适当选择磨具的特性参数,才能达到良好的磨削效果。磨具特性主要包括磨粒、粒度、硬度、结合剂、组织、形状和尺寸。这里从磨具特性方面叙述选择磨具的一般原则。 一.超硬磨料及其磨具 (一)超硬磨料磨具的加工特点 超硬磨料系指金刚石和立方氮化硼均属立方晶系。与刚玉和碳化硅相比,具有硬度高、强度好、颗粒形状好、良好的导热性和低的热膨胀系数等特点。磨削能力强及良好的磨削性能。是非常优异的磨削材料。 由超硬磨料制成的磨具,其磨削性能突出,主要加工特点有: 1.极高的磨料硬度 2.耐磨损性能好 3.形状和尺寸保持性能好 4.能长时间保持磨粒微刃的锋锐性 5.磨削温度低 (二)超硬磨料磨具的特性 1.超硬磨料磨具结构 超硬磨料磨具的结构与普通 磨具不同,其结构形式由工作 层、过渡层和基体三部分组成。 如图一所示。工作层即磨料层, 由金刚石或立方氮化硼磨料、结 合剂及填料组成。是磨具 进行磨削加工的部分。过渡层是 由结合剂和其它材料组成,以保图一超硬磨料金刚石、立方氮化硼磨具结构

证工作层的充分使用,不含超硬磨料,将工作层牢固把持在基体上。近年来,有些厂家取消了过渡层,直接将过渡层把持在基体上。基体是磨具的基本形体,起支承工作层的作用。 2.超硬磨料磨具的特性及标志 ⑴磨料超硬磨料的品种有天然金刚、人造金刚石及立方氮化硼(CBN)。人造金刚石又有多种牌号。人造金刚石、立方氮化硼的品种、代号及适用范围列于表一表一人造金刚石和立方氮化硼品种、代号及适用范围(摘自GB/T6405-1994) ⑵粒度粒度系标志超硬磨料金刚石、立方氮化硼颗粒尺寸的大小。粒度的标记按国家标准的规定,超硬磨料的各粒度颗粒尺寸范围及粒度组成按表二规定。 ⑶结合剂结合剂起着把持超硬磨料和使磨具具有正确的几何形状的作用。超硬磨料磨具的结合剂分四大类,即树脂结合剂(B)、金属(青铜)结合剂(M),陶瓷结合剂(V),电镀金属结合剂(M) ⑷浓度浓度是超硬磨料磨具所特有的概念。它表示磨具工作层单位体积中超硬磨料的含量。一般规定为每立方厘米体积中含4.4克拉(1克拉=0.2g,0.88g/cm3)的超硬磨料磨具的浓度为100%;每增加或减少1.1克拉磨料,则浓度增加或减少25%。不同浓度超硬磨料磨具中磨料含量及代号列于表三。

核电科普知识题库

(一)基本原理和知识 2014年4月1日18:15 1、原子核中没有(C )。 A、中子 B、质子 C、电子 2、核能分为核裂变能和核聚变能两种,是通过(C )释放出的能量。 A、物理变化 B、化学变化 C、原子核变化 3、1946年,我国物理学家(A )在法国居里实验室发现了铀原子核的“三裂变”、“四裂变”现象。 A、钱三强、何泽慧 B、钱三强钱学森 C、钱学森何泽慧 4、以下哪个是自然界存在的易于发生裂变的核素:(A )。 A、铀-235 B、铀-233 C、钚-239

5、1942年以物理学家恩里科·费米为首的一批科学家在(A )建成了世界第一座核反应堆,实现了可控的核自持链式裂变反应。 A、美国芝加哥 B、英国伦敦 C、德国柏林 6、当一个铀-235原子核在吸收了一个能量适当的中子后,这个原子核由于内部不稳定而分裂成两个或多个质量较小的( A ),这种现象叫做核裂变。 A、原子核 B、中子 C、质子 D、电子 7、原子核由(A )组成。 A、中子和质子 B、中子和电子 C、质子和电子 D、质子、中子和电子 8、1905年,(A )在其着名的相对论中指出,质量只是物质存在的形式之一;另一种形式就是能量。质量和能量相互转换的公式是:E=mc2。 A、爱因斯坦 B、玛丽·居里 C、哈恩 D、施特拉斯曼 9、意大利物理学家(D )在1934年以中子撞击铀元素后,发现会有新的元

