核反应堆总论 第二章 反应堆材料.ppt

核反应堆工程设计第二章 反应堆材料 第二章 反应堆材料 2.1材料的辐照效应 2.2核燃料 2.3慢化剂材料 2.4冷却剂材料 2.5结构材料 2.6控制材料 2.1材料的辐照效应 1、带电粒子与γ射线 ?、 ?、 ?射线穿过物质时的特性 物质发生电离或者电子激发 扰动物质中的原子或电子 ?粒子 正电荷： 4He 质量重：能量大，但穿透能力差，射程短 在反应堆中的影响可以忽略 ?粒子 负／正电荷：ｅ-／ｅ+ 质量轻，但穿透能力强，射程长 ?射线 不带电 穿透能力极强 ?粒子的性质 β粒子的性质 带电粒子、质量小 β射线的能量：大致为十几千电子伏到3兆电子伏。 射程比α粒子长，但产生电离的能力比α粒子弱 完全吸收β射线所需要的物质长度：铝约5毫米，铅约1毫米。 电离的作用 作用 使化合物的化学键破坏而分建成单体 共价键结合的化合物 有机化合物及水等无机化合物，外层电子由两个原子共用，抗分解能力差 分解一个共价键需25ev 离子键结合的化合物 较活泼的金属元素和活泼的非金属元素，电子从一个原子转移到另一个原子，形成阴离子和阳离子，分子间靠离子间的强烈静电吸力，分解能力差 金属键结合的金属 自由电子 不会产生永久的辐射效应 2、中子 裂变产生的中子 中子的辐照损伤 几个基本概念： 位移能：使一个原子产生位移所需的最小能量。 间隙原子、空穴：一个原子从点阵平衡位置移到两个平衡位置之间的不平衡位置时称间隙原子，它留下的空位称空穴。每一间隙原子必有一个相应的空穴。 辐照损伤定义：由于辐射作用而产生间隙原子及点阵中相应留下空穴，就或多或少会在晶体中造成永久的缺陷，从而引起材料物理性质的永久变化。这样的效应通常称为辐照损伤。 中子核反应 （n，γ）反应 （n，p ）反应 （n，α）反应 （n，2n）反应 （n，f ）反应 （n，γ）反应 中子辐射俘获反应 例如113Cd（n，γ）114Cd 瞬间产物为靶核的同位素，因此对被辐射物质没有影响。 由于中子辐射俘获反应使原子核的中质比增大，反应产物常具有β－放射性，所以（n、γ）反应是人工制造β－放射性同位素的有效方法。 例如，利用铀-238中子辐射俘获反应，可以制造出核燃料钚 （n，p）反应 出射粒子是质子 例如14N（n，p）14C，3He（n，p）3H等。 产生杂质原子 （n，p）反应使剩余核的中质比增加，中子过多，所以也是具有β－放射性的，例如上例中产生的剩余核碳-14就具有β－放射性。 （n，α）反应 与（n，p）反应类似，慢中子引起重核的（n，α）反应的可能也很小，只有轻核才能发生（n，α）反应。 例如：10B（n，α）7Li反应等，其热中子吸收截面很大，利用含硼石蜡作为快中子的屏蔽材料。 产生杂质原子 （n，n）反应 （n，n）反应就是中子与原子核的弹性散射，中子在散射后，运动方向和动能都发生了改变，靶核则受到反冲。 中子与物质相撞，物质的质量数愈大，中子损失的能量愈小，这说明在防护中子辐照时，不能像防护γ射线那样选择重物质作屏蔽材料，而是要选择质量数较小的轻物质才行。 （n，2n）反应 当入射中子的能量足够大时，复合核处于很高的激发态，以致足以释放出二个中子，即（n，2n）反应。这种反应是吸能反应，因此具有一定的反应阈。 （n，2n）反应使核的中质比变小，所以剩余核往往具有β+放射性。除（n，2n）反应外，当入射中子能量更高时还可以发生（n，3n）反应、（n，2np）反应等。 例如：55Mn（n，2n）54Mn、9Be（n，2n）8Be、27Al（n，2n）26AI等，它们的剩余核锰-54、铍-8、铝-26均具有β+衰变及轨道电子俘获放射性。 （n，f）反应 中子与重核作用，重核分裂成两个碎片，平均放出2~3个中子，并放出大量热量。 中子与固体物质相互作用的示意图 3、裂变碎片 带有大部分裂变释放的能量； 射程短，原子位移只在燃料中发生裂变附近极小的区域内出现； 中等质子核，导致核燃料体积膨胀。 2.2 核燃料 作用：反应堆产生能量的源泉 易裂变核燃料 核燃料的要求 固体燃料的分类 金属型燃料 陶瓷型燃料 弥散型燃料 核燃料的要求 导热率高 抗辐照能力强，以达到高的燃耗 燃料的化学稳定性好 熔点高，且在低于熔点时不发生有害的相变 机械性能好，易于加工 金属型燃料 金属铀 铀合金 金属铀 优点： 核密度高，导热性能好。 缺点： 工作温度低（350oC ~450oC） 化学活性强，常温下与水起剧烈反应产生氢气，易氧化 高温下只能与少数冷却剂相容 产生辐照肿胀（〉450oC） 铀合金 优点： 改善辐照稳定性、增强抗高温水腐蚀性能； 改善某些机械性能； 缺点： 中子有害吸收增加，须采用富集铀 铀-锆合金、铀钚锆合金 陶瓷型燃料 二氧化铀UO2