第二章--核反应堆材料

核聚变反应堆的材料科学研究在当今能源需求不断增长、传统能源面临诸多限制的背景下，核聚变作为一种几乎取之不尽、用之不竭的清洁能源，成为了科学界和工程界的研究热点。

然而，要实现可控核聚变并将其转化为实用的能源，面临着众多巨大的挑战，其中材料科学的研究是至关重要的一环。

核聚变反应发生在极高的温度和压力条件下，对反应堆内所使用的材料提出了极其苛刻的要求。

首先，材料需要能够承受高温环境，通常在数千万度甚至更高的温度下保持稳定的物理和化学性质。

在这样的高温下，大多数常规材料都会迅速熔化、气化甚至发生分解。

其次，材料还需要承受强大的中子辐照。

在核聚变反应中，会产生大量高能中子，这些中子会与材料中的原子发生碰撞，导致原子移位、产生缺陷，并引起材料的结构和性能发生变化。

长期的中子辐照可能会使材料变脆、失去强度，甚至出现放射性。

另外，核聚变反应堆内的材料还需要具备良好的导热性能。

快速将反应产生的热量导出，对于维持反应堆的稳定运行和防止局部过热至关重要。

同时，材料也需要具备良好的抗腐蚀性能，以应对复杂的化学环境。

在众多材料中，钨及其合金由于其高熔点、高强度和良好的抗中子辐照性能，成为了核聚变反应堆中面向等离子体部件的候选材料之一。

然而，钨在高温下容易脆化，并且其加工难度较大，这给实际应用带来了一定的困难。

科学家们正在通过改进制备工艺、添加合金元素等方法来改善钨材料的性能。

另一种备受关注的材料是碳化硅复合材料。

碳化硅具有良好的高温稳定性、导热性和抗辐照性能，同时其密度相对较低，有利于减轻反应堆的重量。

但碳化硅在高温下与氢气等气体的反应以及其复杂的制备工艺仍然是需要解决的问题。

除了上述材料，一些新型的高温超导材料也在研究之中。

这些超导材料在低温下能够实现零电阻，有助于提高磁场强度，从而更好地约束等离子体。

但超导材料的低温工作条件和复杂的冷却系统也带来了一系列技术挑战。

为了开发出适合核聚变反应堆的理想材料，科学家们采用了多种研究方法。

《核反应堆热工分析》复习资料大全1. 核反应堆分类：按中子能谱分快中子堆、热中子堆按冷却剂分轻水堆(压水堆,沸水堆)、重水堆、气冷堆、钠冷堆按用途分研究试验堆:研究中子特性、生产堆: 生产易裂变材料、动力堆:发电舰船推进动力2.各种反应堆的差不多特点:3.压水堆优缺点：4.沸水堆与压水堆相比有两个优点：第一是省掉了一个回路，因而不再需要昂贵的蒸汽发生器。

第二是工作压力能够降低。

为了获得与压水堆同样的蒸汽温度，沸水堆只需加压到约72个大气压，比压水堆低了一倍。

5.沸水堆的优缺点：6.重水堆优缺点：优点：●中子利用率高〔要紧由于D吸取中子截面远低于H〕●废料中含235U极低，废料易处理●可将238U 转换成易裂变材料238U + n →239Pu239Pu + n →A+B+n+Q(占能量一半)缺点：●重水初装量大，价格昂贵●燃耗线〔8000～10000兆瓦日／T〔铀〕为压水堆1/3〕●为减少一回路泄漏〔因补D2O昂贵〕对一回路设备要求高7.高温气冷堆的优缺点：优点：●高温，高效率〔750～850℃，热效率40％〕●高转换比，高热耗值〔由于堆芯中没有金属结构材料只有核燃料和石墨，而石墨吸取中子截面小。

