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核反应堆材料

2016-07-28  漫步月球路

    核反应堆内用以产生可控核裂变链式反应并保证安全运行的各类材料。除核燃料外,还包括冷却剂、慢化剂、反射层材料、结构材料、控制材料和屏蔽材料等。核反应堆材料一般在高温、腐蚀介质和辐照等特殊条件下工作,因此对它们的物理、化学和力学性能有严格要求。

  冷却剂 又称载热剂。其作用是将反应堆内因核裂变产生的热量导出堆外,在均匀堆中还兼作流体燃料的载体。冷却剂的特点是,具有良好的传热性和流动性,高沸点、低熔点、泵送功率低,对热和辐射有良好的稳定性,在反应堆系统下不产生腐蚀,感生放射性低,中子俘获截面小。常用的冷却剂分气体和液体两类。气体冷却剂有二氧化碳和氦气 。其优点是选择工作压强和温度时,可以完全独立地进行,因而能实现高温低压运行;缺点是泵送功率大。液体冷却剂有轻水、重水和液态金属。后者具有热导率高、蒸气压低的特点 。快增 殖 堆常用 液态钠 作冷 却剂 。液态 钠熔点 较低(98℃),热导率高,但有一定腐蚀性,能使回路管道因质量迁移而堵塞 。此外,钠吸收中子后会产生强放射性24Na ,而且钠很活泼,遇水即爆炸,故在设计热交换器时要特别注意。

  慢化剂 用于热中子反应堆内,使裂变产生的快中子减速为热中子,从而提高裂变反应的几率。对慢化剂的要求是对中子有较高的散射截面和低的吸收截面。常用的慢化剂是轻水、重水和石墨。轻水是含氢物质,慢化能力大,价格低廉,但吸收截面较大,对金属有腐蚀作用,易发生辐射分解。重水的吸收截面小,并可发生( γ,n )反应而为链式反应提供中子;缺点是价格昂贵,还要细心防止泄漏损失、污染和与氢化物发生同位素交换。石墨的吸收截面低于重水,但价格便宜,又是耐高温材料,可用于非氧化气氛的高温堆中。此外,还可用碳氢化合物、铍等作慢化剂材料。铍的慢化能力比石墨好,用它作慢化剂可缩小堆芯尺寸,但铍有剧毒 、价格昂贵、易产生辐照肿胀,故使用受到限制。

  反射层材料 在反应堆活性区周围用来散射从活性区泄漏出的中子,使其改变方向重新回到活性区。对反射层材料的要求与慢化剂相同,要求其散射截面要大,吸收截面要小。因此,好的慢化剂材料也是好的反射层材料。在快中子堆中,大部分裂变由高能中子引起,反射层材料由高质量数的致密物质组成,以使被反向散射进堆芯的中子受到最小的慢化 。常用的反射层材料有轻水、重水、石墨、铍、氧化铍、氧化锆等。

  结构材料 包括燃料包壳、堆芯构件、反应堆容器、热交换器和主回路管道等所用的材料。其中对包壳材料的性能要求最严。热中子堆的包壳材料一般使用铝合金、镁合金和锆合金。快中子堆包壳材料范围比较宽。铝、镁合金是较早使用的结构材料,由于其熔点低,只能用于低温。锆合金在高温下强度好,在高温纯水中的耐腐蚀性接近不锈钢,而其中子吸收截面却 只有不锈钢的 1/15,是目前水冷动力堆中广泛使用的结构材料。奥氏体不锈钢在高温下的强度和抗腐蚀性能都很好,且价格比较便宜,也用作燃料元件包壳和其他结构材料。低合金钢和碳钢普遍用于制作核反应堆压力容器。此外,可用作结构材料的还有镍、钛、铌、钒等合金 。

  控制材料 用于制作核反应堆控制棒的材料。控制棒在反应堆中起补偿和调节中子反应性以及紧急停堆的作用。控制材料具有吸收截面大、散射截面小等特点。常用的控制材料有硼、镉、铪和某些稀土元素及其合金。硼不仅中子吸收截面高,而且吸收中子的能量范围较宽,一般以碳化硼或硼钢作为控制材料。镉的热中子吸收截面比硼高,但对超热中子的吸收截面小,一般制成银铟镉合金用于水冷堆。铪不仅对热中子和超热中子都有高的吸收截面,而且是长寿命的中子吸收体,特别适用于水冷堆。但铪稀缺、昂贵,因而使用受到限制。

  屏蔽材料 用于衰减反应堆芯中产生的各种射线的材料。反应堆产生的辐射中,危害最大的是穿透力大的中子和γ射线。屏蔽材料必须能够衰减γ射线,并使快中子减速而被吸收。常用的屏蔽材料由含有重元素(如铅)、轻元素(如水中的氢)以及中子吸收剂(如硼)的材料组成。加有重晶石或铁矿石的混凝土也是常用的屏蔽材料。

