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金属型燃料的性能对比表
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陶瓷型燃料
陶瓷燃料是指铀、 陶瓷燃料是指铀、钚、 是指铀 钍的氧化物 碳化物和 氧化物、 钍的氧化物、碳化物和 氮化物 常见的陶瓷燃料有UO2 常见的陶瓷燃料有 ，PuO2，UC，UN ， ， 陶瓷型燃料主要用来解 决金属或合金型燃料工 作温度限制（ 作温度限制（相变及肿 胀效应） 胀效应）
• 液态 • 固态 金属，陶瓷， 金属，陶瓷，弥散体型
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核心 包覆颗粒 燃料元件
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金属型燃料（ ） 金属型燃料（1）
① 金属型燃料的类型 主要包括金属铀及 主要包括金属铀及铀合金 金属铀 ② 金属铀的物理化学性质 银灰色金属，密度高 热导率高,工艺 银灰色金属，密度高(>18.6),热导率高 工艺 热导率高 性能好,熔点 熔点1133 ℃,沸点 沸点3600 ℃（优点） 优点） 性能好 熔点 沸点 化学活性强，与大多数非金属反应 缺点 缺点) 化学活性强，与大多数非金属反应(缺点 α、β、γ相的转变温度 ，772 、 、 相的转变温度 相的转变温度662，
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金属型燃料（ ） 金属型燃料（2）
③ 金属铀的工作条件限制 由于相变限制，只能低于665℃ 由于相变限制，只能低于 ℃ 相变限制 低于 辐照长大，定向长大限制低温工作环境 辐照长大， 辐照肿胀现象， 辐照肿胀现象，较高温度条件下的金属燃 现象 料变形
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第五章 核反应堆材料
王建军 wang-jianjun@ 电话： 电话：82569655
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核反应堆中对材料的一般性要求
• 通用要求 机械强度，抗腐蚀性，可加工性， 机械强度，抗腐蚀性，可加工性，导热性能 • 反应堆内要求 抗辐照性能 与中子相互作用
Kp = 1 −ε K 100 1 + βε
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二氧化铀的典型物性（ ） 二氧化铀的典型物性（2）
• 热导率（续） 热导率（ 燃耗对热导率的影响
低温时随燃耗升高热 导率下降 高温时变化不大
热导率随氧铀比增加 而减小
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α射线特点 射线特点: 射线特点
射程最短（比较β射线和 射线） 射程最短（比较 射线和γ射线） 射线和 射线
β射线特点： 射线特点： 射线特点
射程较短（相较 射线 射线） 射程较短（相较γ射线）
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• 辐照效应之 射线 辐照效应之γ射线 γ射线特点： 射线特点： 射线特点
适宜用于生产堆(堆芯温度较低，中子注量率不太高)
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金属型燃料（ ） 金属型燃料（4）
④ 合金铀的相关说明
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主要合金形式有铀与锆、 主要合金形式有铀与锆、铬、钼、铌、铝等 与金属铀相比，合金具有较好的机械性能、 与金属铀相比，合金具有较好的机械性能、良好的抗 腐蚀性能， 腐蚀性能，对抗辐射性能有所改善 加入合金元素会使中子吸收增加， 加入合金元素会使中子吸收增加，需使用富集铀 锆的熔点高，中子吸收截面小，抗辐射性能好， 锆的熔点高，中子吸收截面小，抗辐射性能好，同时 铀在锆中的溶解度大（ 铀在锆中的溶解度大（铀－锆合金 ） 熔点高，热导率高，便于轧制成型 熔点高，热导率高， 在高燃耗情况下辐照稳定性不好（ 铀－锆－2在高燃耗情况下辐照稳定性不好（西平港） 在高燃耗情况下辐照稳定性不好 西平港） 美国铀－ 美国铀－锆－钚合金 可用于快中子增殖
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核燃料的一般性要求
良好的热物性，例如热导率高 抗辐照能力强，燃耗深 燃料的化学稳定性好，燃料与包壳、冷却剂的相 容性好 熔点高，且在低于熔点时不发生有害相变 机械性能好，易于加工
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核燃料的存在形态
