核燃料
发布时间:2008-08-02 00:00
作者:互联网
来源:百科
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nuc
LEAr fuels
包含易裂变核素、在
核反应堆内可以实现自持核裂变链式反应的材料。
核燃料在
反应堆内使用时,应满足以下的要求:①与包壳材料相容,与
冷却剂无强烈的化学作用;②具有较高的
熔点和
热导率;③辐照稳定性好;④制造容易,再处理简单。根据不同的堆型,可以选用不同类型的核
燃料:
金属(包括
合金)燃料,
陶瓷燃料,弥散体燃料和流体(液态)燃料等(见表[核燃料的类型]
)。
金属燃料
铀是目前普遍使用的核燃料。天然铀中只含0.7%的[1-02]
U,其余为
U
[kg2]
天然铀的这个浓度正好能使核反应堆实现自持核裂变链式反应,因而成为最早的核燃料,目前仍在使用。但
核电站(特别是核潜艇)用的反应堆要求结构紧凑和高的
功率密度,一般要用
U含量大于[kg2]
0.7%[kg2]
的
浓缩铀。这可以通过气体扩散法或离心法来获得。金属铀在堆内使用的主要缺点为:有同质异晶转变;熔点低;存在尺寸不稳定性;最常见的是核裂变产物使其体积膨胀(称为肿胀);加
工时形成的
织构使铀棒在辐照时沿轴向伸长(称为辐照生长),虽然不伴随体积变化,但伸长量有时可达原长的4倍。此外,辐照还使金属铀的
蠕变速度增加(50~ 100倍)。这些问题通过铀的
合金化虽有所
改善,但远不如采用UO
陶瓷燃料为佳。
钚(
Pu)是人工易裂变材料,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。钚的熔点很低(640
),一般都以氧化物与UO
混合使用。钚与
U组合可以实现快中子增殖,因而使钚成为着重研究的核燃料。
钍吸收中子后可以转换为易裂变的
U,它在地壳中的储量很丰富,所能提供的能量大约相当于铀、
煤和
石油全部储量的总和。钍的熔点较高,直至1400
才发生相变,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。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
[kg2]
在
热中子反应堆中利用
U-
Th循环可得到接近于1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。
陶瓷燃料 包括铀
钚等的氧化物
碳化物和
氮化物,其中UO
是最常用的陶瓷燃料。UO
的熔点很高(2865
),高温稳定性好。辐照时[kg2]
UO
[kg2]
燃料芯块内可保留大量裂变气体,所以燃耗(指燃耗份额,即消耗的易裂变核素的量占初始装载量的百分比值)达10%也无明显的尺寸变化。它与包壳材料
锆或
不锈钢之间的相容性很好,与水也几乎没有化学反应,因此普遍用于轻水堆中。但是UO
的热导率较低,核燃料的密度低,限制了反应堆参数进一步提高。在这方面,碳化铀(UC)则具有明显的优越性。UC的热导率比UO
高几倍,单位体积内的含铀量也高得多。它的主要缺点是会与水发生反应,一般用于高温气冷堆。
弥散体燃料 这种材料是将核燃料弥散地分布在非裂变材料中。在实际应用中,广泛采用由陶瓷燃料颗粒和金属基体组成的弥散体系。这样可以把陶瓷的高熔点和辐照稳定性与金属的较好的强度、塑性和热导率结合起来。细小的陶瓷燃料颗粒减轻了温差造成的热
应力,连续的金属基体又大大减少了裂变产物的外泄。由裂变碎片所引起的辐照损伤基本上集中在燃料颗粒内,而基体主要是处在中子的作用下,所受损伤相对较轻,从而可达到很深的燃耗。这种燃料在研究堆中获得广泛应用。除陶瓷燃料颗粒外,由铀、
铝的金属间化合物和
铝合金(或
铝粉)所组成的体系,效果也较好。在弥散体燃料中由于基体对中子的吸收和对燃料相的稀释,必须使用浓缩铀。
包覆颗粒燃料也是一种弥散体系。在高温气冷堆中,采用铀、钍的氧化物或碳化物作为核燃料,并把它弥散在
石墨中。由于
石墨基体不够致密,因而要在燃料颗粒外面包上耐高温的、坚固而气密性好的多层外壳,以防止裂变产物的外泄和燃料颗粒的膨胀。外壳是由不同密度的热解碳和
碳化硅(SiC)组成的,其总厚度应大于反冲原子的自由程,一般在100~300微米之间。整个燃料颗粒的直径为[kg2]
1[kg2]
毫米。使用包覆颗粒燃料不仅可达到很深的燃耗,而且大大提高了反应堆的
工作温度,是一种很有前途的核燃料类型。
以上几种类型的核燃料都用于非均匀堆。根据设计要求,可制成带有包壳的、不同形状的燃料元件(见图[中国高通量工程试验反应堆的薄壁套管式燃料元件组核燃料]
)。
流体燃料 在均匀堆中,核燃料悬浮或溶解于水
液态金属或
熔盐中,从而成为流体燃料(液态燃料)。流体燃料从根本上消除了因辐照造成的尺寸不稳定性,也不会因温度梯度而产生热应力,可以达到很深的燃耗。同时,核燃料的制备和后处理也都大大简化,并且还提供了连续加料和处理的可能性。流体燃料与冷却剂或慢化剂直接接触,所以对
放射性安全提出较严的要求,且
腐蚀和质量迁移也往往是一个严重问题。目前这种核燃料尚处于实验
阶段(见
锕系金属)。
备注:数据仅供参考,不作为投资依据。