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。
理想的核燃料需具备以下特点
燃料中易裂变原子密度高，即材料中应含有高浓度的裂



变（或增殖）原子，其它组合元素中不应有中子吸收截 面大的原子。 导热性能好，即可以有高的功率密度（每单位堆芯体积 的热功率高），或高的比功率（每单位质量燃料的热功 率高），燃料能承受高的热流而不产生过大的温度梯度， 并能使燃料中心温度保持在熔点以下。 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 学反应。 辐照稳定性好，即在强辐照下不会因肿胀、开裂和蠕变 等引起变形而失效；机械性能（强度、韧性等）也不应 在辐照下有很大的变化。 材料的物理和力学性能好，易于加工，并能经济地生产。
金属铀
熔点较低 （1133℃）
在熔点下随温度变化而引起相变， 而且α相（正交晶系）各向异性，三个轴向上的热
膨胀系数不同，a向最大（39×10-6/℃）、c向次之 （27.6×10-6/℃）、b向为负（-6.3×10-6/℃） 相变和热膨胀会造成温度循环下的严重扭曲； 金属铀辐照稳定性差，辐照引起的尺寸变化，几何 变形严重，它的堆内寿命短。
4.2（RT）
38 (1000℃） 45(650℃） 241
344-1380
弹性模量 1011Pa 辐照效应
1.0-1.7
2.0
2.1
6.9
450℃肿胀
没明显肿胀
比UO2肿胀 略多 至500℃与 钠不作用,与 水作用 从UO2制得
氮的寄生 俘获 与氧、氢、水作 用 从UO2制得 生物学上有害
U从心部 向边缘迁 移 与空气、水 作用,与钠不 作用 FBR20% PWR35% 易
低温下，O/U<2的是UO2和金属铀的混合物，
高温下是UO2和液态金属铀的混合物。 在一个O/U不等于2.0的很宽的区域，系统是 单相。是氧在氧化物中的真正的固溶体。 在各种化合物UaOb的垂线之间存在很多的两 相混合物。
比热容
二氧化铀的比热容是用于事故工况分析中的
一个极为重要的热力学量。对于一个给定的 燃料温度变化，比热容控制了热容量的变化 幅度。 二氧化铀的比热容按下式随温度变化： Cp=-84.053×10-7T2+48.753×10-3T+36.707 (4-1) 式中，Cp的单位是J•mol-1•K-1, 1065℃<T<2030℃
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。 铀-233和钚-239是在反应堆中通过钍-232 和铀-238俘获中子后嬗变得到的。其核反应 过程如下：
2)压缩强度－晶粒尺度在0-20μm的二氧化铀的压缩强度在420到980Mpa之 间。 3) 弹性模量－与温度、气孔率有关。室温时约为2.1-2.3×105MPa,随温度 增加，该值呈直线下降，系数为3.09×10-2/K；随气孔率增加，弹性模 量减小。关系式如下： EP = E0（1-2.62P） （4-3） 式中： P为气孔率，E0为室温时理论密度的UO2的弹性模量，为 2.26×105MPa。 4)高温蠕变－高温时的变形可用机制来描述。二氧化铀的高温蠕变可用下 式来表示：
4.1.2 陶瓷型燃料
铀、钚、钍与非金属元素（氧、碳、氮等） 的化合物组成了陶瓷型核燃料。由于这些燃 料有很高的熔点，无相变，与包壳和冷却剂 相容性好，辐照稳定性好等有利条件，动力 堆普遍采用这类材料作核燃料。 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4-1。
ε
= （A1ζ/G2）exp（-Q1/RT） + A2ζ4.5exp （-Q2/RT）+CF ζ （4-4）
式中：A1、A2、C为常数与裂变率有关； Q1、Q2 是蠕变激活能 ；ε是稳 定蠕变速率；ζ是施加的应力；G是晶粒尺寸；R是气体常数；T是温度； F是裂变率。
二氧化铀的机械性能
图4-3 UO2断裂应力、应变与温度的关 系
4.2.1.2 力学性能
UO2在常温下是脆性陶瓷体，断裂强度约为 110MPa，在韧脆转变温度（～1400℃）以上，随 着温度升高，强度急剧降低，同时出现塑性。 1)断裂强度－二氧化铀在脆性范围内的断裂强度与密 度、晶粒度、温度有关。 ζf = 170×[1-2.62（1-D）]1/2 G-0.047exp （-1590/RT） （4-2） 式中 ζf—断裂强度（MPa）；D—密度；G—晶粒尺 寸（μm）；T—绝对温度；R—气体常数 （8.134J/Mol．K）。
4.1 燃料的分类
固体燃料可以分为金属型、陶瓷型和弥散体
型。
4.1.1 金属型燃料
（1）金属铀 从室温到熔点有三个同素异构体，分别为 α、β、γ相。 优点是裂变原子密度高；导热性能好；加工 性能好。 缺点是熔点低（1133℃），有相变，辐照稳
定性差 ，几何变形严重，化学性质活泼与水， 空气，氢气在常温下反应。
第四章
核燃料
内容提要
燃料的分类
金属型燃料,陶瓷型燃料,弥散体型,MOX燃料 板状燃料元件,小球燃料,振动密实燃料
二氧化铀燃料 二氧化铀的性能 二氧化铀燃料的制造 二氧化铀燃料的堆内行为
核燃料
在反应堆中使用的易裂变物质和可 转换物质称为核燃料。核燃料中必
须包含有易裂变的核素，当它们在 反应堆内工作时，可以维持链式反 应，并释放裂变能。