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陶瓷型核燃料-UO2的辐照效应 陶瓷型核燃料
• 陶瓷型核燃料早期会出现密实化效应 陶瓷型核燃料早期会出现密实化效应 可能导致塌陷 可能导致塌陷 线功率密度增加，芯块温度升高 线功率密度增加，芯块温度升高 密度增加 芯块缩小，气体间隙变大，导热性能下降， 芯块缩小，气体间隙变大，导热性能下降， 温度升高 • 长期运行可能引起的裂变气体释放和肿胀效应 长期运行可能引起的裂变气体释放和肿胀效应 临界燃耗主要与燃料自身密度相关
二氧化铀的制备
• 制备流程： 制备流程： 气象UF 气象 6 水解
压制生坯 UO2芯块 UO2粉末 UO3 ADU UF6 UO2F2
与稀氨水溶液 反应 重铀酸铵 沉淀 煅烧 UO3 还原 UO2 生坯 烧结芯块
辐照效应是特定物质在特定辐照条件下的效应
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• 辐照效应之带电粒子 辐照效应之带电粒子 作用类型： 作用类型：
电离和激发（碰撞损失过程，速度不太高粒子） 电离和激发（碰撞损失过程，速度不太高粒子） 轫致辐射（辐射损能过程，高速粒子） 轫致辐射（辐射损能过程，高速粒子）
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K 95 =
• 热导率 与温度、燃料密度（ 与温度、燃料密度（ 孔隙率）、燃耗、 ）、燃耗 孔隙率）、燃耗、氧 铀比等有关 热导率计算
40.4 + 1.216 × 10 −4 × exp(0.001867t) 464 + t
K 95 = 0.0191 + 1.216 × 10 −4 × exp(0.001867t)
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• 辐照效应之裂变碎片 辐照效应之裂变碎片 裂变碎片本身不属于辐射效应范畴 裂变碎片本身不属于辐射效应范畴 辐射效应 裂变碎片可在裂变区域附近 裂变区域附近产生近似快中子 裂变碎片可在裂变区域附近产生近似快中子 辐照效应” 的“辐照效应”，即形成核燃料内原子位移 杂化效应及肿胀效应（两种效应） 杂化效应及肿胀效应（两种效应）
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核反应堆相关材料
• 按照功用可大致分为： 按照功用可大致分为： 功用可大致分为 核燃料材料 核燃料材料——提供核裂变 材料 提供核裂变 慢化剂材料 慢化剂材料——热中子反应堆必须 材料 热中子反应堆必须 冷却剂材料 冷却剂材料——带走所产生的热能 带走所产生的热能 材料 结构材料 结构材料——实现功能性 材料 实现功能性 控制材料 控制材料——控制核反应堆 材料 控制核反应堆
中子辐照损伤原理 中子辐照损伤原理 辐照损伤
位移能，原子 空穴 位移能，原子-空穴
中子与物质相互作用特点（快中子） 中子与物质相互作用特点（快中子）
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• 辐照效应之中子(2) 辐照效应之中子 中子
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陶瓷型核燃料缺点UO2 陶瓷型核燃料缺点
• 二氧化铀的导热性能较差，热导率低 二氧化铀的导热性能较差， 导热性能较差 • 传热负荷一定时，燃料径向温度梯度大 传热负荷一定时，燃料径向温度梯度大 • 在热梯度或热震作用下可能导致脆化 热梯度或热震作用下可能导致脆化 作用下可能导致
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一、材料的辐照效应
• 反应堆中的辐射来源 带电粒子（ 、 射线 来自于衰变过程） 射线， 带电粒子（α、β射线，来自于衰变过程） 中子（来源于裂变和中子核反应） 中子（来源于裂变和中子核反应） γ射线（来源于裂变、衰变等） 射线（来源于裂变、衰变等） 射线 裂变碎片（裂变反应） 裂变碎片（裂变反应）
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二氧化铀的典型物性（ ） 二氧化铀的典型物性（3）
比热性能 二氧化铀比热可表示为温度函数， 二氧化铀比热可表示为温度函数，如：
c p = 304.38 + 2.51 × 10 −2 t − 6 × 10 6 /(t + 273.15)2 25℃ < t < 1226℃
c p = −712.25 + 2.789t − 2.71 × 10 −3 t 2 + 1.12 × 10 −6 t 3 − 1.59 × 10 −10 t 4
1226℃ < t < 2800℃
单位J/(kg℃)
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