转换比0.85，燃耗10万兆瓦日/T〔铀〕〕●安全性高〔反应堆负温度系数大，堆芯热容量大，温度上升缓慢，采取安全措施裕量大〕●环境污染小〔采纳氦气作冷却剂，一回路放射性剂量较低，由于热孝率高排出废热少〕●有综合利用的宽敞前景〔假如进一步提高氦气温度～900℃时可直截了当推动气轮机；～1000℃时可直截了当推动气轮机热热效率大于50％；～1000－1200℃时可直截了当用于炼铁、化工及煤的气化〕●高温氦气技术可为今后进展气冷堆和聚变堆制造条件8.钠冷快堆的优缺点：优点：●充分利用铀资源239Pu + n →A+B＋2.6个n238U + 1.6个n →1.6个239Pu 〔消耗一个中子使1.6个238U 转换成239Pu 〕●堆芯无慢化材料、结构材料，冷却剂用量少●液态金属钠沸点为895℃堆出口温度可高于560 ℃缺点：●快中子裂变截面小，需用高浓铀〔达～33％〕●对冷却剂要求苛刻，既要传热好又不能慢化中子，Na是首选材料，Na是爽朗金属，遇水会发生剧烈化学反应，因此需要加隔水回路9.各种堆型的特点、典型运行参数第二章堆芯材料选择和热物性〔简答〕1.固体核燃料的5点性能要求：教材14页2.常见的核燃料：金属铀和铀合金、陶瓷燃料、弥散体燃料3.选择包壳材料，必须综合考虑的7个因素：包壳材料的选择•中子吸取截面要小•热导率要大•材料相容性要好•抗腐蚀性能 •材料的加工性能 •材料的机械性能 •材料的抗辐照性能只有专门少的材料适合制作燃料包壳，铝、镁、锆、不锈钢、镍基合金、石墨。

第二章核反应堆工程基础引言（P21）1.1942年12月1日由美国科学家费米领导在芝加哥大学运动场看台下面建立了石墨反应堆，首次实现了原子核链式反应，开创人类利用核能新纪元。

2.核电、水电、火电一起构成世界电力能源的三大支柱。

核能是公认的经济、清洁、技术先进、具有广阔发展前景的能源。

3. 核反应堆是一种综合的技术装置，用来实现重元素的可控自持链式裂变反应。

4.核反应堆由堆芯、冷却剂系统、慢化剂系统、控制与保护系统、屏蔽系统、辐射监测系统等组成。

5.核反应堆堆芯是核燃料存放的区域，核裂变链式反应就在其中进行。

6.链式裂变反应释放出来的能量，绝大部分首先在燃料元件内转化为热能，然后通过热传导、对流换热和热辐射等方式传递给燃料元件周围的冷却剂，再由冷却剂带载到堆芯外，通过热力系统转化为所需的动力。

第一节 核裂变及核能的利用（P21-25）1. 核裂变的发现：（1）哈恩和斯特拉斯曼于1939年1月正式确认，中子束辐照铀靶的产物中，观察到了56Ba 和57La 的放射性同位素。

（2）迈特纳（Meitner L ）和福里施（Frisch O ）对上述实验事实进行了解释，指出铀核的稳定性很差，在俘获中子之后本身分裂为质量差别不很大的两个核，裂变（Fission ）一词就是由他们提出来的。

（3）裂变现象的发现，立刻引起人们极大的注意。

这不仅是因为在裂变过程中释放出巨大的能量，而且在裂变过程中都伴随着中子的发射。

这些中子将使裂变自动地继续下去，形成链式反应，从而使原子能的大规模利用成为可能。

（4）发现裂变到链式反应堆的建立，仅仅花了4年的时间，1942年12月第一个铀堆在美国投入运行。

2. 三分裂的概率很小，约为千分之三。

一、自发裂变与诱发裂变（P22-23）1.在没有外来粒子轰击下，原子核自行发生裂变的现象叫自发裂变；在外来粒子轰击下，原子核才发生裂变的现象称为诱发裂变。

2.1自发裂变（P22）1.自发裂变的一般表达式：2.在自发裂变的母核与裂变产物间满足如下的关系：A=A 1+A 2；Z=Z 1+Z 2，即粒子数守恒和电荷数守恒。

1、堆芯材料和热物性1.1、核燃料1.2、包壳材料1.3、冷却剂1.4、慢化剂1.1、核燃料z核燃料：裂变燃料：铀－235（自然界存在的唯一一种核燃料）铀－233钚－239转换燃料：钍－232铀－238z核燃料的形态：固态：实际应用的核燃料液态：未达到工业应用的程度1.1、核燃料z对固体核燃料的要求：ν燃料中易裂变原子密度高；ν具有良好的辐照稳定性，保证燃料元件在经受深度燃耗后，尺寸和形状的变化能保持在允许的范围之内ν具有良好的热物性（熔点高，热导率大，热膨胀系数小），使反应堆能达到高的功率密度ν在高温下与包壳材料的相容性好ν与冷却剂接触不产生强烈的化学腐蚀ν工艺性能好，制造成本低，便于后处理1.1、核燃料z固体核燃料：ν金属铀与铀合金特点：密度高、热导率大、工艺性能好；辐照稳定性差，有“肿胀”现象；不能在现在动力堆中使用。

