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第五章 核燃料 热功率和燃耗 功率是和单位时间的裂变次数——裂变率成正比，可用裂变／厘米3·秒或瓦／厘米3表示。 燃耗是指核燃料的消耗率，它是和辐照期间的裂变次数的总和——裂变密度成正比例的。燃耗的表示方法主要有三种： (1) 用易裂变核的燃烧率来表示，即用对于燃料初期含有的全部铀原子的百分比来表示（B0）； (2) 用燃料单位体积的裂变数（裂变密度）来表示燃耗(B1)。 (3) 另有一种常用单位是以每吨燃料发出的总能量来表示燃耗（B2）： （兆瓦·日／吨铀）MWd/t U 5.1 反应堆燃料概述 5.2 陶瓷型核燃料---UO2 UO2力学性质 (1) 强度 UO2在低温下是脆性陶瓷材料，UO2强度随温度升高而急剧降低，同时出现塑性变形，1200℃以上才有塑性。 (2) 弹性 UO2在室温下的杨氏模量为193--214GPa，当温度升高时杨氏模量减小 燃料棒结构 芯块柱的两端各有一块Al2O3隔离芯块，以阻止轴向传热．上端有贮气空腔，用压紧弹簧将芯块定位。充入一定量的氦气，两端焊接密封。焊接密封是关键技术，一般采用电子束焊接法。目前压水堆燃料棒予充2～3 MPa的氦气，一般是在端塞上先开一个细孔，再在高压氦气中把孔堵焊上。 5.3 UO2燃料的辐照特性 燃料棒截面可分为三个温度区： 第一区为脆性区，它处于塑性——脆性转变温度以下，这个转变温度~12000C，断裂强度随温度升高而增加，热应力超过断裂强度呈脆性断裂。 第二区为半脆性区，温度范围1200~14000C，破坏前有一定塑性变形，是由完全脆性到完全塑性的过渡区。 第三区为完全塑性区，温度在14000C以上，强度显著降低。 三个温度区 重新结晶 UO2芯块低的热导率使芯块内存在很大的径向温度梯度，当反应堆达到运行功率后，很快引起微观组织的变化，也就是说，原始烧结组织状态将随时间的延长而变化。 主要分三个区： （1）不变晶区：处于芯块外缘，因该部位工作温度较低，仍保留原始的晶粒组织。 （2）等轴晶长大区：它紧靠不变晶区，该部位温度约在1500℃以上，晶粒均匀长大，晶内气孔经扩散迁移到晶界。 （3）柱状晶区：该部位温度约在1800℃以上，在大的温度梯度下，开始定向晶粒长大，形成窄而长的柱晶；气孔沿温度梯度的方向向高温端迁移，大的气孔在高温侧蒸发，在低温侧凝聚，使气孔向高温端传输，气孔向芯块中心部位移动的结果是柱晶区晶粒致密化，还可在芯块中心形成空洞。 5.4 芯块密实化 减少芯块密实化的措施： （1）提高芯块的初始密度，芯块密度达94%T.D以上时，孔隙减少，密实量也显著减少。 （2）研制辐照尺寸稳定的芯块，如添加造孔剂，得到大于5微米孔隙的原始组织，减少小于1微米孔隙的体积份 额。 （3）燃料内予冲充一定压力的He，防止包壳管的倒塌。 影响燃料辐照肿胀的因素 防止肿胀的措施 5.6 裂变气体的释放 裂变气体释放原理 燃料棒内结构：加弹簧 * * Fuel as a Percent of Electric Power Industry Production Costs Source: RDI Updated 8/03 73% 26% 15% 14% 27% 74% 85% 86% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Nuclear Coal Oil Gas OM Fuel m.s.k) UO2的泊松比为0.2或0.302 (3) 硬度 UO2的硬度为莫氏硬度6~7，微量的过剩氧使硬度显著增加 芯块的制造对性能的影响 燃料棒内由温度梯度而产生的热应力将使第一区裂开，第三区在低应力作用下容易流动，因而不会开裂。如果停堆时该区已经形成裂纹，将使下次堆运行中使裂纹重新愈合。 芯块在运行初期的开裂使芯块外径增加，芯块与包壳间隙减小。随着燃耗的增加，芯块与包壳相接触，发生机械相互作用，这种接触应力引起芯块内产生新的裂纹，并使包壳管承受应力，使包壳管外径局部增大。芯块开裂部位往往是包壳管内应力集中部位，也是造成燃料棒破损的原因。 随辐照进行燃料组织的变化 西屋公司新燃料的特点： 5.5 辐照肿胀 氧化铀燃料在辐照时铀原子被裂变产物原子取代而产生的尺寸变化称为辐照肿胀，芯块肿胀使燃料与包壳贴紧，甚至发生PCI效应。所以辐照肿胀是燃料寿命的限制因素之一。 Irradiation Swelling of UO2