4）反应堆回路材料
要求： 抗应力腐蚀、晶间腐蚀和均匀腐蚀的能力强； 基体组织稳定、夹杂物少，具有足够的强度、 塑性和热强性； 铸造和焊接性能好，生产工艺成熟； 成本低，有类似工况的使用经验；
应用
沸水堆多采用AISI304不锈钢， 压水堆早期曾采用304或316无缝钢管。现在多采用含有少量δ铁素体的 AISI 316离心铸造管。 快堆一回路管道多用316不锈钢，二回路管道采用304或316不锈钢。 CANDU重水堆的回路管道也是采用奥氏体不锈钢。
7）安全壳材料
安全壳的体积很大，直径约为40m，高60m左右。内 层的钢密封衬是在现场组装和焊接的，焊前无法预热、焊 后难以进行热处理。所以要求材料焊接性好、杂质少、强 度高、塑韧性大。 安全壳材料多采用碳锰钢，如A516，16Mn和15MnNi 63钢 等。当壳体厚度超过38mm时，为了提高淬透性，改善强度 和韧性以及焊接性能，需采用低合金高强度钢A537或A387。
钠
气 体
5.结构材料
包括：燃料包壳材料、堆内构件材料、反应堆压力容器材料、 反应堆回路材料、蒸汽发生器材料、屏蔽材料和安全 壳材料。
几种结构材料
• • • • • •
a. 铝、镁及其合金 b. 锆合金 c. 不锈钢 d. 镍基合金 e. 碳钢 f. 混凝土
1）包壳材料 要求： 热中子吸收截面小、感生放射性小、半衰期短； 强度高、塑韧性好，抗腐蚀性强、对晶间腐蚀、应力腐蚀 和吸氢不敏感； 热强性、热稳定性和抗辐照性能好； 导热率高、热膨胀系数小，与燃料和冷却剂相容性好； 易加工、便于焊接和成本低廉。 适宜作包壳用的材料主要有：铝及铝合金、镁合金、锆合金和 奥氏体不锈钢以及高密度热解碳等。
3）堆内压力容器材料
要求： 强度高、塑韧性好、抗辐照、耐腐蚀，与冷却剂 相容性好； 纯净度高、偏析和夹杂物少、晶粒细、组织稳定； 容易冷热加工，包括焊接性能好和淬透性大； 成本低，高温高压下使用经验丰富等。 应用 轻水动力堆压力容器早期曾采用A212B锅炉钢，但为 了提高强度、增大淬透性和改善焊接性能以及随着堆功率 增大等原因，它又经历了A 212B(板材)—A302 B(板材)—A 533B(板材)—A5082 (锻材)—A5083 (锻材)的发展过程。目 前国内外广泛采用A5083钢。
碳化铀的优点：高温下化学稳定性好；热导率比二氧 化铀大许多倍，因此在相当高的比功率下也不致造成 中心熔化；它的理论密度较高(13．63g／cm3)。因而 每单位体积中含铀量比二氧化铀多。缺点是容易和水 及蒸汽发生反应；包容裂变气体的能力不如二氧化铀， 因此在高温下肿胀率大。 氮化铀燃料的优点：抗辐照、抗高温蠕变能力强； 热导率高，和碳化铀相当；含铀密度比二氧化铀、碳 化铀都高；在空气中不发生明显的腐蚀；用作快堆构 料时增殖比大于二氧化铀燃料。 尤其是成分为(U0.8Pu0.2)N混合氮化物，与包壳的 相容性好，肿胀较低。但高温下容易分解，所以，中 心温度必须小于1250℃。此外，氮对中子的有害吸 收较氧和碳大，使燃料循环成本增加。
4. 冷却剂材料
冷却剂材料要求
中子吸收和感生放射性小； 高的沸点和低的熔点； 高的比热，唧送功率低； 热导率大； 有良好的热和辐照稳定性； 和系统其他材料相容性好； 价格便宜。
常用冷却剂
水
重 水
