几种核燃料材料及性能比较
先进核燃料的研究与应用
先进核燃料的研究与应用随着全球能源需求的增加和对排放限制的加强，许多国家开始越来越关注先进核能技术的研究和应用。
先进核燃料的研究和应用不仅可以有效地满足国家对能源的需求，而且还可以减少对环境的影响，增加全球能源的可持续性。
本文将围绕先进核燃料的研究和应用展开探讨，旨在了解其发展现状、优点和挑战。
1. 先进核燃料的定义和分类先进核燃料是指相对于传统核能发电方式的新型燃料。
它可以分为以下几类：（1）第四代核燃料：第四代核燃料是指一类当前正在研究中的先进核燃料，主要是为了解决第三代核燃料的一些问题，包括：对核废料的处理问题、对核反应堆的安全问题以及增强核反应堆的正常运行。
第四代核燃料的代表有：钚（Pu）和铀238（U238）。
（2）铀核燃料：铀核燃料是指所用的主要燃料为铀，其主要功效在于增强铀和铀化合物的化学性质，从而提高其热稳定性和化学稳定性，使其更加安全可靠。
（3）核燃料蒸汽发生器：核燃料蒸汽发生器是目前应用较为广泛的几种核燃料之一。
它的主要特点是能够提高反应堆的热效率，提高燃料使用效率，减少核废料的产生。
2. 先进核燃料的优点（1）改善能源结构，减少对化石能源的依赖先进核燃料作为一种清洁能源，可以有效地减少对化石能源的依赖，并且对环境影响较小，不产生二氧化碳等温室气体和大量的化学污染物。
（2）提高发电效率随着技术的发展，先进核燃料可以大大提高核反应堆的热效率和使用效率，从而使其发电能力更加可靠和高效。
（3）减少环境影响相对于传统核燃料，先进核燃料的反应产生的废料较少，同时其处理方式也相对更加科学、合理，使其对环境的影响更加可控和减少。
3. 先进核燃料的挑战（1）技术难度较大先进核燃料相对于传统核燃料而言，其未知因素更多，技术难度也较大，因此在研究过程中需要投入更多科技和时间。
（2）成本相对较高先进核燃料的研究、开发和应用所需要的经费相对较高，这也是其推广应用的一个难题。
（3）政策和安全问题先进核燃料除了技术上的问题，其推广应用还需要考虑到诸多非技术问题，如法律法规和监管政策等，同时在应用方面还需要考虑到核安全问题。
反应堆用材料2
熔点高，熔点以下没有相变，不会因为相变而导致熔点 以下的密度、形状、尺寸及其它变化。
低的热膨胀系数，以保持燃料元件的尺寸稳定。 具有化学稳定性，与包壳材料相容，与冷却剂不发生化
陶瓷型核燃料有氧化物型、碳化物型及氮化 物型。氧化物型应用最普遍。各种的性能对 比参见表5-3。
熔点（℃） 晶体结构
表5-3 各种核燃料的性能对比
UO2
UC
UN
Pu
U
1133
αRT-668 β668774γ774-MP
2865 FCC
2380 FCC
2850
640
FCC
α、β、
γ 、δ、
δ′、ε
与氢、水、 空气在RT作 用
易
稳定 粉末冶金法
差
好
比UO2肿胀 略多
氮的寄生 俘获
至500℃与 钠不作用,与 水作用
从UO2制得
与氧、氢、水作 用
从UO2制得 生物学上有害
好
好
差
U从心部 向边缘迁 移
FBR20% PWR35%
与空气、水 作用,与钠不 作用
易
3 弥散型燃料
弥散型燃料是将含有易裂变核素的化合物加工成粉 末或颗粒，均匀地散布在非裂变材料中形成的。含 有易裂变核素的燃料颗粒为燃料相，非裂变材料为 基体相。
可以用作核燃料的核素有铀-233、铀-235、 钚-239，其中只有铀-235是天然存在的，天 然铀中仅含0.714%的铀-235，其余为约占 99.28%的铀-238和约占0.006%的铀-234。
反应堆使用的核燃料概述及金属材料简介
核动力反应堆通常使用的燃料分为三种类型： 金属型、陶瓷型和弥散体型。
金属型燃料 金属型核燃料包括金属铀和铀合金两种。
ห้องสมุดไป่ตู้
亨利·贝可勒尔在1896年将照相底片放在铀 每月铀价格趋势图（以每磅美元计），2007年的铀价
附近，从而发现了放射性。
泡沫爆破清晰可见
金属型燃料 金属铀有三种不同的结晶构造：
目前对于铀同位素最具有实用价值的激光法：
原子蒸汽激光分离法(atomic vapor laser isotope separation)
分子激光分离法(molecule laser isotope separation)