素产生。 A、贝特 B、阿斯顿 C、卢瑟福 D、费米 10、1896年,法国科学家贝克勒尔发现了(B )。 A、电子 B、放射性 C、X射线 11、1898年,居里夫人发现了放射性元素(C ),她又通过艰苦努力,于1902年发现了另一种放射性元素镭。A、铀 B 钍C、钋 12、1898年,居里夫人发现了放射性元素钋,她又通过艰苦努力,于1902年发现了另一种放射性元素( C )。A、铀 B 钍C、镭 13、1914年,物理学家(A )确定氢原子核是一个正电荷单元,称为质子。 A、卢瑟福 B、伦琴 C、居里夫人 14、1932年,物理学家(A )发现了中子。 A、查德威克 B、汤姆逊 C、居里夫人 15、1938年,德国科学家奥托·哈恩及其助手斯特拉斯曼在用中子轰击(B )

超硬材料的性能与应用

超硬材料的性能与应用 摘要:本文在超硬材料的基础上讨论了其良好性能及在工业上的应用,同时提出超硬材料在其领域内所应该开发的新应用。重点分析了超硬材料在应用过程中所表现出其他材料所不能替代的性能。本文通过查阅相关文献阐述了超硬材料综述了超硬料的结构及其性能特点,为今后超硬材料在工业上的进一步发展有提供前景。关键字:超硬材料、金刚石、立方碳化硼、性能、应用等 一、超硬材料的简介所谓的超硬材料则是指硬度可与金刚石相比拟的材料。目前使用的超硬材料主要是立方氮化硼与金刚石,但是还是许多超硬材料正在研发中,如碳化硼,富硼氧化物等。金刚石包括天然金刚石和人造金刚石,天然金刚石是目前世界上最硬的工业材料,它具有硬度高、耐磨损、热稳定性能好等特性,而且抗压强度高、散热速率快、传声速率快、电流阻抗、防蚀能力、透光、低热胀率等物理性能,是工业材料中不可替代的材料;人造金刚石是加工业最硬的磨料,电子工业最有效的散热材料,半导体最好的晶片,通讯元器件最高频的滤波器,音响最传真的振动膜,机件最稳定的抗蚀层等等,已经被广泛应用于冶金、石油钻探、建筑工程、机械加工、仪器仪表、电子工业、航空航天以及现代尖端科学领域。 立方氮化硼CBN是硬度仅次于金刚石的材料,但是目前并未发现天然立方氮化硼的存在,工业和日常生活中使用的都是人造的。它具有与金刚石的许多特性相比拟的特点,同时也具有更高的热稳定性和对铁族金属及其合金的化学惰性。它作为工程材料,已经广泛应用于黑色金属及其合金材料加工工业。同时,它又具有优异的热学、电学、光学和声学等性能,在一系列高科技领域得到应用,成为一种具有发展前景的功能材料。 二、超硬材料的性能A)结构组成:金刚石是碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体。由于C-C键很强,所以所有的价电子都参与了共价键的形成,没有自由电子,所以钻石不仅硬度大,熔点极高,而且不导电。氮化硼是立方结构。 B)力学性能:金刚石是目前地球上最硬的物质,莫氏硬度为10。新摩氏硬度15,显微硬度10000kg/mm2,显微硬度比石英高1000倍,比刚玉高150倍。金刚石硬度具有方向性,八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度,菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。较脆,在不大的冲动力下会沿晶形解理面裂开质纯、结晶完好的为3520 kg/m3,一般为3470~3560 kg/m3。具有平行八面体的中等或完全解理,平行十二面体的不完全解理。呈贝壳状或参差状。金刚石具有极大的弹性模量,是自然界最高的磨削材料,弹性模量达90000kg/mm。摩擦系数小,有极高的抗磨能力,因此在金刚石选矿中利用这一特性,采用球磨机、锥形磨矿机来分离金刚石。但金刚石极脆,不能承受正向的外力撞击。硬度高、耐磨性好。 立方氮化硼烧结体的硬度一般在3500~4000Hv,陶瓷;2400 Hv,硬质合金1800 Hv左右。高硬度带来了相当好的耐磨性,一般讲,立方氮化硼的耐磨性是涂层合金的30倍,是无涂层硬质合金的50倍,是陶瓷刀片的15~20倍。C)热学性能:熔点:金刚石熔点达4000℃,在空气中燃烧温度为850~1000℃,在纯氧中720~800℃燃烧,金刚石发出浅蓝色火焰,并转化成二氧化碳。热导率一般为138.16W/(m?K)。但Ⅱa型金刚石的热导率特别高,在液氮温度下为铜的25倍,并随温度的升高而急剧下降。低温时热膨胀系数极小,随温度的升高,热膨胀系数迅速增大。 立方氮化硼在1370o以上才开始由立方晶体向六方晶体转化;在1000oC的高温下切削,其表面不会产生氧化,高温下硬度降低程度也比硬质合金和陶瓷刀片小的多,这就为高速切削创造了条件。导热系数为79.54w/m,k,仅次于金刚石,随温度提高,导热系数逐渐增大,有利于散热。D)磁电性能:金刚石为无磁性重部分矿物(p>2.9)因此在选矿中不能采用电

