一文了解核裂變反應(yīng)堆材料
2022-05-06 15:23:50
作者：材易通 來(lái)源：材易通
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以我國(guó)壓水堆核電站為例，本文介紹了核裂變反應(yīng)堆所應(yīng)用的相關(guān)材料。歡迎在文末留言區(qū)補(bǔ)充說(shuō)明。
核反應(yīng)堆材料的要求有以下四點(diǎn)
低中子俘獲截面
高的輻照穩(wěn)定性
良好的耐蝕性
優(yōu)異的材料相容性
裂變核燃料
含有易裂變核素、在反應(yīng)堆內(nèi)能實(shí)現(xiàn)自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的材料。主要有鈾-235（U235）、钚-239（Pu239）和鈾-233（U233）。已經(jīng)大量建造的核反應(yīng)堆使用的是裂變核燃料U235和Pu239，很少使用U233。由于至今還未有建成使用聚變核燃料的反應(yīng)堆，因此通常說(shuō)到核燃料時(shí)指的是裂變核燃料。
包殼材料
包殼材料是反應(yīng)堆安全的第一道屏障，它包容裂變產(chǎn)物，阻止裂變產(chǎn)物外泄，是燃料和冷卻劑之間的隔離屏障，避免燃料與冷卻劑發(fā)生反應(yīng)，其具有最低可能的熱中子吸收截面。按生產(chǎn)和使用的成熟程度排序，可選用的包殼材料僅限于Al、Mg、Zr和Be等。
包殼材料工作是在高溫高壓環(huán)境中，暴露于快中子輻照?qǐng)鱿拢燮陂g需承受不斷增加的應(yīng)力，應(yīng)力一方面來(lái)自外部冷卻劑的壓力及熱應(yīng)力，另一方面來(lái)自內(nèi)部的燃料腫脹、裂變氣體釋放造成的內(nèi)應(yīng)力和芯塊與包殼相互作用產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力等。
1 Al合金
一般含有較多的Cu，少量Fe、Si、Mn、Mg、Cr、Zn、Ti、Ni等元素，有1100、X8001（MX8001）和6061等三種型號(hào)。受到中子輻照時(shí)，易硬化。在冷卻水包圍中，存在點(diǎn)腐蝕和均勻腐蝕；在高熱負(fù)荷條件下易氧化，主要腐蝕生成物為Al?O?·H?O
2 Mg合金
比Al合金有更低的熱中子吸收截面，與鈾有優(yōu)異的相容性。以Magnox合金為例，含有Be、Ca、Al等元素，有三種實(shí)用牌號(hào)：MagnoxAl80、MagnoxZR55和MagnoxMN70。其化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，在一定溫度下抗氧化性強(qiáng)，如MagnoxAl80作為包殼材料至少可安全使用到450攝氏度。在CO?保護(hù)氣氛中，其合金燃點(diǎn)升高，可到800攝氏度左右。該合金如晶粒較粗，存在因空穴較多而發(fā)生包殼泄露。
3 Zr合金
Zr具有熔點(diǎn)高（1852℃）的特點(diǎn)，其合金含有Sn、Fe、Cr、Ni、Nb和O等元素，可提高其對(duì)高溫水的耐蝕性，減少吸氫效過(guò)。其存在Zr、Hf分離生產(chǎn)和Zr合金制備等兩大難點(diǎn)。其堆內(nèi)行為包括：在輻照條件下，可強(qiáng)化其力學(xué)性能，具有各向異性生長(zhǎng)的特點(diǎn)，包殼與芯塊間機(jī)械作用增強(qiáng)，增強(qiáng)蠕變效果，氧化性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致包殼膨脹，可能引起燃燒棒的破損。
Zr合金包殼材料制備過(guò)程：
① 將鋯石轉(zhuǎn)變?yōu)閆rCl?
② Zr、Hf分離，通過(guò)一系列反應(yīng)提純ZrCl?
③ 制取純金屬Zr
④ 配置合金，將多種元素壓制成形，真空熔煉爐中熔煉
⑤ 制造包殼管，熱鍛、水淬，熱擠壓成形，再冷軋
冷卻劑材料
用以安全、經(jīng)濟(jì)的將裂變能以熱量形式輸出反應(yīng)堆加以應(yīng)用；同時(shí)冷卻堆芯、控制各部件的使用溫度。
其選材的要求：
① 冷卻能力強(qiáng)
② 在較低壓力下可獲得高溫
③ 易于靠自然循環(huán)排除余熱
④ 化學(xué)穩(wěn)定性好
⑤ 核性能良好
現(xiàn)有的冷卻劑材料有以下幾種：
1 二氧化碳和氦
二氧化碳用于石墨和改進(jìn)型氣冷堆，制備經(jīng)濟(jì)，可控性強(qiáng)、低溫下化學(xué)活性弱；氦在高溫中化學(xué)活性依然較弱，適用于高溫氣冷堆，制備較復(fù)雜、昂貴。
2 輕水及其蒸汽
相對(duì)重水，輕水制備成本低廉。易產(chǎn)生雜志溶解、材料腐蝕、化學(xué)作用等不良因素。為了抑制水的輻射分解，可加入適量氫（硼酸提供），同時(shí)加入適當(dāng)LiOH進(jìn)行酸堿平衡。對(duì)于輕水，其凈化技術(shù)采用機(jī)械過(guò)濾和離子交換法。
3 液態(tài)金屬鈉
具有熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、比熱容大和導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)。特別是其密度低，能量損耗小，與不銹鋼及其他合金相容性好。需利用鈉凈化裝置控制鈉純度。
慢化劑材料