核燃料在反应堆内长期工作，应满足： 1.热导率高，以承受高的功率密度和高的比功率，而不产生过高 的燃料温度梯度； 2.耐辐照能力强，以达到高的燃耗； 3.燃料的化学稳定性好，与包壳相容性好，对冷却剂具有抗腐蚀 能力； 4.熔点高，且低于熔点时不发生有害的相变；
另一方面， α 相铀中裂变气体（氙和氪）的溶解度很 低，随着燃耗的增加，气体会在铀中形成气泡，导致铀棒的 肿胀。
金属型燃料
在铀中添加少量合金元素（钼、铬、铝、锆、铌、硅等）， 能使铀稳定在β 和γ 相，从而改善某些机械性能；
添加大量合金元素后，可以明显改善铀的抗辐照和抗腐蚀 能力，但增加了有害的中子寄生吸收；
金属型燃料 钍-232吸收中子后可以转换为可作核燃料之用的铀-233。钍在地 壳中的储量很丰富，所能提供的能量大约相当于如今铀、煤和石油全 部储量的总和。钍的熔点较高，直至1400℃才发生晶体结构相变，且 相变前后均为各向同性结构，所以辐照稳定性较好，这是它优于铀、 钚之处。金属态的钍在使用中的主要限制为辐照下蠕变强度很低，一 般以氧化物或碳化物的形式使用。在热中子反应堆中，利用铀-钍循环 可得到接近于100%的转换比，从而实现“近似增殖”。但这种循环比 较复杂，后处理也比较困难，因此尚未获得广泛应用。 另外，因为钍 缺乏武器应用，钍的研究难以得到象铀和钚的研究那样的重点关注。
文档：核燃料类型
核燃料类型1．金属燃料铀是普遍使用的核燃料。
天然铀中只含%的U235，其余为U238。
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，功率密度,一般要用U含量大于%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。
钚(Pu)是人工易裂变材料，临界质量比铀小，在有水的情况下,650克的钚即可发生临界事故。
钚的熔点很低(640℃)，一般都以氧化物与UO2混合使用。
钚与U组合可以实现快中子增殖，因而使钚成为着重研究的核燃料。
钍吸收中子后可以转换为易裂变的U，它在地壳中的储量很丰富，所能提供的能量大约相当于铀、煤和石油全部储量的总和。
钍的熔点较高，直至1400℃才发生相变，且相变前后均为各向同性结构，所以辐照稳定性较好，这是它优于铀、钚之处。
钍在使用中的主要限制为辐照下蠕变强度很低。
一般以氧化物或碳化物的形式使用。
在热中子反应堆中利用U-Th循环可得到接近于1的转换比,从而实现"近似增殖"。
但这种循环比较复杂，后处理也比较困难，因此尚未获得广泛应用。
2．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。
第四章 核燃料
4.2.1 .1 二氧化铀的物理性能
（1）晶体结构 （2）密度 （3）熔点 （4）比热容 （5）导热率 （6）热膨胀 （7）蒸汽压
二氧化铀的晶体结构
二氧化铀的晶体结构
图4-2 铀——氧系平衡图
相图中的垂线代表化合物UO2(O/U=2.0)和
U4O9 (O/U=2.25) ， O/U比较大的其它化合物 是U3O8 和UO3。
4.2 二氧化铀燃料
优点： a. 熔点高，晶体结构为面心立方（FCC），各向
同性，并且从室温到熔点没有相变。 b. 高温稳定性和辐照稳定性好。 c. 化学稳定性好，与高温水不起作用，与包壳相 容性好。 d. 在1000℃以下能包容大多数裂变气体。 e. 有适中的裂变原子密度，非裂变组合元素氧的 热中子俘获截面低（0.002靶恩）。 缺点： a. 导热系数小，使芯块的温度梯度过大。 b. 机械强度低、脆，在反应堆条件下易裂，且加 工成型困难
232 90
233 233 Th 01n 233 Th Pa 90 91 92 U T 1 2 27.4天 T 1 2 22.2分
238 92
239 239 U 01n 239 U Np 92 93 94 Pu T 1 2 2.35天 T 1 2 23.5分
铀合金
加入适量铜，可以稳定α相；
加入钼、锆、铌可以稳定γ相。 含铀量60%的锆-铀合金曾用于希平港动力反应堆，
U-ZrH用于脉冲堆，
