材料科学结课论文
题目：多种材料在核反应冷却中的应用
学生姓名：孙天麒
学号: 114263050118
专业班级：14 自动化
2015年6月13日星期六
核反应堆冷却材料(nuclear reactor coolant material)其在人工控制核反应进行时起着至关重要的任务。

核反应堆冷却材料也就是流经堆活性区带走核裂变热量的核反应堆材料，在工程上我们也称其为核反应堆冷却剂或核反应堆载热剂，其主要作用也可对比火电中的高温高压水。

主要作用是及时将高温导出，一是为了保护设备免遭高温损坏，二则是将热能导出后加以利用（这部分热能也是核电和火电发电时的主要收益能量）。

冷却材料在核反应中充当的是一种换热介质，并且需要时刻循环流动而对冷却材料的要求与反应堆类型密切相关，但所有的冷却材料应满足下列基本要求：热容大、热导率高、粘度小、熔点低、沸点高。

而常用的反应堆冷却材料有气体、液体、熔融金属3种形态下面我们来分别了解下这三种材料
气体材料：主要包括空气、氦气、二氧化碳气等。

但是由于空气的换热性能差，高温时氧、氮活性较大，因此一般情况下只用于低功率密度的研究用反应堆内；氦气具有高的热导率和化学惰性，是一种比较理想的气态冷却材料，但其价格较贵，限制了它的应用；二氧化碳应用较广，主要原因是它的安全性好、成本低、与其他材料相容性好，例如在最近比较热门的石墨反应堆中就存在着比较好的应用。

液态冷却材料：对于液态冷却材料这里我们主要讨论轻水和重水，众所周知水的比热容较大且价格相对廉价因而其成为反应堆的液态冷却材料也不足为奇。

那么由轻水所构成的反应堆我们称之为轻水堆，轻水堆虽然做为一种技术含量相对较低的反应堆但是其使用范围与使用周期却是最长的，并且它也处在不断的创
新与发展中这里我们可以简单的介绍一下其最新的成果超临界水冷却反应堆（SCLWR-H）(1-1)。

超临界水冷却反应堆系统是一种高温高压的水冷反应堆，它可以在高于水的热力学临界点的工况下运行。

超临界的水冷却剂可以使系统的热效率比目前的轻水反应堆高出大约三分之一，同时由于冷却剂在反应堆内不改变相态并且直接与能量转换设备相连。

而除了轻水外还有一种重要的液态冷却材料。

因而这里也就需要先介绍一下吸收截面（absorption cross section）（1-2）这个概念。

可以将其简单的概述为入射粒子被靶核所吸收的概率，那么接下我们就可以请出一位极其重要的嘉宾重水，相信对于重水大家都多少有些了解吧，即便是文科生，相信各位的初中话学老师也在课堂上提起过它吧。

重水(Deuterium oxide)是由氘和氧组成的化合物。

分子式D2O这种材料作为冷却液有一项极大的优点便是它的热中子吸收截面极小这也就是说其慢化率（1-3）很高U-235
是自然界中存在的唯一易裂变的物质而低能的中子—热中子则更易引发其裂变
而裂变后释放的中子称为快中子，所以在反应堆中要将快中子转化为热中子，让热中子去引发裂变。

而快中子变成热中子的过程即是损失能量的过程这一过程称为“中子慢化“继续我们刚才所说的重水，它热中子吸收截面极小，慢化率很高因而其是一种理想的冷却与慢化相结合的核反应堆材料，特别适于天然铀反应堆中使用。

可惜重水制取困难、价格昂贵，应用大受限制然而这并不能阻止重水堆发展的步伐，目前我国的秦山核电站三期工程已经启动重水堆，这代表我国重水堆也已进入商业用途；对于液态冷却材料也有不少有机冷却材料例如如苯联或其混合物，而这类有机混合冷去材料所特有的优点自然是因沸点较高，蒸气压低，无需加压使用。

但是其缺点也是十分的明显热和辐照稳定性差，热导率不高，故只适用于小体积轻便式反应堆，应用有限，大多用于小规模的实验研究等。

熔融金属冷却材料：主要包括钠、钾、钠一钾合金等。

对于金属而言它们的主要优点当然是：热导性好、沸点高、饱和蒸气压低，可在常压下实现这类冷却材料的高温回路运行。

对于必须在高温下运行的反应堆，它们是比较理想的冷却材料。

而以上这些均是熔融金属的一些物理性质，熔融金属冷却材料在应用中最大的优势无疑在于它对快中子慢化率更低，这也就意味着在使用熔融金属冷却材料的反应堆中可以同时存在着大量的快中子这无疑极大的提高了反应的效率并且熔融金属冷却材料堆有着增殖的功效快中子反应堆不用铀-235，而用钚-239作燃料，不过在堆心燃料钚-239的外围再生区里放置铀-238。

