第二章--核反应堆材料..

此外，对固体慢化剂还要求结构强度高，抗腐蚀 性能好，易于加工。对液体慢化剂要求不腐蚀结构材 料，熔点在室温以下，高温时具有低的蒸汽压。
分类：
固体：石墨、铍及氧化铍等 慢化剂 普通水 液体重水
1）石墨 石墨分为天然石墨和人造石墨两种。 天然石墨: 天然石墨是一种非金属矿物。 按其结晶的形状分 两种：形状呈颗粒状的叫致密土状石墨; 形状呈鱼鳞片的叫鳞片 状石墨。我国的石墨资源以鳞片状石墨矿为主。 人造石墨: 人造石墨是以无烟煤、 焦碳、 沥青等原料， 经过 煅烧、 粉碎、 筛分、 成型、 石墨化等工艺过程而制成的产品。 反应堆用石墨的要求： 纯度高； 密度高； 石墨化程度高。
2）堆内结构材料
功能：
支撑燃料组件以及它们的精确定位； 为控制棒及堆芯测量装置和辐照监督提供支撑和导向； 合理分配冷却剂流量和减少压力容器内表面的中子注量等。 要求： (1)强度高、塑韧性大、高温性能好； (2)中子吸收截面和中子俘获截面以及感生放射性； (3)抗辐照、耐腐蚀并与冷却剂相容性好； (4)热膨胀系数小，导热性能好； (5)易加工、成本低。 PWR的堆内构件用材主要是奥氏体不锈钢，部分材料采 用镍基合金。
核燃料分类
核燃料特点
1）金属型燃料： 金属铀的优点：铀的核密度高，导热性能好。缺点是燃料的工 作温度低化学活性强，在常温下也会与水起剧烈反应而产生氢气， 在空气中会氢化，粉末状态的铀易着火。在高温下只能与少数冷却 剂相容。
铀合金与金属铀相比，其优点是能改善辐照稳定性、增加抗高 温水腐蚀性能。缺点是合金元素会使中子有害吸收增加，需采用富 集铀。用于动力堆的只有铀-锆合金。 2）陶瓷型燃料： 二氧化铀优点：抗辐照能力强，对裂变气体包容量大，辐照 下尺寸变化很小，因此能达到高的比燃耗；熔点高，高温稳定性 好；具有极好的抗高温水及钠的腐蚀能力，与包壳的相容性好。 主要缺点是导热性能差，燃料元件内径向温度梯度大，所产生的 热应力会使圆柱状的燃料芯块产生辐射状裂缝．同时晶粒的结构 也发生改变。
热中子
吸收
激发的复核
反冲核
由于(n,p) (n, α)反 应产生杂质原子 位移原子 （间隙原子和空穴）
γ射线 电离和电子激发
(n,p)
快中子
(n, α)
反冲核
射程结束
位移峰
（3）裂变碎片
裂变碎片带有大部分裂变所释放的能量，因此它 也使原子发生位移。且由于它的射程短，所以原子位 移只发生在发生裂变附近极小的区域出现，所形成的 位移峰效应和快中子相似。
2. 核燃料
核燃料：在反应堆内能使核裂变反应自持的易裂变物质。可 作为核燃料的易裂变物质是铀-233、铀-235和钚-239。其中铀235是天然存在的，而铀-233和钚-239分别由钍-232和铀-238用 人工方法转换而得。
核燃料要求
(1)热导率高； (2)抗辐照能力强，以达到高的燃耗； (3)燃料的化学稳定性好。燃料对冷却剂具有抗腐蚀能力； (4)熔点高，且在低熔点时不发生有害的相变； (5)机械性能好，易于加工。
常用的控制材料是铪、镉、银-铟-镉、硼及钆、钐等稀土 元素。