铀- 锆合金仍是一种有希望的金属燃料。美国的快 堆一体化燃料循环研究就是用金属型的铀-钚-10%
锆合金作钠冷快中子堆燃料的。 铀-钼合金也得到很大的重视，开展了深入的研究工 作。
核材料有哪些
核材料有哪些核材料是指能够产生核反应并释放出核能的物质。
核材料在能源领域具有重要的应用价值，可以用于核能发电、核武器制造、医疗诊断和治疗等领域。
下面将介绍一些常见的核材料。
1. 铀（Uranium）：铀是自然界中含量较为丰富的核材料之一。
铀可以分为两种同位素，即铀-235和铀-238。
铀-235是一种裂变性核材料，可以用于核能发电和核武器制造。
铀-238则主要用于生产钚-239，作为核武器的次级燃料。
2. 钚（Plutonium）：钚是一种人工合成的放射性元素，用一种裂变性核材料，可以用于制造核武器和核能发电。
钚-239是最常见的钚同位素，具有很高的裂变性和燃烧性能。
3. 氚（Tritium）：氚是氢的同位素之一，是一种放射性核材料。
氚广泛应用于核武器、核能发电和核聚变研究中，它可以用于增强核武器的爆炸威力，也可以用于制造氚氘燃料并参与核聚变反应。
4. 铀-235和铀-238混合氧化物（MOX，Mixed-Oxide）燃料：MOX燃料是一种将铀-235和铀-238混合在一起的核燃料，可以用于核能发电。
铀-235的含量较低，但具有较高的裂变性能，而铀-238的激发裂变截面较低，具有较高的冷中子效应。
MOX燃料可以提高核能发电的效率和燃料利用率。
5. 铀-233和钍-232混合氧化物（ThMOX）燃料：ThMOX燃料是一种将铀-233和钍-232混合在一起的核燃料，也可以用于核能发电。
铀-233是一个可裂变物质，可以被中子激发裂变，释放出更多的中子和能量。
钍-232是一种繁殖材料，可以经过中子激发产生铀-233。
ThMOX燃料可以实现燃料自繁殖循环，提高核能发电的可持续性和燃料利用率。
除了上述提到的核材料，还有其他一些核材料，如钚-241、镅（Americium）、镅-255等，它们在核能发电、核武器制造和科学研究中发挥着重要作用。
总的来说，核材料是一种具有放射性和核能释放能力的物质，包括铀、钚、氚等，它们在能源、军事、医疗等领域具有广泛的应用和重要的科学研究价值。
核燃料
重大伤害
重大伤害
切尔诺贝利核电站核泄漏事故被定义为最严重的7级。位于今乌克兰境内的切尔诺贝利核电站4号反应堆发生 爆炸，8吨多强辐射物泄漏。
事故共造成31名消防人员死亡，数千人受到强核辐射，数万人撤离。保守估计苏联共花费了180亿美元，以 及50万军民处理此事件，但是现在看来事故对环境的负面影响无法估量！
细节三
细节三
操作员粗心大意并违反了规程，部分是由于他们未察觉反应堆的设计缺陷。一些程序的不规则促成了事故发 生。另一原因是安全干事和负责该夜实验操作员之间的通讯不足。
重要注意的一点，是操作员关上了许多反应堆的安全系统，除非安全系统发生故障，否则这是技术指南所禁 止的。1986年8月出版的政府调查委员会报告，操作员从反应堆核心至少拿去了204支控制棒（这类型的反应堆共 需要211支），留下七支。同样指南（上文提及）是禁止RBMK-1000操作时在核心区域使用少于15支控制棒。
至于为何会判断彼得罗夫是受切尔诺贝利核爆炸的影响，伊利耶夫医生进一步解释道：“斯蒂利安的家族没 有白血病病史，所以我认为他是那次核事故的又一个牺牲者。时任保加利亚政府应该对此负责。无论是切尔诺贝 利发生爆炸，还是污染云飘散到保加利亚，政府都没有通知我们。”
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伊外长要求修改核燃料交换方案
2010年2月5日，伊朗外交部长马努切赫尔·穆塔基说，伊朗想修改国际原子能机构提出的核燃料交换方案， 他对最终达成协议表示乐观。穆塔基当天接受德国《南德意志报》采访时作出上述表态。报纸定于6日刊登出这篇 采访文章。