钚-239产生裂变反应时放出来的快中子，被装在外围再生区的铀-238吸收，铀-238就会很快变成钚-239。

这样，钚-239裂变，在产生能量的同时，又不断地将铀-238变成可用燃料钚-239，而且再生速度高于消耗速度，核燃料越烧越多，快速增殖，所以这种反应堆又称"快速增殖堆"。

据计算，如快中子反应堆推广应用，将使铀资源的利用率提高50-60倍，大量铀-238堆积浪费，这也对环境的保护已经废料的处理起到了至关重要的作用，因此我快中子反应堆（Fast neutron reactor）简称快堆是目前国际上公认的发展方向。

其对环境的保护方面和对能源的利用方面都对人类的未来有着十分长远的影响。

因为钾热导率比水和气态冷却材料高出2个量级。

这也刚好增加了实际生产时的效率与利用率。

然而其也怎在这一部分问题，例如钠冷快堆多采用不锈钢作结构材料，当钠中含氧量不高于10-5，操作温度低于650℃时，钠对不锈钢管道腐蚀不大，高温钠回路比较安全，但钠、钾遇水会发生剧烈爆炸，操作必须十分小心。

目前401所已经建成了一个小型的快堆但是目前其规模较小，仅是用于进行一些实验，并不会投入商业生产。

尽管如此快堆的前景还是十分让人期待的。

引用文献：
(1-1)--东方电气评论-刘松涛，张森如，张虹-(中国核动力研究设计院反应堆系统设计国家级重点实验室，成都 )。

(1-2)--《量子宇宙》（<英>布莱恩·克劳斯(Brian Cox)）。

重庆出版社
(1-3)—《日出：量子力学与相对论》（张轩中）清华大学出版社。

对于材料科学的个人感想
虽然本人是理科出身但是之前并未有系统的写过论文所以上面的论文虽为鄙人尽力所为，但想必仍旧存在着诸多的问题还请见谅。

通过本学期选修课材料科学的学习，我更加确认我对于材料科学的兴趣，说实话我很喜欢这种学科交叉的的感觉，材料学中存在着物质的物理分析，并且化学性质也需要被人们广泛了解，既需要理性的分析，又要像工科一样联系实际这种多门学科的跨领域的交汇不但发展了自己还赋予了彼此鲜活的生命力，而且老师在上课时也向我们介绍了许多的学术前沿，这的确正是我所需要的，当然也改变了我对许多东西的看法。

比如磁流体。

之前的我对于磁流体的认识也仅仅限于磁流体发电机，原因是之前高中时磁流体发电机是高考化学的热门考点，一方面如今的高考的确越来越贴近现实了，或者说不再仅局限于从前的象牙之塔了，越来愈多的科学前沿以试题的形式来到了学生们的面前，光伏电池、铝-空气电池、液态钠快中子反应堆、磁流体发电机等也越来越被如今的高中生所熟悉所以说如今的高中生早已不是从前人们口中的“书呆子“了，
现在的他们了解的东西或许远要比我们想的多的多，不过即使如此我正在见识到磁流体的魅力还是在来到民大之后。

在见识到如此奇妙的东西后，磁流体这个概念在我的脑海中被刷新了千万次于是我又从新查阅了资料知道它是一种纳米级材料是由直径为10纳米以下的磁性固体颗粒、基载液（也叫媒体）以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体而它对于磁场的敏感性使它在某些方面有些类似记忆金属。

通过查询资料的了解我对它的认识也不再局限于发电机了(笑)，事实上它可以广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。

因此我觉得选修这门课对我来说是无比正确的选择，因为我从中发现我我所一直在寻找的东西，至于上面所写的论文，也是出于本人的兴趣，当然也是受我父亲的影响，因为我父亲正是在401所从事反应堆研究，所以对于我来说耳濡目染所了解到了一些东西，大学来到了广西民大，本以为学校的文科氛围较重很少会有机会能接触到一些学科前沿，但
是正好借此次机会，翻阅了一些资料，同时向父亲询问了一些问题对我来说实在是难得的机会。

不过作为理工科的学生，课业压力还是蛮大的所有，可能再去研究一些自己感兴趣的东西也不是太方便，但是我希望我能一直走在自己从憧憬的道路上。

2014.6.14。