 

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核反应堆材料
nuclear reactor materials
  核反应堆内用以产生可控核裂变链式反应并保证安全运行的各类材料。除核燃料外,还包括冷却剂、慢化剂、反射层材料、结构材料、控制材料及屏蔽材料等(见图)。这些材料一般在高温、腐蚀介质和辐照等特殊条件下工作,因此对它们的物理、化学和力学性能有严格的要求。

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  核燃料 核反应堆内可以实现自持核裂变链式反应的、包含易裂变核素(235U、239Pu、233U)的材料,它们在热中子作用下能进行裂变。其中235U是天然的易裂变核素;239Pu和233U分别由238U和232Th俘获中子而制得。238U和232Th称为可转换核素。铀(包括233U、235U、238U)是目前普遍使用的核燃料。钚(239Pu)在快中子堆中与238U组合可以有效地实现核燃料增殖,因而成为着重研究的核燃料之一。
  慢化剂和反射层材料 慢化剂用于热中子反应堆内,使裂变产生的快中子减速为热中子,从而提高裂变反应的几率。慢化剂要求对中子有高的散射截面和低的吸收截面,多为含有氢(氘)、碳和铍等轻元素的材料。除水和重水外,石墨是最常用的慢化剂。石墨化程度高而各向同性的石墨,具有较好的辐照稳定性。此外,石墨也是重要的高温结构材料。铍的慢化能力比石墨好,用它作慢化剂可以缩小堆芯的尺寸。但铍有剧毒,价格昂贵,使用受到限制。这些慢化剂也都可用作反射层材料。反射层可以减少中子漏失,使尽可能多的中子参与裂变反应。
  冷却剂 又称载热剂。其作用在于将反应堆内因核裂变产生的热量导出堆外,在均匀堆中还兼作流体燃料的载体。冷却剂必须具有良好的传热性和流动性。由于它流经堆芯,因此还要求具有较低的中子吸收截面、较好的辐照稳定性和化学稳定性以及对其他材料较低的腐蚀性。常用的冷却剂除CO2、He等气体以及水和重水外,还有液态金属。这种金属具有热导率高和蒸气压低的特点。钠是快中子堆中使用的冷却剂。钠的熔点较低(98℃),热导率很高,但有一定的腐蚀性,能使回路管道因质量迁移而堵塞。钠吸收中子后会产生强放射性的24Na。此外,钠很活泼,遇水即爆炸,在设计热交换器时应特别注意。某些有机材料和熔盐亦可用作冷却剂。但有机物在辐照下很容易分解,现已很少使用。熔盐(如氟盐)因为辐照稳定性和化学稳定性都很好,可作为流体燃料的载体,正在进行研究。
  结构材料 包括燃料包壳、堆芯构件、反应堆容器、热交换器和主回路管道等所用的材料。其中,对包壳材料的性能要求最严。热中子堆的包壳材料一般使用铝合金、镁合金和锆合金等;而快中子堆包壳材料的取材范围要宽得多。
  铝合金和镁合金是较早使用的结构材料,但它们的熔点较低,只能用于低温。锆合金在高温下强度比铝合金、镁合金好,在高温纯水中的耐腐蚀性接近不锈钢,而其中子吸收截面却只有不锈钢的1/15,因此成为目前水冷动力堆中广泛使用的结构材料。一般多采用抗水腐蚀性能较好的Zr-2和Zr-4合金,它们可以适应高温和深度燃耗的条件。
  奥氏体不锈钢在高温下的强度和抗腐蚀性能都很好,且价格比较便宜,也用作燃料元件包壳和其他结构材料。低合金钢和碳钢普遍用于制作核反应堆压力容器等。为了防止冷却剂的腐蚀,可在容器内壁衬以不锈钢覆面。此外,可作结构材料的还有镍、钛、铌、钒等合金。
  控制材料和屏蔽材料 常用的控制材料有硼、镉、铪和某些稀土元素(如钆)。硼不仅中子吸收截面高,而且吸收中子的能量范围较宽。一般以碳化硼或硼钢作为控制材料。镉的热中子吸收截面比硼高,但是对超热中子的吸收截面小,一般制成银铟镉合金用于水冷堆。铪不仅对热中子和超热中子都有高的吸收截面,而且是长寿命的中子吸收体,特别适于水冷堆。但铪非常稀缺、昂贵,因而使用受到限制。
  屏蔽材料必须能够衰减γ射线,使快中子减速而被吸收。它可由某些含有重元素(如铅)、轻元素(如水中的氢)以及中子吸收剂(如硼)的材料组成。加有重晶石或铁矿石的混凝土也是常用的屏蔽材料。
  各种类型的核反应堆所用的材料见表。

 

核反应堆材料
  参考书目
 (日)三岛良绩编著,张凤林、郭丰守译:《核燃料工艺学》,原子能出版社,北京,1981。(三島良績編著:《核燃料工学》,同文書院,東京,1972。)