芯体组坯
燃料板轧制
C A R R 燃 料 组 件 制 造 工 艺 图 解
燃料板滚压
燃料组件 整体加工
4.1.4 其他形式燃料
还有一些燃料。如小球燃料是一种用于高温
气冷堆的燃料。裂变燃料或增值燃料用溶胶 凝胶法制成小颗粒，外面再包复上多层复合 材料，如多孔碳（储气）、氧化硅（防止裂 变产物逃逸），最后一层是高温热解碳（做 包壳）。
弥散型燃料
弥散型燃料具有熔点高、与包壳相 容性好、抗腐蚀、抗辐照、导热性
能好等优点。 弥散性燃料主要用于实验堆，也用 于动力堆和生产堆做燃料。
板状元件
板状元件是一种弥散体燃料。它是一种 “三明志”的结构，两边是金属（铝）包壳， 中间是燃料颗粒弥散在金属（铝）基体中。 弥散体燃料颗粒可以是氧化物，也可以是 硅化物。如CARR堆燃料芯体是由U3Si2弥散 在铝基体中形成的。这种燃料克服了导热性 能差的缺点，也对燃料的抗肿胀性能有所提 高。由于它一般使用铝合金为包壳，不能用 于动力堆，是用于研究堆的。现在也有用锆 合金作包壳的用于动力堆。
几何尺寸变化的因素
在450℃以下，变形主要由α相的各向异性所
引起； 大于450℃，变形主要源于辐照肿胀，体积增 大，密度减小 。 因此堆内寿命(堆龄）只有几千MWd/tu
金属铀不能用于水堆
金属铀有很强的化学活性，即使在 常温下也能与空气、水、氢气发生
反应。 早期的英国、法国反应堆曾采用它 作反应堆燃料，用二氧化碳气体冷 却。
金属钚---缺乏实用价值
由于熔点低（640℃）
熔点以下有六种同素异构形式:α、β、γ、δ、
δ ‘ 、ε）， 化学稳定性不好， 并且生物学上有毒性。
金属铀
α相：室温到668℃，属正交晶系，
密
度为19.06Mg/m3； β相：668℃到774℃，属四方晶系， 密 度为18.81Mg/m3，相变时体积增大1.15% ； γ相：774℃到熔点1133℃，属BCC晶系，密 度为18.06Mg/m3，从β相到γ相体积增加 0.71%。

表4-1 各种核燃料的性能对比
U 熔点（℃） 晶体结构 1133 αRT-668 β668774γ774-MP UO2 UC UN Pu MOX Th+UO2
2865 FCC
2380 FCC
2850 FCC
640 α