其主要功能是降低由裂變產(chǎn)生的中子動(dòng)能，以便于裂變材料俘獲而發(fā)生核裂變，并維持其鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
選材要求：
① 原子量要求，一般是原子量越小，中子慢化效過(guò)越好
② 慢化能量參數(shù)
③ 熱中子吸收截面越小，慢化效果越好
綜合以上要求，氫（氘）、鈹、碳（石墨）最佳
1 重水
最好的慢化劑材料，須從天然水中把氫水分離，因氫、氘的物化性能差異較大，可進(jìn)行同位素分離生產(chǎn)重水。
2 石墨
具有優(yōu)越的核性質(zhì)，大量用于生成堆和生產(chǎn)發(fā)電兩用堆。其熱膨脹系數(shù)比金屬小，經(jīng)中子輻照時(shí)彈性模量增加，其比熱容在80~2800℃之間較穩(wěn)定。
3 鈹
其密度高，慢化能力良好，但中子吸收截面較大，慢化比不如石墨高。
4 其他慢化劑
含有氫密度高的金屬氧化物、金屬氫氧化物和有機(jī)物等，實(shí)用的只有ZrH?，其慢化能力良好，但中子吸收截面較小，熱導(dǎo)率高、熱穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性較好，與包殼材料相容性好。
中子吸收控制材料
可吸收堆內(nèi)中子，完成控制反應(yīng)性的功能，從而達(dá)到啟動(dòng)、停堆和功率調(diào)節(jié)等目的。
選材要求：
①需要具有較大或者適當(dāng)?shù)闹凶游战孛娴脑亟M成
②要求中子吸收元素有較簡(jiǎn)單的中子吸收反應(yīng)
③其他條件包括熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度大、抗腐蝕、耐輻照等
1 碳化硼陶瓷
唯一得到廣泛應(yīng)用的硼化物中子吸收材料。其中子俘獲反應(yīng)中可產(chǎn)生氚。具有很好的化學(xué)惰性，不過(guò)不適合中高溫氧化氣氛，與包殼材料的相容性好。但在堆內(nèi)使用時(shí)，存在晶格畸變、熱導(dǎo)率下降、釋放氦氣和輻照腫脹等問(wèn)題。
2 銀-銦-鎘合金
可改善中子吸收性質(zhì)、提高強(qiáng)度、增加耐蝕性。該三元合金具有較高的蠕變強(qiáng)度和良好的加工硬化性能。輻照后強(qiáng)度和延性均能滿足壓水堆控制棒的要求。
3 鉿
其具有很好的核性質(zhì)（其六種同位素都可作為有效的中子吸收材料）、良好的加工性能、強(qiáng)度高、對(duì)高溫水耐蝕性佳，但一般與Zr在礦物中共生，分離和制備較難、費(fèi)用高。
壓力容器和管道材料
指核電廠內(nèi)容納加壓冷卻劑的主回路和二回路系統(tǒng)的所有部件，包括壓力容器、蒸汽發(fā)生器、蒸汽管道和主冷卻管道、閥門、泵、管嘴等。
選材要求：
① 高強(qiáng)度和延性
② 耐高溫腐蝕
③ 抗輻照
④ 還需較高的熱導(dǎo)率、較低的熱膨脹率、耐疲勞、易加工和焊接等
壓力容器鋼
有A508-2和A533B兩種鋼板，都具有良好的強(qiáng)度、延性和低溫沖擊韌性
影響其輻照催化的原因：
a.中子輻照劑量
b.輻照溫度高于260℃時(shí)，脆化效應(yīng)減小
c.冶金學(xué)因素，特別是Cu的影響最大。為了防止輻照脆化，要求硫含量最低、限制Cu、P和V的含量。
鋁合金堆容器
鋁合金堆容器多采用6061-T6或T651鋁-鎂-硅合金。受快中子輻照時(shí)，同樣存在強(qiáng)度升高、塑性下降和脆性增加現(xiàn)象。
管道材料
輕水反應(yīng)堆管道材料多采用304和316型不銹鋼，這種管道一般有幾千米長(zhǎng)，需幾千個(gè)焊縫。存在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）可能，可歸納如下：
a.裂紋擴(kuò)展速率隨循環(huán)頻率提高而增加
b.當(dāng)頻率高于0.03C/s時(shí)發(fā)生穿晶開(kāi)裂，低于時(shí)發(fā)生晶間開(kāi)裂
c.在高氧含量的冷卻劑中有較快的裂紋擴(kuò)展速率
d.通常在未敏化材料中產(chǎn)生穿晶行為
屏蔽材料
用來(lái)屏蔽反應(yīng)堆中因裂變和衰敗而釋放出帶能量的中子和各種粒子、射線的器件。
可分為非金屬和有機(jī)材料、金屬、混凝土三類。
a.非金屬主要以水、石墨為主，慢化中子
b.金屬，特別是重金屬用以屏蔽γ射線，如鉛。硼鋼可有效屏蔽熱中子
c.混凝土具有一下特點(diǎn)：
① 含有可屏蔽中子和γ射線的物質(zhì)
② 作為結(jié)構(gòu)件，強(qiáng)度和耐用性高
③ 成形、加工容易
④ 價(jià)格較低
蒸汽發(fā)生器傳熱管材料
需要耐極高的載荷和惡劣的環(huán)境，目前水冷堆和高溫氣冷堆多采用鎳合金，先進(jìn)型氣冷堆和快中子堆采用鉻-鉬鋼。
① 鎳合金會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）可能，可采取針對(duì)性的熱處理措施，或降低碳含量
② 鉻-鉬鋼具有較好的抗高溫氧化和耐高溫腐蝕性，需考慮水側(cè)和鈉側(cè)的腐蝕行為
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標(biāo)簽： 核電站, 裂變反應(yīng), 反應(yīng)堆材料
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