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1、核电材料,辐照、高温、高压、腐蚀性水介质,电站60年长寿命周期内核设备的完整性、可靠性,目 录,1、核燃料 2、包壳材料 3、控制材料 4、慢化剂 5、冷却剂 6、反应堆结构材料（核电用钢） 7、核废料,1、核燃料,已经大量建造的核反应堆使用的是裂变核燃料235U和239Pu，很少使用233U。至今由于还未有建成使用聚变核燃料的反应堆，因此通常说到核燃料时指的是裂变核燃料。,1、核燃料,(1)热导率高 A、如果导热不好，热量堆积，燃料棒热胀冷缩 B、需要将热量传导致冷却介质，对外做功。 (2)抗辐照能力强 (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
2、害的相变； (5)机械性能好，易于加工。,核燃料要求,铀矿石有辐射？ 铀矿石确实有辐射，但没想的可怕。 Why? 含量太少，裂变产生的中子很难击中下一个铀原子。,1、核燃料,精炼铀比沙里淘金难多了 在天然铀中，可以用作核燃料铀235的含量只有0.72%，铀238的含量大于99.2%。天然铀中几乎全是铀238，要想把铀235的浓度提高，非常困难。因它们属于同一种元素，化学性质几乎一样，质量相差也不大，只相差3个中子。,4%,0.7%,1、核燃料,优点： 裂变原子密度高 导热性能好 加工性能好,金属铀,缺点：从室温到熔点有三个同素异构体，分别为、相。容易发生相变，导致体积的改变。使燃料棒变形。,相
3、(668 相(体积增大1.15%) 774 相(相体积增加0.71%),金属铀,缺点： 金属铀辐照稳定性差，辐照引起的尺寸变化，几何变形严重，它的堆内寿命短。,铀合金与金属铀相比，其优点是能改善辐照稳定性、增加抗高温水腐蚀性能。缺点是合金元素会使中子有害吸收增加，需采用富集铀。用于动力堆的只有铀-锆合金。,金属铀,陶瓷材料,二氧化铀优点： 抗辐照能力强（键合力大） 对裂变气体包容量大（陶瓷材料本身有空隙） 熔点高，高温稳定性好 具有极好的抗高温水及钠的腐蚀能力,陶瓷材料,主要缺点是导热性能差，燃料元件内径向温度梯度大，所产生的热应力会使圆柱状的燃料芯块产生辐射状裂缝同时晶粒的结构也发生改变。,
4、2、包壳材料,2、包壳材料,Zr 200元/公斤,不锈钢 16元/公斤,2、包壳材料,2、包壳材料,各元素的中子吸收面积,熔点为2125K,2、包壳材料,减少阴离子空位 减少O的扩散,2、包壳材料,2、包壳材料,3、控制材料,控制材料的特点是中子吸收截面大，如硼B、铪Hf、镉Cd等,4、慢化剂,对固体慢化剂要求： (1)中子吸收截面小，质量数 低，散射截面大； (2)热稳定性及辐射稳定性好； (3)传热性能好； (4)密度高； (5)价廉易得。,对液体慢化剂的要求： （1）熔点在室温以下， 高温下蒸汽压要低 （2）良好的传热性能 （3）良好的热稳定性和 辐照稳定性 （4）原子密度高 （5）不腐
5、蚀结构材料,4、慢化剂,1）石墨,辐照对石墨的影响： 热导率下降 尺寸变化,2）铍 铍是较好的慢化剂和反射层材料。 优点：慢化能力比石墨大、高温强度好、熔点、热导率、比热都比较高，所以适用于高温反应堆，较强的抗腐蚀能力，尤其在二氧化碳中稳定性良好。 缺点：较脆、难于加工、辐照性能差，且铍有毒、价格贵。,4、慢化剂,3）普通水 优点：慢化能力优越、价格低、热中子徙动长度小、可同时作为慢化剂和冷却剂。 缺点：热中子吸收截面相当高，相应堆型只能够使用浓缩铀作为燃料、沸点低，用于反应堆时需加高压。,4）重水 优点：慢化能力好、慢化比高。 缺点：沸点101.42，因此在高温的反应堆仍然需要加高压。重水需