核电站设备主要金属材料

1.核岛用金属材料概述 不同堆型,其结构和用途虽有所不同,但在实现核裂变反应和可控制的过程是相同的,都需要燃料元件、堆内构件、控制棒、反射层、冷却剂和慢化剂(快堆除外)以及包容他们的压力容器或压力管道等,因而需要各种各样的材料来制作相关部件,以实现核能向热能、热能向电能的安全、高效率的转化。 按照相关设备部件服役工况或使用功能的不同,核电设备可分为核一级、核二级、核三级和非核级。有核级要求的设备,一般即称其所用材料为核电关键材料。 核电常用的关键材料大体可分为碳钢、不锈钢和特殊合金;若进一步细分,则有碳(锰)钢、低合金钢、不锈钢、锆合金、钛铝合金和镍基合金等,按品种则有铸锻件、板、管、圆钢、焊材等等。 核反应堆的发展,从一开始就包括了材料的开发与优化,材料的发展决定了其发展情况。因为核电具有新的热传导条件及特殊的环境条件,如辐照或冷却剂腐蚀等,要求所用材料必须能适合于这些应用条件;强调材料的另一个原因,是核电站系统比常规电站有更高的安全要求。 由于我国目前主要是建造第二代成熟的1000MW压水堆核电站、通过技术引进并吸收国外先进技术以发展先进的第三代1000MW级压水堆核电站。因此,本讲义以压水堆核电站为例,对其不同设备的用材做一简单介绍。 在压水堆核岛中,主要设备除反应堆及压力容器外,还有蒸汽发生器、冷却剂主泵机组、稳压器及主管道等。由于这些部件在核岛内的位置、作用和工况不同,故材料的使用要求和环境条件也不尽相同,不同程度地存在辐照或酸腐蚀等;不仅要考虑常规的一些要求(如强度、韧性、焊接性能和冷热加工性能),而且须考虑辐照带来的组织、性能、尺寸等变化,如晶间腐蚀,应力腐蚀和低应力脆断、以及材料间的相容性、与介质的相容性,以及经济可行性等。 为便于从它们的服役特点中理解每个部件的功能、选择依据,下面将压水反应堆核岛内重要金属部件的工况、要求以及他们的所用材料体系简述如下。 1.1压水堆零/部件用金属材料 1.1.1包壳材料 包壳,是指装载燃料芯体的密封外壳。其作用是防止裂变产物逸散和避免燃料受冷却剂的腐蚀以及有效地导出热能,在长期运行的条件下不使放射性裂变产物逸出。

