热工流体力学 第1章 核燃料、包壳材料、冷却剂及其热物性.ppt

压水堆核电厂基础理论培训教材核反应堆热工水力学郝老迷编第1章核燃料、包壳材料、冷却剂及其热物性铀－235、铀－233和钚－239这三种核素可以在各种不同能量的中子作用下产生裂变反应，通常把它们称为易裂变核素。自然界中存在的易裂变核素只有铀－235一种。含有易裂变核素，能够在反应堆里实现自持裂变链式反应、释放核能的材料称为核燃料。广义的核燃料还包括可转换核素：钍－232和铀－238，这两种核素在能量低于其裂变阈能的中子作用下不能产生裂变反应，但在俘获中子后能转变为易裂变核素铀－233和钚－239，故被称为可转换核素。目前在核反应堆中使用的易裂变核素主要是铀－235。可转换核素本身虽不易裂变，但在俘获中子后能转变为易裂变核素，从而补充易裂变核素的消耗。在反应堆内它们或者与裂变燃料混合使用，或者在包裹层中单独使用。根据在反应堆中使用的形式不同，可以把核燃料分为固体燃料和液体燃料两类。由于液体燃料还有许多技术问题需要解决，因此它还没有达到工业应用的程度。固体燃料按其物理化学形态的不同又可分为金属型（包括合金）、陶瓷型和弥散体型。当前实际应用的主要是固体燃料。重点：三种核素：铀－235、铀－233和钚－239。两种可转换核素：钍－232和铀－238。1.1核素与核燃料核燃料：含有易裂变核素，能够在反应堆内实现自持裂变链式反应、释放核能的材料称为核燃料。1.2对燃料、包壳材料及冷却剂的一般要求1.2.1核燃料对于固体燃料来说，除了要求它能够产生核裂变外，还有如下要求：（1）具有良好的辐照稳定性，保证燃料元件在深燃耗后，其尺寸和形状的变化能够保持在所允许的范围之内；（2）具有良好的热物性，即要求熔点高、热导率大和膨胀系数小等，这样使反应堆能够达到高的功率密度；（3）在高温下与包壳材料的相容性好；（4）与冷却剂接触不产生强烈的化学腐蚀；（5）工艺性能好，制造成本低，便于后处理。早期建造的动力反应堆曾使用金属铀及其合金作燃料，但因为它们的使用温度低，在中子辐照下会发生“长大”和“肿胀”现象（即燃料变形），以及辐照稳定性差等缺点，所以已经被性能良好的UO2陶瓷燃料和弥散体燃料所代替。目前动力反应堆使用的燃料主要有以下两类：（1）UO2陶瓷燃料UO2陶瓷燃料被制成烧结的圆柱形燃料小块（称为燃料芯块）。它的主要优点是熔点高、深燃耗、高温和辐照稳定性都比较好。在压水堆正常运行条件下对水的抗腐蚀性能好。这是轻水堆和重水堆采用它为燃料的最主要的原因。它的缺点是导热性能比较差。（2）含UO2弥散体的燃料UO2弥散体燃料是用机械的方法把UO2均匀弥散在非裂变材料基体中制成的燃料。基体材料可以是金属，如铝、锆合金、不锈钢，也可以是非金属，如石墨。金属基体具有热导率高、耐辐照、耐腐蚀和高温稳定性好等优点。UO2带有涂层，用以防止裂变产物扩散到基体。性能较好的基体是锆合金和不锈钢。美国已用锆合金－UO2弥散体燃料取代了Shippingport第一个堆芯所用的铀锆合金燃料。1.2.2包壳材料重点：两类核燃料：UO2陶瓷燃料和含UO2弥散体的燃料。虽然要求燃料对冷却剂具有良好的抗腐蚀性，但是它们在高温下长期相互接触，腐蚀的量还是显著的。腐蚀产物落在水中会使冷却剂的放射性剂量远远超过所允许的限值。另外，UO2燃料芯块在运行过程中会发生碎裂，并且会释放出裂变气体。为了解决这些问题，最普遍的方法是用一层机械强度高而又耐腐蚀的金属把燃料覆盖并封闭起来，这种覆盖层就是通常所说的包壳。选择包壳材料必须综合考虑下列因素：（1）具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感生放射性要低；（2）具有良好的导热性能；（3）与燃料的相容性要好，也就是说在燃料元件的工作条件下，包壳和燃料的交界面处不会发生使燃料元件性能变坏的物理作用和化学反应；（4）具有良好的机械性能，即有足够的机械强度和韧性，使得在燃耗较深的条件下，仍然保持燃料元件的完整性和可冷却的几何形状；（5）具有良好的抗腐蚀能力；（6）具有良好的辐照稳定性；（7）容易加工成形，制造成本低，便于后处理。综合上述要求，适合作燃料包壳的主要材料是：铝、镁、锆、不锈钢以及镍基合金等。过去曾经使用铝、铝合金、镁合金和不锈钢作为动力堆的燃料包壳。由于锆合金具有热中子吸收截面小，在压水堆工作条件下有较好的机械性能和抗腐蚀性能等优点，因此它在水堆中被广泛地用作燃料元件的包壳。其中应用最普遍的锆合金是锆-2和锆-4合金。