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在金属铀中由于裂变产物中的气体元素几乎都是包容而不释放出来， 所以肿胀显著。虽然研究了改善办法，但也有一定限度，即使做成浓 缩铀，如果只是单纯提高235U的浓度，由于金属学上的寿命首先就达 到了，燃耗深度也超不过几千兆瓦· 日／吨。另外，由于铀的α-β相变点 是668℃，所以燃料的中心温度被限制在这个温度以下，这也是以金属 铀作为动力堆燃料的一大缺点。由于这些原因，动力堆中目前基本不 采反应堆
对核燃料元件的要求：
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良好的物理、化学、力学和抗辐照稳定性。燃料元件在反应堆内复杂的条件下 使用寿命达3～4年，工作及储存空间要保持外形尺寸稳定。包壳要尽可能的薄， 但应有足够的强度，并有足够的抗腐蚀性能，不与核燃料及核裂变产物发生有 害的化学作用，能够长期包容放射性物质； 所有材料的热中子吸收截面要小，且不含中子吸收截面大的杂质。 具有良好的热工水力学和热交换特性，燃料元件的结构设计要有利于热量传递， 具有较大的导热面积； 要求所有设计的燃料元件的在堆芯中能够互换位置，以利于有效的堆芯燃料管 理，并力求结构简单，易于加工； 为了尽量充分、经济地利用核能，反应堆运行应使核燃料的燃耗[又叫燃耗深度： 即单位质量的核燃料产生的核能总和，以兆瓦日/吨铀（MW· d/tU）表示]尽量高。 但过高会造成燃料元件破损，使裂变产物逸出。另外，核燃料在反应堆中由于 受到中子和γ射线的辐照，会使其尺寸“长大”，并且由于裂变产物的生成，还 会使其发生“肿胀”，设计时应注意。
(3) 提高固体燃料基休的强度，约束气泡的长大；
金属铀是没有可能达到(3)中所说的那么大的强度，所以实际上是应用(1)、 (2)两种方法。 加入合金元素可以防止肿胀，还可以改善各向异性的效果。但是加入这些 元素不但会把铀中的可裂变同位素235U稀释，还会增加中子吸收，这对于维持 持续的链式反应是不利的。因此，为了使235U含量很少的天然铀得到上述的改 善，对添加元素量作了如下表限制。
4.2.2 铀的陶瓷核燃料及其成型加工
金属铀有各向异性和低熔点两大缺点。尽管做了种种改进，但总有 限度。因此，考虑使用铀化合物的陶瓷体作为燃料，这种燃料称为 “陶瓷燃料”。 陶瓷比金属的熔点高（2865℃），耐辐照，轻水反应堆中采用的陶 瓷燃料是UO2，用熔炼加工的方法制造成形是困难的。所以一般采用 下述三种方法之中的一种来制造： (1) 把粉末压制成形，然后烧结，制成称为芯块的圆柱体； (2) 把粉末填入包壳管中，并使其振动，从而提高密度的振动密实法； (3) 把粉末装入包壳管中，然后从管外进行边转边敲打的旋锻法。 按第 (2)、(3) 种方法制成的产品，一开始作为燃料使用就会由于裂 变发热升温而产生烧结。旋锻法是把陶瓷燃料粉末填进包壳管中，易 划伤内表面，所以最近不大采用。
二氧化铀芯块的制造方法：
一般是把浓缩铀工厂提供的成品UF6(六氟化铀)加热成气体， 然后通入氨水等中，结果沉淀出ADU (重铀酸铵)等化合物，经过 过滤洗涤后，进行干燥焙烧制成U3O8，再进行氢还原制成UO2粉 末，即可对其进行成形烧结。多数情况下，二氧化铀中所含的氧 超过正常化学比1:2。这个指标用氧铀比(O/U) 表示。烧结前压制 是将加入了粘结剂的二氧化铀粉末，用20t/cm2左右的压力加压， 压制成为圆柱状生坯块。经预烧除去粘合剂以后，在氢气流中加 热到1600-1700℃进行烧结，得到的密度是理论密度的93-97％。 所谓理论密度是指熔化凝固方法所得到的密度。燃料快高度和直 径比为1～1.5。目前较多的是蝶形快，其上下面压制成凹蝶形， 以适应肿胀变形，芯块表面进行机械磨光，以保持与包壳管的间 隙。
金属铀、二氧化铀、碳化铀 的各种物理性质比较
从表中可以看到陶瓷体是立方晶， 因此没有各向异性。镕点高达2000℃以 上。但是二氧化铀的导热系数只有金属 的十几分之一。因此，对于相同的燃料 表面温度，中心温度显著变高。这样， 特意取得的高熔点这个优点在很大程度 上被抵销了。二氧化铀是离子晶体，而 碳化铀是共价键，因此碳化铀的导热系 数与金属相似。但是碳化铀在化学上是 非常活泼的，在大气中能燃烧，与水能 发生激烈的反应。因此，无论是成形加 工还是填进燃料包壳管时都必须在情性 气体中进行。在实际使用中，碳化铀燃 料的缺点是；包壳万一发生破裂，要求 冷却剂不与其发生激烈反应，因此不用 在水堆中。
金属铀的性质：
金属铀具有银白色的光泽，但是在空气中很快就氧化成为黑色，也 会被水和二氧化碳气体等腐蚀，但是氧化膜是致密的。
注：金属铀主要作为生产堆核燃料。
金属铀燃料的问题：
核燃料一经使用会生成核裂变产物。由于其中有氢、氖等气体元素，所以 如果其生成量多并且温度也足够高的时候，这些气体元素的原子就会在固体燃 料中扩散迁移而汇集起来并形成气泡，固体燃料就会像烤面包一样胀起来。这 种现象称为“肿胀”。燃料的燃耗深度越高，使用温度越高，肿胀就越显著， 这在实际应用上是一个问题。裂变产物的生成是不可避免的，防止肿胀的方法 有下述三种： (1) 防止气体原子在固体燃料中扩散； (2) 使产生气泡的点增多，许多小气泡要比少数大气泡危害小；
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“燃料元件一般是由核燃料和包壳组成的” 4.2 燃料芯体材料
作为燃料元件的芯体材料必 须含有裂变材料或增殖材料。如 果就元素的名称上看，燃料芯体 材料的成分就是铀、钚和钍三种。 其中只有钚不是天然的。实际应 用的核燃料芯体材料的形式大致 分为固体的和液体的。固体核燃 料有金属或合金以及化合物陶瓷。 液体核燃料有金属或合金以及熔 盐。
4.2.1. 金属铀燃料及其成形加工
工业上用镁或钙还原氟化物生成金属铀。此外，也有熔盐电解的 方法，但这种方法只限于要求具有特高纯度的情况，主要用来制造研 究用金属铀锭。用氟化物的金属还原法制造出来的金属铀锭，或者用 真空高频感应炉熔化，浇铸到石墨制成的铸型中而当即制成铸造燃料； 或者采用轧制、挤压或其它的塑性加工，作成燃料芯体的坯料。用轧 制方法加工铀棒燃料时，采用带槽轧辊。
第四章 核燃料元件的制造
4.1 核燃料元件概述
燃料元件是核反应堆堆芯的基本构件。 其主要的作用是： 作为核燃料的基本单元； 导出链式裂变反应产生的热量； 阻留强放射性裂变产物，防止其泄漏； 特点： 需承受很高的内、外压力，同时承受 很强的水利振动机械应力，并能耐强中子 通量和强γ射线的辐照，因此，燃料元件需 满足冶金、传热、机械等多方面的性能要 求，并要求精密设计和高精度制造。