镉 • 镉具有很高的热中子吸收截面，而且价格也够便宜，但由于熔 点低，在中子能量低于0.18eV时吸收截面很快下降，因此只能 用于低温的研究性反应堆中。 银 -铟 -镉 • 把热中子吸收截面打的铟、银制成合金，具有很强的中子吸收 能力。绝大多数反应堆都用这种合金做吸收体。它易于加工， 有足够的强度，但在含硼压水堆中抗腐蚀性不够理想。 硼 • 热中子反应堆中控制棒和可燃毒物多用含硼材料。天然硼有两 种同位素——硼-10和硼-11，吸收中子主要依靠硼-10。所以把 材料中的硼-10富集可提高控制效率。 • 其缺点是吸收中子后产生氦气，产生的氦气会使材料体积膨胀， 尤其在高燃耗时辐照损伤更为严重。 • 硼的应用：将碳化硼做成芯块后装入不锈钢管在组合十字形控 棒或装配成棒束型控制棒；在压水堆中用作化学补偿控制;补偿 反应堆剩余反应性。
辐照对石墨的影响： 热导率下降； 尺寸变化； 潜能。
2）铍 铍是较好的慢化剂和反射层材料。 优点：慢化能力比石墨大、高温强度好、熔点、热导率、比 热都比较高，所以适用于高温反应堆，较强的抗腐蚀能力， 尤其在二氧化碳中稳定性良好。 缺点：较脆、难于加工、辐照性能差，且铍有毒、价格贵。
3）氧化铍 氧化铍是陶瓷燃料，热中子吸收截面小、慢化能力大、熔点 高，可在高温液态金属反应堆和高温气冷堆中做慢化剂、反 射层及核材料基体。 优点：具有良好的化学稳定性，在高温液态金属、二氧化碳 等中都是稳定的。 缺点：但在湿空气中加热会生成毒性的氢氧化铍挥发物，因 此比金属铍难于加工。
核燃料视频
3. 慢化剂材料
对固体慢化剂要求： (1)中子吸收截面小，质量数 低，散射截面大； (2)热稳定性及辐射稳定性好； (3)传热性能好； (4)密度高； (5)价廉易得。
对液体慢化剂的要求： （1）熔点在室温以下， 高温下蒸汽压要低 （2）良好的传热性能 （3）良好的热稳定性和 辐照稳定性 （4）原子密度高 （5）不腐： 强度高、塑韧性好、抗辐照、耐腐蚀，与冷却剂 相容性好； 纯净度高、偏析和夹杂物少、晶粒细、组织稳定； 容易冷热加工，包括焊接性能好和淬透性大； 成本低，高温高压下使用经验丰富等。 应用 轻水动力堆压力容器早期曾采用A212B锅炉钢，但为 了提高强度、增大淬透性和改善焊接性能以及随着堆功率 增大等原因，它又经历了A 212B(板材)—A302 B(板材)—A 533B(板材)—A5082 (锻材)—A5083 (锻材)的发展过程。目 前国内外广泛采用A5083钢。
Harbin Engineering University
核科学与技术学院
《核反应堆工程设计》
主要内容
1. 材料的辐照效应 2. 核燃料 3. 慢化剂材料 4. 冷却剂材料 5. 结构材料 6. 控制材料
前言
反应堆材料在核电站中的作用和地位是十分重要的：
1.反应堆安全的重点是防止堆内放射性物质外逸； 2.核电厂的可靠性和经济性也与材料密切相关； 3.反应堆材料对各种堆型的设计、建造和寿命也有密切的关 系； 4.反应堆材料对反应堆的建设质量和水平以及系列化、商品 化和改进与发展都起着重要的先导作用。 核动力设备的材料必须按照其使用条件合理选用，必须符合 国家制定的相应规范和标准
5）蒸汽发生器材料
传热管材料要求： 热强性、热稳定性和焊接性能好； 基体组织稳定，导热率高、热膨胀系数小； 抗均匀腐蚀和抗局部腐蚀能力强； 具有足够的塑性和韧性。以便适应弯管、胀管的 加工和抗振动。
应用