6、要浓集（电解法、蒸馏法、化学交换法）。,5、冷却剂,中子吸收和感生放射性小 高的沸点和低的熔点 高的比热 热导率大 和系统其他材料相容性好 价格便宜,冷却剂材料要求,5、冷却剂,6、反应堆结构材料,以100万千瓦压水堆为例，用到钢的地方有： 修建厂房的普通钢：5万吨,以100万千瓦压水堆为例，用到钢的地方有： 压力容器及安全壳：3700吨,6、反应堆结构材料,以100万千瓦压水堆为例，用到钢的地方有： 各种管路：1000吨,6、反应堆结构材料,以100万千瓦压水堆为例，用到钢的地方有： 堆芯：100吨,6、反应堆结构材料,冷凝器、涡轮机都是工作在高温高压环境中 压力容器、蒸汽发生器除了高温，还
7、受到中子辐射,6、反应堆结构材料,6、反应堆结构材料,结构材料在反应堆内受中子辐照后产生的主要效应有： （1）电离效应 （2）嬗变效应 受撞原子核吸收一个中子变成另外原子的核反应。 （3）离位效应 中子与原子核碰撞时，若中子传递给原子的能量足够大，原子将脱离点阵节点留下一个空位。 （4）离位峰中的相变 有序合金在辐照时转变为无序相或非晶态相。,A、诱发辐射,腐蚀产物（具有诱发放射性），一般是悬浮在一回路的冷却剂中，在流动过程中会沉积在滞流水区，使得一回路带有放射性，给设备检修带来不便。四十年的设计寿命内，100万千瓦的压水堆，腐蚀量高达2吨。为了减少诱发放射性，需要减少钴的含量。,A、诱发辐射
8、,B、高温高载荷下的腐蚀,在不同外部条件下，电极电位偏离理论值的程度不同，形成原电池,B、高温高载荷下的腐蚀,防止电化学腐蚀的措施： 获得均匀的单相组织。 提高合金的电极电位。 使表面形成致密的钝化膜。,B、高温高载荷下的腐蚀,Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜. Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。 提高基体电极电位,Cr对Fe-Cr电极电位的影响,不锈钢为什么要生锈（腐蚀）？,缝隙腐蚀,O,2,OH,-,O,2,OH,-,M,n+,M,M,n+,M,O,2,OH,-,O,2,OH,-,M,n+,M,M,n+,M,M,n+,M,M,n+,M,H,+,Cl,-,
9、缝隙中的溶液,：液体流动较,慢，各种离子富集，构成浓,差电池。,贫化理论的沿晶界腐蚀模型,贫化理论的沿晶界腐蚀模型,n,晶界区域与晶粒内部之间,有较大的电化学性能差异,引起的。例如：,q,304,不锈钢在晶界上析出的,Cr,23,C,6,碳化物后，使晶界附,近形成贫铬区，当,Cr,的含量,降至,12,以下时，因电位急,剧下降，而使贫铬区活化变,为阳极溶解区，此时晶内仍,处于含,18,高铬的正电位稳,定态而起阴极作用。,晶间腐蚀,应力腐蚀,应力腐蚀,定义： 受一定拉伸应力作用的金属材料在某些特定的介,质中，由于腐蚀介质和应力的协同作用而发生的 脆性断裂现象。,应力腐蚀,SCC需要同时具备三个条件
10、:,(1) 敏感的金属材料 (2) 特定的腐蚀介质,(3) 足够大的拉伸应力,特定的材料：不存在应力时，单纯的腐蚀作用？No,不存在腐蚀时，单纯的应力作用？No,应力腐蚀,在应力作用下，位错沿 着滑移面运动至金属表 面,表面产生滑移台阶,表面膜产生局部破裂并 暴露活泼的新鲜金属；,机制-钝化膜破裂-局部腐蚀-裂纹,应力腐蚀,应力腐蚀,应力腐蚀,6、核废料,6、核废料,6、核废料,国际上有两种办法： 永久禁锢在地下， “招安”部分可用之才。 “美国耗资1000亿美元在尤卡山挖了一个几百米深的地下储藏基地，但是到2015年，储量已经达到75%,6、核废料,贫铀炸弹 将核废料制作成合金，它具有高密度(钢密度的2.4倍) ，高强度及高硬度，穿甲性能优良。 易爆性，除了弹头外，还会添加到炸药中。燃烧生成的铀氧化物烟雾可传至40公里以外，吸入人体后会重金属中毒。,