超硬材料磨具的研究和发展动态

第21卷第1期 超 硬 材 料 工 程V o l.21 2009年2月SU PERHA RD M A T ER I AL EN G I N EER I N G Feb.2009超硬材料磨具的研究和发展动态① 万 隆 (湖南大学材料学院,湖南长沙 410082) 摘 要:文章在说明我国经济和科学技术的快速发展,超硬材料磨具行业也取得了长足进步的基础上,介 绍了一些新材料、新生产工艺和新装备被引进我国超硬材料磨具的生产和研究中来,促进了我国超硬材料 磨具行业的发展和技术进步;并展望了磨具的发展方向。 关键词:超硬材料磨具;磨具结合剂;综述;磨具制备新工艺;磨具的发展方向 中图分类号:TQ164 文献标识码:A 文章编号:1673-1433(2009)01-0040-03 Research and develop i ng trends of superhard ma ter i a l gr i nd i ng tools W AN L ong (Colleg e of M a teria l S cience and E ng ineering in H unan U n iversity,Chang sha410082,Ch ina) Abstract:B ased on the illu strati on of the great p rogress of the indu stry fo r sup erhard m a2 terial grinding too ls w ith the rap id developm en t of Ch inese econom y and scien tific techno l2 ogy,it has in troduced that som e new m aterials,new p roducing techn iques w ith new e2 qu i pm en ts have been i m po rted to p roducti on and research of sup erhard m aterial grinding too ls in Ch ina,w h ich w ill p rom o te the developm en t of sup erhard m aterial grinding too l indu stry in Ch ina w ith its techn ical p rogress.T he develop ing trends of grinding too ls have also been p ro sp ected. Keywords:sup erhard m aterial grinding too ls;grinding too ls b inder;review;new m anu2 factu ring techn iques fo r grinding too ls;develop ing trends of grinding too ls 超硬材料磨粒最主要的用途是制备工具,而所制备的工具又以磨具为主,超硬材料磨具在超硬材料工具的总量中占80%以上。 近年来,随着我国经济和科学技术的快速发展,超硬材料磨具行业也取得了长足的进步,一些新材料、新生产工艺和新装备被引进超硬材料磨具的生产和研究中来,促进了超硬材料磨具的发展。近年来超硬材料磨具研究的热点有以下几方面: 1 对磨具结合剂的研究 在磨具中,结合剂的性能是决定磨具性能尤其是砂轮性能的主要因素之一。1.1 微晶玻璃结合剂 微晶玻璃与陶瓷相比,内部缺陷少,其中的结晶尺寸细小,因而强度高,并且微晶玻璃可以采用玻璃的制备工艺。微晶玻璃有较低的熔点,能在700℃~850℃烧成,对磨料浸润性好,故比较适合作为c BN 砂轮结合剂使用,微晶玻璃结合剂中能形成大量微小的晶体,具有高耐磨、高抗拉强度等性能。 采用微晶玻璃作为砂轮结合剂的关键技术在于微晶玻璃的基础配方确定、晶核剂的选择以及二次晶化的条件控制。基础配方决定了玻璃中是否能够形成晶体,是否能够对磨料有较好的浸润和较低的熔化温度;晶核剂主要起诱导结晶作用,对玻璃中产生的晶体数量及形成的晶体形态产生影响。二次晶化条件主 ①收稿日期:2008-06-15 作者简介:万 隆(1956-),男,教授,博士生导师,主要从事材料科学方面的科研和教学工作。

第四代核能系统介绍

目前世界大多数国家电力市场上的竞争日趋激烈,迫使电力生产商和它们的供应商更加关注它们的运行成本和投资的盈利能力。现有的核电系统在这样的市场上显得初投资太高、建设期太长和项目规模太大。核工业要生存下去并保持繁荣,就需要执行商业化的、以利润为导向的方针。从总体上看,核动力在中期和远期的市场中都具有竞争潜力。但是,要使这种潜力变为现实,还要在许多方面付出极大的努力,包括必须能在不危及安全的前提下大幅度降低成本,包括运行和维护费用,并使电厂的可利用率达到较高水平。面对上述挑战,国际核能界正在进行多方面的研究和调整,其中一项举措就是对第四代核能系统的研发。包括有关国家政府、工业界、电力公司、大学、实验室、研究院所都不同程度地关注或参与这个研发。每年的研发费用超过20亿美元。按广泛被接受的观点,已有的核能系统分为三代:(1)上个世纪50年代末至60年代初建造的第一批原型核电站;(2)60年代至70年代大批建造的单机容量在600~1400 MW的标准型核电站,它们是目前世界上正在运行的439座核电站(2002年6月统计数)的主体;(3)80年代开始发展、在90年代末开始投入市场的先进轻水堆(AL WR)核电站。 Gen-IV的概念最先是在1999年6月召开的美国核学会年会上提出的。在当年11月该学会冬季年会上,进一步明确了发展Gen-IV的设想。美国、法国、日本、英国等核电发达国家在2000年组建了Gen-IV国际论坛,拟用2~3年的时间完成制定Gen-IV研发目标计划。这项计划总的目标是在2030年左右,向市场上提供能够很好解决核能经济性、安全性、废物处理和防止核扩散问题的Gen-IV。 2 Gen-IV的研发目标目前Gen-IV先进核能系统的概念还比较模糊,国际上也没有一个确切的定义。但是,这里已经明确的是"先进核能系统",而非"先进反应堆"。其应满足安全、经济、可持续发展、极少的废物生成、燃料增殖的风险低等基本标准。具体来说,研发Gen-IV的目标有三类: 2.1 可持续能力目标按照比较权威的定义,可持续能力的本质是如何维系地球生存支持系统去满足人类基本需求的能力。对一个特定系统而言,是其在规定目标和预设阶段

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