压水堆蒸汽发生器的传热管早期曾采用过18-8型不锈 钢并满意地使用了三年多。但因奥氏体不锈钢对应力腐蚀 敏感，后被耐热、耐蚀合金因科镍—600(Inconel-600)所 代替。
（1）带电粒子和γ射线
β粒子、 γ射线通过物质时会引起电离或电子激发，即它 们仅扰动物质中原子和电子。由于β射线的射程短，因此电离 主要是由于γ射线的影响。电离作用使化合物的化学键破坏而 分解成单体。由于α粒子在物质中射程较短，在热中子反应堆 中，它们并不重要，暂不讨论。
（2）中子
在反应堆中，中子是引起材料辐照损伤的重要原因， 中子进入物质后与原子发生碰撞，并把大量能量传递给原 子，被碰撞的原子离开原来晶体点阵中的平衡位置，成为 间隙原子，并留下一个相应的空穴。这样或多或少都会在 晶体中造成永久的缺陷，从而引起材料物理化学性质的永 久性质的变化。
重水慢化堆采用重水作 价格昂贵 冷却剂的好处是可以减 少核燃料的装载量或降 低核燃料的浓缩度 钠作为冷却剂主要应用 钠水剧烈反应、温度梯度质 于快中子堆。 量迁移、金属的扩散结合、 存在由反应性正空泡效应引 起的控制和安全问题。 气体作为冷却剂主要应 因运行压力和流量大而消耗 用于气冷堆 功率大、价格昂贵、泄漏问 题。
6）屏蔽材料
用于防止光子、中子和放射性射线或热辐射危害的材料，称 为屏蔽材料。它大量用在反应堆周围，以阻挡各种射线， 防止堆内中子和γ射线对人员的危害、设备的损伤和测试 信号的干扰等。 根据射线和物质相互作用的机制可知，原子序数大、密度高 的材料常用作屏蔽γ射线，如铅、铸铁和重混凝土等；原 子序数小，密度低的材料，如石墨、石蜡和轻水等常用作 屏蔽中子。 但对高能中子也常用重金属或不锈钢作屏蔽材料，利用它们 对高能中子的非弹性散射吸收中子能量。另外还常用硼、 三氧化二硼或碳化硼的形式与中子屏蔽材料组合使用，以 减少(n，γ)反应的放射源强度。
4）反应堆回路材料
要求： 抗应力腐蚀、晶间腐蚀和均匀腐蚀的能力强； 基体组织稳定、夹杂物少，具有足够的强度、 塑性和热强性； 铸造和焊接性能好，生产工艺成熟； 成本低，有类似工况的使用经验；
应用
沸水堆多采用AISI304不锈钢， 压水堆早期曾采用304或316无缝钢管。现在多采用含有少量δ铁素体的 AISI 316离心铸造管。 快堆一回路管道多用316不锈钢，二回路管道采用304或316不锈钢。 CANDU重水堆的回路管道也是采用奥氏体不锈钢。
• 3）弥散型燃料：
• 弥散型燃料是由二氧化铀或碳化铀等陶瓷燃料颗粒， 依所需的物理性质弥散在金属、非金属或陶瓷基体上所组 成。其优点是能比合金燃料承受更高的燃耗。弥散型燃料 的基体应具有较小的中子吸收截面。 • 在制作过程中应使燃料颗粒足够分散，这样，裂变碎 片造成的辐照损伤区不会发生重叠，从而使燃料元件能在 较高的燃耗下个发生明显的肿胀。 • 弥散型燃料的各种性质与基体材料类似，通常具有较 高的强度，导热性好，耐冷却剂腐蚀。但由于弥散型燃料 中基体材料所占的百分比大，燃料颗粒弥散后会受到稀释， 故必须采用富集铀。
反应堆材料的性能应满足下列要求:

核性能 力学性能 化学性能 物理性能 辐照性能 工艺性能 经济性
1. 材料的辐照效应
辐照产生的晶体缺陷是引起材料性能变化的根源，由 于性能的变化直接关系到反应堆的安全和寿命，因而工程 上最关心的就是辐照效应。 来源：α 、β 粒子,γ 射线,中子和裂变碎片