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核反应堆材料

nuclear reactor material

核反应堆内用以产生可控核裂变链式反应并保证安全运行的各类材料。除核燃料外,还包括冷却剂、慢化剂、反射层材料、结构材料、控制材料和屏蔽材料等。核反应堆材料一般在高温、腐蚀介质和辐照等特殊条件下工作,因此对它们的物理、化学和力学性能有严格要求。

冷却剂 又称载热剂。其作用是将反应堆内因核裂变产生的热量导出堆外,在均匀堆中还兼作流体燃料的载体。冷却剂的特点是,具有良好的传热性和流动性,高沸点、低熔点、泵送功率低,对热和辐射有良好的稳定性,在反应堆系统下不产生腐蚀,感生放射性低,中子俘获截面小。常用的冷却剂分气体和液体两类。气体冷却剂有二氧化碳和氦气。其优点是选择工作压强和温度时,可以完全独立地进行,因而能实现高温低压运行;缺点是泵送功率大。液体冷却剂有轻水、重水和液态金属。后者具有热导率高、蒸气压低的特点 。快增殖堆常用液态钠作冷却剂 。液态钠熔点较低(98℃),热导率高,但有一定腐蚀性,能使回路管道因质量迁移而堵塞。此外,钠吸收中子后会产生强放射性24Na,而且钠很活泼,遇水即爆炸,故在设计热交换器时要特别注意。

慢化剂 用于热中子反应堆内,使裂变产生的快中子减速为热中子,从而提高裂变反应的几率。对慢化剂的要求是对中子有较高的散射截面和低的吸收截面。常用的慢化剂是轻水、重水和石墨。轻水是含氢物质,慢化能力大,价格低廉,但吸收截面较大,对金属有腐蚀作用,易发生辐射分解。重水的吸收截面小,并可发生(γ,n)反应而为链式反应提供中子;缺点是价格昂贵,还要细心防止泄漏损失、污染和与氢化物发生同位素交换。石墨的吸收截面低于重水,但价格便宜,又是耐高温材料,可用于非氧化气氛的高温堆中。此外,还可用碳氢化合物、铍等作慢化剂材料。铍的慢化能力比石墨好,用它作慢化剂可缩小堆芯尺寸,但铍有剧毒、价格昂贵、易产生辐照肿胀,故使用受到限制。

反射层材料 在反应堆活性区周围用来散射从活性区泄漏出的中子,使其改变方向重新回到活性区。对反射层材料的要求与慢化剂相同,要求其散射截面要大,吸收截面要小。因此,好的慢化剂材料也是好的反射层材料。在快中子堆中,大部分裂变由高能中子引起,反射层材料由高质量数的致密物质组成,以使被反向散射进堆芯的中子受到最小的慢化。常用的反射层材料有轻水、重水、石墨、铍、氧化铍、氧化锆等。

结构材料 包括燃料包壳、堆芯构件、反应堆容器、热交换器和主回路管道等所用的材料。其中对包壳材料的性能要求最严。热中子堆的包壳材料一般使用铝合金、镁合金和锆合金。快中子堆包壳材料范围比较宽。铝、镁合金是较早使用的结构材料,由于其熔点低,只能用于低温。锆合金在高温下强度好,在高温纯水中的耐腐蚀性接近不锈钢,而其中子吸收截面却只有不锈钢的1/15,是目前水冷动力堆中广泛使用的结构材料。奥氏体不锈钢在高温下的强度和抗腐蚀性能都很好,且价格比较便宜,也用作燃料元件包壳和其他结构材料。低合金钢和碳钢普遍用于制作核反应堆压力容器。此外,可用作结构材料的还有镍、钛、铌、钒等合金。

控制材料 用于制作核反应堆控制棒的材料。控制棒在反应堆中起补偿和调节中子反应性以及紧急停堆的作用。控制材料具有吸收截面大、散射截面小等特点。常用的控制材料有硼、镉、铪和某些稀土元素及其合金。硼不仅中子吸收截面高,而且吸收中子的能量范围较宽,一般以碳化硼或硼钢作为控制材料。镉的热中子吸收截面比硼高,但对超热中子的吸收截面小,一般制成银铟镉合金用于水冷堆。铪不仅对热中子和超热中子都有高的吸收截面,而且是长寿命的中子吸收体,特别适用于水冷堆。但铪稀缺、昂贵,因而使用受到限制。

屏蔽材料 用于衰减反应堆芯中产生的各种射线的材料。反应堆产生的辐射中,危害最大的是穿透力大的中子和γ射线。屏蔽材料必须能够衰减γ射线,并使快中子减速而被吸收。常用的屏蔽材料由含有重元素(如铅)、轻元素(如水中的氢)以及中子吸收剂(如硼)的材料组成。加有重晶石或铁矿石的混凝土也是常用的屏蔽材料。

 

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