核裂变简介

2023-03-11 07:05:42 第一文档网 [ 字体：小中大 ] [

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核裂变,简介

一、核材料的分类

1、核裂变反应堆材料：根据核反应堆部件的功能，制造核部件的材料可以分为：核燃料、包壳材料、控制棒材料（中子

吸收体）、慢化剂和反射层材料、冷却剂材料、堆内构件材料、堆容器材料、回路管道材料、屏蔽材料、安全材料。其中，核燃料又分为金属型燃料（铀和铀合金、铀-钚-锆合金）、氧化物燃料（二氧化铀、铀钚混合氧化物）、弥散型燃料（铀铝合金弥散燃料、高铀密度铝基弥散型燃料、包覆颗粒燃料）、高性能陶瓷燃料(碳化物燃料、氮化物燃料)。

2、核聚变反应堆材料:热核材料（氘、氚、3He）；第一壁材料（奥氏体不锈钢、铁素体和马氏体不锈钢、钒合金、SiC/SiC复合材料）；高热流部件材料（铜合金、钼合金、铌合金）；面向等离子体材料（碳纤维复合材料、铍、钨和钨合金）；氚增殖材料（液态增殖材料、陶瓷增殖材料）。

3、空间核电源材料：温差发电材料（温差电偶材料、结构和连接材料、热辐射器材料、放射性同位素热源材料）；热离子反应堆电源材料（反应堆材料【核燃料、慢化剂材料、冷却剂材料、屏蔽材料】、发射极材料【钼及其合金化单晶、钨及其合金化单晶等】、绝缘陶瓷材料、热管材料）；碱金属热电转换器材料（快离子导电陶瓷材料、电极材料）。

二、核燃料

定义：在核能领域，铀235、钚239、铀233、氘、氚、锂6等蕴藏着巨大原子能的核素和含有这些核素的材料统称为核燃

料。

分类:

一、聚变核燃料

2H、3H、6Li通过核聚变反应释放能量，被称为核聚变燃料。

优点:大多数聚变反应释放出的能量是相同质量裂变燃料的几倍（1~6倍）。聚变燃料资源极为丰富，且制备工艺较为简单，生产成本低廉。除了氚具有放射性外，氘和锂都是稳定核素，无放射性。聚变燃料燃烧后也不产生任何放射性废物，对环境无任何不良影响。聚变燃料循环为D-T-Li循环，也比裂变燃料循环简单。

缺点：聚变反应需在上千万摄氏度的高温下才能进行，所以要实现在反应堆中进行可控的聚变反应，极为困难。二、裂变核燃料

裂变反应堆燃料元件用的燃料芯体材料，有金属型燃料、弥散型燃料和陶瓷型燃料。

1、金属型燃料是含有易裂变核素的金属和合金，主要是铀金属和铀合金，还有钚金属及其合金。金属燃料的主要优点是：密度高，导热性好，易于加工，乏燃料后处理方便。

金属铀在辐照下会发生两种辐照效应:辐照生长、辐照肿胀。对铀金属进行合理的热处理和适当的形变热处理，能够细化晶粒，消除织构，在较大程度上抑制辐照效应。为提高铀的辐照稳定性，通常采用铀合金。再向铀中加入少量合金元素，可以细化晶粒，消除组织。加入足够量的能部分或全部稳定γ相的合金元素，可消除α相各向异性引起的不稳定性。用作核燃料的铀合金，主要有铀铝合金、铀硅合金、铀锆合金。

2、燃料元件用弥散型燃料芯体，是将含有易裂变核素的化合物加工成颗粒或粉末，均匀地散布在非裂变材料中形成的。含有易裂变核素的燃料颗粒称为燃料相，把非裂变材料称为基体相。

燃料相应具特征：①铀235含量高②有足够的强度③在加工和运行温度下，与基体的相容性好④非裂变中子吸收截面低⑤抗辐照能力强。如:铀与铝、铍的金属间化合物，铀的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等。

基体相应具特征：①在运行温度范围内，有足够的蠕变强度和韧性②中子吸收截面低，抗辐照能力强③热导率高④热膨胀系数低，并与燃料相的热膨胀系数相当⑤与包壳和冷却剂材料的相容性好⑥在加工和使用温度下，不产生析出相。如：Al、Mg、Bi、Zr、Nb、石墨以及不锈钢等。

弥散燃料的主要优点是：辐照稳定性好，导热性能好，抗腐蚀，能承受应力，使用寿命长，燃耗深度可达80%~90%的原子燃耗。

3、制备陶瓷燃料的有两类:①铀或钚与非金属元素O、C、N形成的单一化合物（UO2、UC、NU、PuO2等）②铀与钚或铀与钍和O、C、N化合物形成的互溶体混合物（（U-Pu）O2（MOx燃料）、（U-Th）O2、（U-Pu）C、（U-Pu）N等）。陶瓷燃料的制备是先将这些单一化合物或混合物的粉末压制成具有一定形状和尺寸的芯块坯，再在高温下烧结成燃料元件用陶瓷芯块。

氧化物陶瓷燃料：

优点：①熔点高，高温热循环稳定性好②中子经济性好③燃耗深④可在很高的温度下运行⑤辐照稳定性好⑥与包壳和冷却剂相容性好。

缺点：热导率低，芯体内温度梯度陡峭。在陡峭温度梯度影响下，会发生重结构、破裂、密实、肿胀及裂变气体释放等不利现象。

碳化物陶瓷燃料：

优点：热导率高，在堆内使用时温度梯度平坦，可获得较高的功率密度，中子经济性好。缺点：燃耗不够高，高温下的辐照数据缺乏，实际应用上不多。氮化物陶瓷燃料：

优点：UN与UC物理性质相近，辐照稳定相近，与包壳相容性好，有较大的高温强度，可抑制肿胀。缺点：N14对快中子的俘获截面较大。该燃料尚未在实际中应用。

三、屏蔽材料（核材料导论P404）

辐射屏蔽的基本原理是使辐射与屏蔽材料之间发生相互作用（散射和吸收），从而减少辐射粒子数和降低辐射的能量。一般把屏蔽材料分成非金属和有机材料（屏蔽中子）、金属（屏蔽伽马射线）、混凝土（屏蔽γ和中子）。 1、屏蔽γ射线

γ射线在通过屏蔽材料时发生三种相互作用，即光电吸收、康普顿散射、产生电子对，从而把能量传递给屏蔽材料而被吸收或能量减弱。

2、屏蔽中子

中子屏蔽主要靠弹性散射，即先把裂变产生的快中子慢化到热能，然后用热中子吸收截面大的材料加以吸收。

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