2009年10月，国际原子能机构提议，伊朗把国内大部分低浓度浓缩铀一次性运往俄罗斯提纯，然后再由法 国把它们加工成伊朗研究用核反应堆所需的核燃料棒。“我们认为，这一过程将让我们进入一种新的信任氛围 中，”穆塔基说，“我们已经由我们的总统、以最高级别表明我们同意，那是重要的一点。”他同时警告，伊朗 不会接受国际原子能机构提议的时间表。按德新社的说法，国际原子能机构方案中，伊朗运出浓缩铀后，等待多 达1年时间才能收到核燃料。穆塔基说，外交氛围已改善，表明能达成一项最终协议。“最重要的一点是存在核燃 料交换的政治意愿……双方采取举措建立信任很重要，我们已感觉到那正在发生。”
自然界的核原料
自然界的核原料核原料是指用于核能发电或核武器制造等核技术应用的材料。
在自然界中存在着一些丰富的核原料，它们是人类能够利用的重要能源资源。
本文将介绍几种常见的自然界核原料，并探讨它们的应用和意义。
1. 铀矿石铀矿石是最重要的核原料之一，它是自然界中含铀的矿石。
铀矿石主要存在于地壳中的花岗岩、黑云母片岩和砂岩等中，富集程度较高的地区有澳大利亚、加拿大、哈萨克斯坦等国家。
铀矿石经过提取和浓缩，可以得到适合核能发电或核武器制造的铀浓缩物。
铀是一种重要的燃料，它能够通过核裂变释放出巨大的能量，被广泛应用于核能发电。
2. 钍矿石钍矿石是另一种重要的核原料，它是自然界中含钍的矿石。
钍主要存在于矿石中的独居石、独居石矿石和钍铀矿石中，富集程度较高的地区有中国、澳大利亚、巴西等国家。
钍可用于核能发电中的钍-铀燃料循环，也可以用于制造核武器。
此外，钍还具有良好的吸收中子能力，广泛应用于核反应堆的控制棒。
3. 钚钚是一种重要的人工核原料，它无法在自然界中大量存在。
钚可通过中子轰击铀-238或钍-232产生，主要用于核能发电和核武器制造。
钚的裂变产物不仅具有高能量释放，还具有极强的放射性，因此必须严格控制和管理。
钚的利用需要经过多道工序，包括提取、浓缩和制备等过程，安全管理至关重要。
4. 铀-235铀-235是铀矿石中的一种同位素，它是核能发电和核武器制造中最重要的核原料之一。
铀-235的丰度较低，只有0.7%，因此需要经过铀浓缩工艺提高其丰度。
铀-235的核裂变能产生大量的能量，并释放出中子，进一步促进核链反应的进行。
在核武器制造中，铀-235通常用于制造“原子弹”。
5. 钚-239钚-239是一种人工核素，它是铀-238经过中子捕获和质子辐射转化而成的。
钚-239是核武器制造中使用的核原料，也可以用于核能发电。
钚-239的裂变产物能够释放出大量的能量，并产生更多的中子，从而实现自持链式反应。
钚-239具有极高的放射性，需要进行严格的管理和控制。
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UO2
2
3
4
UC
UN
U-10Zr
图4 注：此时各种燃料 U235 装载量均为 2.748×106 g。 由图 4 可以看出，即使降低了富集度，碳化铀仍然可以达到比二氧化铀高的有效增殖系数， 但氮化铀和铀锆合金所达到的有效增殖系数低于二氧化铀。 3、相同初始反应性下四种燃料的燃耗计算 选用 30％富集度下二氧化铀燃料所达到的富集度作为参照，即 1.14859，调整其它三种燃料 的富集度使其系统的有效增殖系数也达到此值附近 调整后各燃料富集度分别为：氧化铀：30.00％，碳化铀：24.00%，氮化铀：24.87%，铀锆 合金：22.81%。 总的铀装载量与第 1 节相同，同样运行 480 天得到的计算结果见图 5 和图 6。
图1 注：Followers 和 Reflector 区均不含裂变核素。 计算比较分类： 1、相同富集度（30％）和体积的燃料所达到的初始有效增殖系数及其虽燃耗的变化。 使用 MCNP 计算不同燃料达到的初始有效增殖系数见图 2。
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第十届反应堆数值计算和粒子输运学术会议暨 2004 年反应堆物理会议
近年来，各种其它类型的核燃料陆续涌现，如金属型燃料、碳化物燃料、氮化物燃料等， 它们以其特有的性质赢得了人们的青睐，尤其是随着快中子增殖堆、嬗变堆等新堆型的出 现，研究新型、高性能的快堆核燃料也成为大势所趋。
下表列出了二氧化铀陶瓷、碳化铀陶瓷、氮化铀陶瓷和铀锆合金（锆占 10%的质量）四种 核燃料的一些重要性质，以供比较。