水作为冷却剂和慢化剂 沸点低、存在沸腾临界、在 主要应用于轻水堆 高温下有腐蚀作用
2）堆内结构材料
功能：
支撑燃料组件以及它们的精确定位； 为控制棒及堆芯测量装置和辐照监督提供支撑和导向； 合理分配冷却剂流量和减少压力容器内表面的中子注量等。 要求： (1)强度高、塑韧性大、高温性能好； (2)中子吸收截面和中子俘获截面以及感生放射性； (3)抗辐照、耐腐蚀并与冷却剂相容性好； (4)热膨胀系数小，导热性能好； (5)易加工、成本低。 PWR的堆内构件用材主要是奥氏体不锈钢，部分材料采 用镍基合金。
重水慢化堆采用重水作 价格昂贵 冷却剂的好处是可以减 少核燃料的装载量或降 低核燃料的浓缩度 钠作为冷却剂主要应用 钠水剧烈反应、温度梯度质 于快中子堆。 量迁移、金属的扩散结合、 存在由反应性正空泡效应引 起的控制和安全问题。 气体作为冷却剂主要应 因运行压力和流量大而消耗 用于气冷堆 功率大、价格昂贵、泄漏应堆内能使核裂变反应自持的易裂变物质。可 作为核燃料的易裂变物质是铀-233、铀-235和钚-239。其中铀235是天然存在的，而铀-233和钚-239分别由钍-232和铀-238用 人工方法转换而得。
核燃料要求
(1)热导率高； (2)抗辐照能力强，以达到高的燃耗； (3)燃料的化学稳定性好。燃料对冷却剂具有抗腐蚀能力； (4)熔点高，且在低熔点时不发生有害的相变； (5)机械性能好，易于加工。
热中子
吸收
激发的复核
反冲核
由于(n,p) (n, α)反 应产生杂质原子 位移原子 （间隙原子和空穴）
γ射线 电离和电子激发
(n,p)
快中子
(n, α)
反冲核
射程结束
位移峰
（3）裂变碎片
裂变碎片带有大部分裂变所释放的能量，因此它 也使原子发生位移。且由于它的射程短，所以原子位 移只发生在发生裂变附近极小的区域出现，所形成的 位移峰效应和快中子相似。
此外，对固体慢化剂还要求结构强度高，抗腐蚀 性能好，易于加工。对液体慢化剂要求不腐蚀结构材 料，熔点在室温以下，高温时具有低的蒸汽压。
分类：
固体：石墨、铍及氧化铍等 慢化剂 普通水 液体重水
1）石墨 石墨分为天然石墨和人造石墨两种。 天然石墨: 天然石墨是一种非金属矿物。 按其结晶的形状分 两种：形状呈颗粒状的叫致密土状石墨; 形状呈鱼鳞片的叫鳞片 状石墨。我国的石墨资源以鳞片状石墨矿为主。 人造石墨: 人造石墨是以无烟煤、 焦碳、 沥青等原料， 经过 煅烧、 粉碎、 筛分、 成型、 石墨化等工艺过程而制成的产品。 反应堆用石墨的要求： 纯度高； 密度高； 石墨化程度高。
5）蒸汽发生器材料
传热管材料要求： 热强性、热稳定性和焊接性能好； 基体组织稳定，导热率高、热膨胀系数小； 抗均匀腐蚀和抗局部腐蚀能力强； 具有足够的塑性和韧性。以便适应弯管、胀管的 加工和抗振动。
应用
压水堆蒸汽发生器的传热管早期曾采用过18-8型不锈 钢并满意地使用了三年多。但因奥氏体不锈钢对应力腐蚀 敏感，后被耐热、耐蚀合金因科镍—600(Inconel-600)所 代替。
• 3）弥散型燃料：
• 弥散型燃料是由二氧化铀或碳化铀等陶瓷燃料颗粒， 依所需的物理性质弥散在金属、非金属或陶瓷基体上所组 成。其优点是能比合金燃料承受更高的燃耗。弥散型燃料 的基体应具有较小的中子吸收截面。 • 在制作过程中应使燃料颗粒足够分散，这样，裂变碎 片造成的辐照损伤区不会发生重叠，从而使燃料元件能在 较高的燃耗下个发生明显的肿胀。 • 弥散型燃料的各种性质与基体材料类似，通常具有较 高的强度，导热性好，耐冷却剂腐蚀。但由于弥散型燃料 中基体材料所占的百分比大，燃料颗粒弥散后会受到稀释， 故必须采用富集铀。
