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反应堆使用的核燃料概述 及金属材料简介 XX制作 成员:XX YY ZZ 核反应堆内使用的材料处于高温、高压、高中子通量和 射线辐照下,因此对核反应堆内的材料有一些特殊要求。 合理地选择反应堆材料是保证反应堆安全性、可靠性 、经济性的关键。 反应堆内的材料大致可分为 : 1.核燃料 ; 2.结构材料 ; 3.慢化剂材料和冷却剂材料 ; 4.控制材料。 铀-235是三种易裂变核素(235U,239Pu,233U)中惟一天然存 在的一种,它在天然铀中的丰度为0.714. 气体扩散法的原理是基于两种不 同分子量的气体混合物在热运动平 衡时,具有相同的平均动能,但速 度不同。较轻分子的平均速度大, 较重分子的平均速度小。 铀浓缩的工艺 气体扩散法: 气体扩散法示意图 离心机法: 离心机法示意图 在高速旋转的离心机中,由于 很强的离心力场的作用,较重的分 子靠近外周浓缩,较轻的分子靠近 轴线浓缩,从而可以实现轻、重同 位素的分离。 铀浓缩的工艺 激光法: 激光法是利用同位素质量差所引起的激发能差别,根据不同同位素 原子(或由其组成的分子)在吸收光谱上的微小差别(称为同位素位移) ,用线宽极窄即单色性极好的激光,选择性地将某一种原子(或分子) 激发到特定的激发态,再用物理或化学方法使之与未激发的原子(或分 子)相分离。 目前对于铀同位素最具有实用价值的激光法: 原子蒸汽激光分离法(atomic vapor laser isotope separation) 分子激光分离法(molecule laser isotope separation) 铀浓缩的工艺 核燃料在反应堆内长期工作,应满足: 1.热导率高,以承受高的功率密度和高的比功率,而不产生过高 的燃料温度梯度; 2.耐辐照能力强,以达到高的燃耗; 3.燃料的化学稳定性好,与包壳相容性好,对冷却剂具有抗腐蚀 能力; 4.熔点高,且低于熔点时不发生有害的相变; 5.机械性能好,易于加工。 核动力反应堆通常使用的燃料分为三种类型: 金属型、陶瓷型和弥散体型。 金属型核燃料包括金属铀和铀合金两种 。 金属型燃料 亨利贝可勒尔在1896年将照相底片放在铀 附近,从而发现了放射性。 每月铀价格趋势图(以每磅美元计),2007年的铀价 泡沫爆破清晰可见 金属铀有三种不同的结晶构造: 770 ,体心立方晶格的相,铀变得很柔软不坚固。 金属铀的熔点为1130 ,沸点约3600 。 金属型燃料 金属型燃料 摘自书上一些重要的段落: 相铀的物理和力学性能都具有各向异性,在辐照作用 下,金属铀棒会变细、变长; 另一方面, 相铀中裂变气体(氙和氪)的溶解度很 低,随着燃耗的增加,气体会在铀中形成气泡,导致铀棒的 肿胀。 金属型燃料 在铀中添加少量合金元素(钼、铬、铝、锆、铌、硅等 ),能使铀稳定在和相,从而改善某些机械性能; 添加大量合金元素后,可以明显改善铀的抗辐照和抗腐 蚀能力,但增加了有害的中子寄生吸收; 锆对中子的吸收截面小,抗腐蚀能力好,且和铀的溶解 度大,目前应用于动力堆的只有铀锆合金。 金属型燃料 金属型燃料 总结 钚-239可以在反应堆内被制造,是人造易裂变元素,其临界质 量比铀小,在有水的情况下,650克的钚即可发生临界事故。金属态 的钚较脆弱,熔点低(640);从室温到熔点有六种同素异构体, 结构变化复杂;导热系数低,仅为铀的1/6左右;线膨胀系数大,各 向异性十分明显;化学稳定性很差,并极易氧化,易与氢气和二氧 化碳发生反应。这些缺点使金属态的钚不适合作为核燃料,一般都 以氧化物的形式与氧化铀混合使用,即混合氧化物燃料。这种钚与 铀的组合可以实现快中子增殖,因而成为当今着重研究的核燃料之 一。 金属型燃料 钍-232吸收中子后可以转换为可作核燃料之用的铀-233。钍在地 壳中的储量很丰富,所能提供的能量大约相当于如今铀、煤和石油全 部储量的总和。钍的熔点较高,直至1400才发生晶体结构相变,且 相变前后均为各向同性结构,所以辐照稳定性较好,这是它优于铀、 钚之处。金属态的钍在使用中的主要限制为辐照下蠕变强度很低,一 般以氧化物或碳化物的形式使用。在热中子反应堆中,利用铀-钍循环 可得到接近于100%的转换比,从而实现“近似增殖”。但这种循环比较 复杂,后处理也比较困难,因此尚未获得广泛应用。 另外,因为钍缺 乏武器应用,钍的研究难以得到象铀和钚的研究那样的重点关注。 金属型燃料 铀氢锆核燃料(UZrH)是TRIGA反应堆普遍使用的核燃料,其 反应速率是负温度系数的,在堆芯温度超过550时,铀氢锆会释 放氢原子,氢逸出堆芯,被贮存在反应堆内一个特制的贮存盘里。 燃料在失去氢原子时,自身温度会很快降低,反应速率减缓。在温 度降低到一定程度后,燃料又会从贮存盘内吸收氢原子。整个反应 过程由其自身控制,不会剧烈地发生反应。反应堆运行时堆芯温度 保持在一个区间内上下波动,因此能在定程度上避免堆芯熔毁。 金属型燃料 TRIGA反应堆因其使用的铀 氢锆燃料的这种特性,反应堆本 身体积可以比常规核反应堆小很 多,因为它们不需要非常严密的 安全保护措施,是分布式发电以 及教学用的理想堆种。 TRIGA反应堆核心近照,可以看见切连科夫辐射 引起的蓝色辉光 金属型燃料
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