第十届反应堆数值计算和粒子输运学术会议暨 2004 年反应堆物理会议
几种核燃料材料及物理性能的比较研究
李松阳 王侃* 余纲林 清华大学工程物理系，北京，100084
摘要：本文所涉及的核燃料种类包括：传统常用的二氧化铀陶瓷型燃料、碳化物燃料、氮化物燃料以及金属型 （合金、弥散体）燃料。本工作通过理论分析和计算比较几种核燃料的材料及物理性能。 关键词：核燃料，碳化物燃料，氮化物燃料，金属型燃料
参考文献： [1] C.GANGULY, P.V.HEGDE, A.K.SENGUPTA. Status of (UPu)C and (UPu)N Fuel development in BARC. Technical committee meeting on advanced fuel for fast breeder reactors: Fabrication and properties and their optimization. Vienna (Austria). 3-5 Nov 1987. IAEA-TECDOC--466, pp:8-24. [2] J. Wallenius. N-15 Requirement for 2nd Stratum ADS Nitride Fuels. Nuclear Applications in the New Millennium (AccAPP-ADTTA'01), November 11-15, 2001, Reno, Nevada, USA. [3] Judith F.Briesmeister. MCNP——A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 4B. LA-12625-M, 1997. [4] 余纲林, 王侃, 王煜宏. MCBurn—MCNP 和 ORIGEN 耦合程序系统[J]. 原子能科学技术, 2003, 37(3): 250-254.
核燃料的优劣直接影响核能系统的经济性和安全性，反应堆的设计需要认真考虑核燃料的 问题。目前，二氧化铀陶瓷型燃料的应用最为广泛，尤其是在大型商用核电站中。对二氧化铀 性能的研究也已经非常深入。二氧化铀陶瓷具有一些非常好的特性，例如化学稳定性好、熔点 高等，这些优点使它在核能发展前期击败了金属铀燃料，成为绝对主流的燃料类型。但它也有 一些弱点，如导热性差，密度小等等。导热性差限制了燃料元件的尺寸和反应堆的功率，而密 度小造成可裂变核素的核密度小，使得有效增殖系数和可以达到的燃耗深度都偏小。
二氧化铀
碳化铀
氮化铀
铀锆合金
密度
较
小
(10.96)
较
大
(13.63)
较大 (14.32)
大 (16.00)
熔点
很高 (2800 较高 (2380℃) ℃)
高 (2650 ℃)
较
低
(1160℃)
导热性
差
好
好
好
能
辐照性
好
能
较好
好
较好
化学惰
好
性
较差(与水
好
中
反应)
注：密度单位为 g / cm3 .
* wangkan@
1.16 1.14 1.12 1.10 1.08 1.06
0
UZr
UN UC
UO2
100
200
300
400
500
day
图 5 热功率均为 1200MW 时得到的结果，横坐标为燃耗天数。
- 201 -
第十届反应堆数值计算和粒子输运学术会议暨 2004 年反应堆物理会议
keff
1.15
1.14
1.13
- 200 -
第三章 堆芯核设计和程序
2、四种燃料相同 U235 核子数目下达到的初始 keff 使用 MCNP 计算占相同体积、且 U235 核密度也相同的燃料达到的有效增殖系数见下图。
k e ff
1.2 1.14859 1.16975 1.05536 1.07121
1.0
keff
keff
0.8
氮化铀：1.323×107 g ；U-10Zr 合金：1.411×107 g
由图 3 可以看出，在 480 天的燃耗过程中，装二氧化铀燃料的系统有效增殖系数一直小于装 其它三种燃料的系统，而且曲线也并未有超过其它三种的趋势。因此可以确定，在 U235 富集度 相同、燃料所占体积相同的条件下，U－10Zr 合金、UC、UN 燃料在反应性方面的表现优于二氧 化铀燃料，由此推断它们可以达到比二氧化铀燃料更大的燃耗深度。