ν陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物氧化物的使用研究最多，轻水、重水、改进型气冷、快堆等均使用烧结的氧化物圆柱小块。

高温气冷堆使用氧化物或碳化物作成的包覆颗粒在石墨基体中的弥散体。

1.1、核燃料z固体核燃料：ν陶瓷燃料：氧化物、碳化物、氮化物氧化铀：特点热物性（熔点、密度、热导率、比热）钚、铀混合物：UO2+PuO2; UC+PuC; UN+PuNν弥散体燃料陶瓷型燃料颗粒均匀分布在非裂变材料的基体中。

基体材料：铝、不锈钢、锆合金、石墨等缺点：基体材料所占百分比大，必须使用浓缩铀（加浓铀）1.1、核燃料z二氧化铀的堆内行为：二氧化铀燃料在反应堆内产生热能，由于其导热性能差，燃料棒内沿径向的温差较大，芯块中心温度高达2000℃以上，而外缘温度只有500-600 ℃，形成大的温度梯度。

运行初期，芯块就由于热应力大而开裂，随着燃耗的加深，还将出现燃料的密实化，裂变产物析出，肿胀，裂变气体释放等。

1.1、核燃料z芯块开裂辐照时燃料芯块内的温度梯度可达103-104℃/cm，热应力超过了燃料的断裂强度。

核反应堆材料核反应堆内用以产生可控核裂变链式反应并保证安全运行的各类材料。

除核燃料外，还包括冷却剂、慢化剂、反射层材料、结构材料、控制材料和屏蔽材料等。

核反应堆材料一般在高温、腐蚀介质和辐照等特殊条件下工作，因此对它们的物理、化学和力学性能有严格要求。

冷却剂又称载热剂。

其作用是将反应堆内因核裂变产生的热量导出堆外，在均匀堆中还兼作流体燃料的载体。

冷却剂的特点是，具有良好的传热性和流动性，高沸点、低熔点、泵送功率低，对热和辐射有良好的稳定性，在反应堆系统下不产生腐蚀，感生放射性低，中子俘获截面小。

常用的冷却剂分气体和液体两类。

气体冷却剂有二氧化碳和氦气。

其优点是选择工作压强和温度时，可以完全独立地进行，因而能实现高温低压运行；缺点是泵送功率大。

液体冷却剂有轻水、重水和液态金属。

后者具有热导率高、蒸气压低的特点。

快增殖堆常用液态钠作冷却剂。

液态钠熔点较低（98℃），热导率高，但有一定腐蚀性，能使回路管道因质量迁移而堵塞。

此外，钠吸收中子后会产生强放射性24Na ，而且钠很活泼，遇水即爆炸，故在设计热交换器时要特别注意。

慢化剂用于热中子反应堆内，使裂变产生的快中子减速为热中子，从而提高裂变反应的几率。

对慢化剂的要求是对中子有较高的散射截面和低的吸收截面。

常用的慢化剂是轻水、重水和石墨。

轻水是含氢物质，慢化能力大，价格低廉，但吸收截面较大，对金属有腐蚀作用，易发生辐射分解。

重水的吸收截面小，并可发生（γ，n ）反应而为链式反应提供中子；缺点是价格昂贵，还要细心防止泄漏损失、污染和与氢化物发生同位素交换。

石墨的吸收截面低于重水，但价格便宜，又是耐高温材料，可用于非氧化气氛的高温堆中。

此外，还可用碳氢化合物、铍等作慢化剂材料。

铍的慢化能力比石墨好，用它作慢化剂可缩小堆芯尺寸，但铍有剧毒、价格昂贵、易产生辐照肿胀，故使用受到限制。

反射层材料在反应堆活性区周围用来散射从活性区泄漏出的中子，使其改变方向重新回到活性区。

核电关键材料范文一、反应堆材料1.燃料元素：核电站的燃料元素主要是铀、铀-钚和铀-铀燃料。

这些燃料元素需要具备高温抗辐射、稳定性和易于加工的特点。

此外，还需要考虑核燃料的回收和处理问题。

2.燃料包壳：燃料包壳是保护燃料元素的关键组件，需要具备高温抗辐射和耐腐蚀的特点。

常用的包壳材料有锆合金、不锈钢和镍基合金。