（1）带电粒子和γ射线
β粒子、 γ射线通过物质时会引起电离或电子激发，即它 们仅扰动物质中原子和电子。由于β射线的射程短，因此电离 主要是由于γ射线的影响。电离作用使化合物的化学键破坏而 分解成单体。由于α粒子在物质中射程较短，在热中子反应堆 中，它们并不重要，暂不讨论。
（2）中子
在反应堆中，中子是引起材料辐照损伤的重要原因， 中子进入物质后与原子发生碰撞，并把大量能量传递给原 子，被碰撞的原子离开原来晶体点阵中的平衡位置，成为 间隙原子，并留下一个相应的空穴。这样或多或少都会在 晶体中造成永久的缺陷，从而引起材料物理化学性质的永 久性质的变化。
Harbin Engineering University
核科学与技术学院
《核反应堆工程设计》
主要内容
1. 材料的辐照效应 2. 核燃料 3. 慢化剂材料 4. 冷却剂材料 5. 结构材料 6. 控制材料
前言
反应堆材料在核电站中的作用和地位是十分重要的：
1.反应堆安全的重点是防止堆内放射性物质外逸； 2.核电厂的可靠性和经济性也与材料密切相关； 3.反应堆材料对各种堆型的设计、建造和寿命也有密切的关 系； 4.反应堆材料对反应堆的建设质量和水平以及系列化、商品 化和改进与发展都起着重要的先导作用。 核动力设备的材料必须按照其使用条件合理选用，必须符合 国家制定的相应规范和标准
常用的控制材料是铪、镉、银-铟-镉、硼及钆、钐等稀土 元素。
镉 • 镉具有很高的热中子吸收截面，而且价格也够便宜，但由于熔 点低，在中子能量低于0.18eV时吸收截面很快下降，因此只能 用于低温的研究性反应堆中。 银 -铟 -镉 • 把热中子吸收截面打的铟、银制成合金，具有很强的中子吸收 能力。绝大多数反应堆都用这种合金做吸收体。它易于加工， 有足够的强度，但在含硼压水堆中抗腐蚀性不够理想。 硼 • 热中子反应堆中控制棒和可燃毒物多用含硼材料。天然硼有两 种同位素——硼-10和硼-11，吸收中子主要依靠硼-10。所以把 材料中的硼-10富集可提高控制效率。 • 其缺点是吸收中子后产生氦气，产生的氦气会使材料体积膨胀， 尤其在高燃耗时辐照损伤更为严重。 • 硼的应用：将碳化硼做成芯块后装入不锈钢管在组合十字形控 棒或装配成棒束型控制棒；在压水堆中用作化学补偿控制;补偿 反应堆剩余反应性。
反应堆材料的性能应满足下列要求:

核性能 力学性能 化学性能 物理性能 辐照性能 工艺性能 经济性
1. 材料的辐照效应
辐照产生的晶体缺陷是引起材料性能变化的根源，由 于性能的变化直接关系到反应堆的安全和寿命，因而工程 上最关心的就是辐照效应。 来源：α 、β 粒子,γ 射线,中子和裂变碎片
6. 控制材料
控制材料是实现反应堆的可调功能的材料，其特点 是中子吸收截面大，对反应推的正反应性有抑制、释放和 调节的作用。 控制材料要求 能有效地吸收中子外，能抗腐蚀； 在运行的温度和辐照条件下具有化学和尺寸稳定性； 有足够的机械强度； 有良好的热传导性以把吸收中子反应所产生的热量导 出； 价廉易得，容易加工。