- 198 -
第三章 堆芯核设计和程序
表中未列出金属铀，原因是金属铀在辐照和热循环下有明显伸长，以及较低相变温度的影 响，给反应堆带来很多问题，故舍弃了金属铀而采用稳定于伽马相的铀锆合金。 由表可知，二氧化铀陶瓷的密度在这四种燃料中是最低的，经简单计算可知，二氧化铀陶 瓷中的铀元素核密度也是最低的。这样在使用相同富集度燃料且体积形状一样的情况下， 如果不考虑其它因素，二氧化铀燃料所能达到的初始有效增殖系数和燃耗深度均要小于其 它三种燃料。 在这四种燃料中，二氧化铀的熔点最高，往下依次为氮化铀、碳化铀和金属铀。金属铀的熔 点与陶瓷燃料相去深远，是一大缺点。 二氧化铀的导热性能在四种燃料中是最差的，这在一定程度上抵消了其高熔点的优势。其它 三种材料导热性能均良好，这样可以制作比较大尺寸的燃料元件，并且弥补了其熔点低的缺点。 在化学惰性方面，二氧化铀惰性很好，与水、钠、及不锈钢的反应均较难，氮化铀的惰性也 较好[1]，相比之下，碳化铀和金属铀化学性质比较活泼，尤其是碳化铀与水的反应很容易，这 极大地限制了碳化物燃料的应用。而金属铀裸露在水中的腐蚀速度也比较可观。 另外，三种陶瓷燃料辐照行为更多表现为裂变气体引起的肿胀，相比较来说，氮化铀的肿胀 大大小于其它两种陶瓷燃料。需要指出的是，氮化铀燃料中的氮 14 可以以十几个毫靶的截面发 生（n，p）反应生成碳 14，碳 14 的放射性会影响到燃料循环的成本。[2] 前面介绍了几种核燃料的性质并且做了一些初步的比较，但要得到能经得起考验的结论， 必须要有实际计算的证据来支撑。 这里选用了简化的一个基准快堆模型作为计算基础，如图 1。使用 MCNP[3]和 MCBurn 系统[4] 作为计算工具，对使用不同燃料的情况进行计算、比较和分析。
- 202 -
几种核燃料材料及物理性能的比较研究
作者： 作者单位：
李松阳， 王侃， 余纲林 清华大学工程物理系,北京,100084
引用本文格式：李松阳.王侃.余纲林 几种核燃料材料及物理性能的比较研究[会议论文]
keff
1.30 1.28 1.26 1.24 1.22 1.20 1.18 1.16 1.14 1.12 1.10 1.08 1.06
0
U -1 0Z r
UC UN
UO2
100
200
300
400
500
day
图3 注：使用各燃料时铀（U235，U238）的装载量分别为
二氧化铀： 9.160 ×106 g ；碳化铀： 1.268 ×107 g
k e ff
1.26302
1.28955
1.23684
1.2 1.14859
keff
1.0
1
2
UO2
UC
3
4
UN
U-10Zr
图2 注：计算条件为“kcode 1000 1.0 15 45”. 由直方图可以看出，在四种燃料中，二氧化铀的初始有效增殖系数最小，明显低于其它三种 燃料，主要原因在于二氧化铀的密度明显低于其它三种燃料，在相同体积和燃料富集度的情况 下，二氧化铀燃料中的 U235 核子数目低于其它三种燃料，从而导致初始有效增殖系数偏低。 使用 MCBurn 对按上述方案装料的堆芯模型进行 8 个步长共 480 天的燃耗计算，得到有效增 殖系数的变化情况如图 3。
1.12
1.11
1.10 1.09 1.08 1.07
பைடு நூலகம்
UZr UC UN
UO2
0
2
4
6
8
burnup (6*10^3W *d/g(U))
图 6 按每克铀 100W 的燃耗速度计算得到的结果 由图 5 可知，在总热功率相同的条件下，虽然降低了富集度使得初始有效增殖系数相同，但 碳化铀、氮化铀和铀锆合金在 480 天的燃耗过程中，系统的反应性始终高于二氧化铀。 由图 6 可知，在比功率相同的情况下，二氧化铀的曲线仍然最低，而铀锆合金仍然最高，与 碳化铀、氮化铀一起，它们的增殖性能强于二氧化铀。但此时曲线间的差别已经很小。 结论： 由材料性能的比较来看：碳化铀、氮化铀和铀锆合金（10%质量的锆）的性能都优于传统的 二氧化铀燃料，特别是氮化铀燃料。由计算结果可看出，从各种材料的堆芯物理性能来看，碳 化铀、氮化铀和铀锆合金（10%质量的锆）的性能也优于传统的二氧化铀燃料。