3.反应堆压力容器：反应堆压力容器是核电站的核心组件，负责容纳反应堆燃料和冷却剂，并承受高温和高压。

常用的压力容器材料有低合金钢和不锈钢。

二、冷却剂材料1.轻水反应堆：轻水反应堆使用水作为冷却剂，因此需要具备耐高温和高压的特性。

常用的材料有不锈钢、钛合金和镍基合金。

2.重水反应堆：重水反应堆使用重水作为冷却剂，因此需要具备耐腐蚀和抑制中子吸收的特性。

常用的材料有铝合金、锆合金和镍基合金。

三、辅助设备材料1.冷却塔：冷却塔用于将核电站中发热的冷却剂冷却至环境温度。

常用的材料有水泥、钢筋和玻璃钢。

2.控制棒：控制棒用于控制核反应堆的输出功率，需要具备较高的耐辐射性和热导性能。

常用的材料有铜-铌合金、不锈钢和锆合金。

未来的发展趋势：1.开发高温材料：随着核电站的发展，对高温材料的需求也越来越大。

目前正在研发的高温材料主要包括碳化硅、碳化钨和氮化硼等。

2.创新防腐材料：核电站中的材料容易受到腐蚀，因此需要开发新的防腐材料。

目前的研究方向包括氧化铝涂层、陶瓷材料和高温合金等。

3.提高材料性能：随着科技的进步，可以通过改变材料的原子结构和添加适量的合金元素来提高其性能，例如提高材料的强度、导热性和耐辐射性。

总之，核电关键材料是实现核能产生和控制的基础，对核电站的运行稳定性和安全性起着关键作用。

随着核能的广泛应用和技术的不断进步，核电关键材料的研究和开发将成为核能领域的重要课题。

核聚变反应堆材料的研究与应用一、概述核聚变反应堆是未来能源的重要选择之一，其能源来源是克服了核裂变反应堆的短板，解决了长期以来的核废料处理问题。

而研究与应用核聚变反应堆材料则是实现核聚变反应堆的必要条件。

本文将从材料的选取、研究和应用等方面，探讨核聚变反应堆材料的研究与应用情况。

二、材料的选取材料是核聚变反应堆重要的组成部分，选取合适的材料能够保证反应堆的运转以及在长时间内的稳定性。

目前，选取核聚变反应堆材料的依据主要有以下几个方面：1. 物理特性材料应当具有良好的耐热性和辐射稳定性。

核聚变反应堆是通过热力学循环将反应堆内部的热转化为电能，因此需要中子的热效应达到一定程度，同时材料还要对高温辐射环境具有耐受性。

2. 化学特性材料应当具有良好的抗腐蚀性以及化学稳定性。

反应堆内部环境比较复杂，因此需要选取对于杂质和氧化物稳定的材料。

同时还需要避免材料在高温、高速流动的气体中发生化学反应，产生腐蚀、积碳等问题。

3. 机械特性选取的材料应当具有一定的机械强度，以保证在反应堆运行过程中的抗载能力。

同时在维护反应堆的过程中还需要避免因材料的脆性而发生裂纹、断裂等问题。

4. 安全性材料的安全性是非常重要的考虑因素，这不仅限于在反应堆内的运转安全，也包括储运等环节。

在核聚变反应堆运转过程中不排除突发安全事件的可能性，因此需要选取经过长期稳定性测试的材料，如铁素体钢和氧化钨等复合材料，以确保机械性能和热性能的同时，保证材料的安全性。

三、材料的研究材料的选取只是材料研究的第一步，如何通过处理和制备来提高材料的物理特性、化学特性和机械特性等方面的表现，是材料研究的重点。

1. 材料的加工材料加工是提高材料物理性能的重要手段。

常规的加工方法如复合、热压、热静压、拉伸和火花等离子体等。

通过这些手段，可以提高核聚变反应堆材料的热稳定性、辐射稳定性和化学稳定性等方面的表现。

同时，还可以提高材料的机械强度、韧性和耐疲劳性能等。

2. 材料的表面改性材料的表面改性对于提高材料的性能有很大的作用，表面改性包括电子束处理、离子注入和表面涂层等。