新能源技术5章核能材料(1436KB).pptVIP

常见就氚增殖材料有含锂的陶瓷和液态金属（含合金和熔盐）、包括固态的氧化锂、偏铝酸钠、原硅酸锂、偏锆酸锂和钛酸锂等。液态增殖剂可兼作冷却剂、固态增殖剂需用冷却系统和提取氚的氦回路。产氚率大小取决于增殖材料中的锂原子密度。 5.3 先进陶瓷燃料 原则上提高燃料的裂变原子含量和热导率可以获取更多的增殖得益并改善燃料资源的利用。从三种铀钚混合物陶瓷燃料的裂变原子密度和电导率看。MOX燃料将被混合碳化物和混合氮化物所取代。 5.3.1 碳化物燃料 碳化物是早期被公认最具吸引力的快堆燃料，因此对其制造技术和堆内行为的研究都取得较大的进展。碳化物芯块有两类：即用作间隙传热介质（称Na结合）的高密度芯块和用He作间隙传热介质（称He结合）的低密度芯块。碳化物芯块的制造主要包括制粉、压制和烧结三步。其中以制粉为最关键。 5.3.1.1 碳化物芯块制造工艺 碳化物粉末可采用电弧炉将原料直接反应，或在氢中经470K~870K温度循环加热制取氢化物。然后与碳反应来制取。但商业上以成熟的氧化物工艺为基础，用碳热还原法生产。最简单的制取(U,Pu)C粉末的碳热还原工艺是将(U,Pu)O2粉末与炭黑或始末分混合或压制成坯块后，在1770K~1870K的流动氩或真空中发生反应，需要4h-6h，再经破碎、磨碎(小于44μm)，制取(U,Pu)C粉末。该法的技术难点在于室温下产物的化学计量范围狭窄，需仔细控制最终产物达到低的化学计量指标。 5.3.1.2碳化物燃料辐射性能 为了了解混合碳化物燃料的辐照性能，曾经对He结合和Na结合两类燃料棒进行了辐照试验。结果表明：在80000MWd/t重金属燃耗以下，未曾观察到He结合燃料棒明显的破损，少数棒达到90000MWd/t~120000MWd/t重金属燃耗仍无破损。一般而言，低、中等密度的燃料棒比高密度的有较低的破损率，释放更多的裂变气体。 5.3.2 氮化物燃料 在工业上生产氮化物和铀钚混合氮化物的才用标准碳热还原法。先生成碳化物，然后有碳化物与氮反应生成氮化物， ( U,Pu)N的制备也可以采用一步法，即将UO2和PuO2粉末与碳黑一起混合、预压成块，然后在惰性气流N2或N2+H2经1773K加热7h或8h最后在Ar+H2中冷却至少4h，制的(U,Pu)N。对氮化物燃料棒进行辐照性能测试结果发现He结合的和带套管Na结合的燃料棒都未发生破损，只有无套管Na结合燃料棒发生了破损。 5.3.3 高性能氚增殖材料 5.3.3.1 陶瓷氚增殖材料 为了满足国际热核实验反应堆（ITER）薄层和示范堆（DEMO)试验单元的需求，增殖材料的生产应有足够的规模，还考虑在反应堆中使用后甚于锂的回收。含锂陶瓷材料具有优良的热物理性能和力学性能以及满意的氚释放性能。陶瓷材料主要生产方法有熔化-喷射法、溶胶-凝胶法、挤出-球化-烧结法和烧结法。 氚的释放机理 氚的释放是一个很复杂的过程，涉及氚在固体内的扩散和在表面的解吸两个过程，随着式样晶粒尺寸和温度的增加，释放速率的主导因素将由解吸控制过渡到扩散控制，判据是无量纲量ak/D。其中a为晶粒尺寸；k为解吸速率常数；D为扩散系数。当ak/D10时，氚释放收扩散控制；ak/D1时，表面解吸是主导因素，中间情形是两个过程的结合。 5.3.3.2 液态金属氚增殖材料 液态金属应用在聚变堆中必须注意的问题是氚的输运与玷污的液体金属在强磁场中流动产生的磁流体动力学效应。可以作为液态增殖材料的主要有Li、Li17Pb83和FLIBE金属。氚几乎不溶解在Li17Pb83中，导致系统中氚的分压较高，氚渗透将有比较大的损失和对环境的污染。液态Li的情况正相反，氚的溶解度高，渗透损失小，然而在包层外提取要困难一些。在自冷却情况下，磁流体动力学效应使冷却剂的阻力增加。氚渗透损失和冷却剂压头损失可以通过管壁上涂绝缘薄膜来解决。 6 核能材料的辐照效应 6.1 辐照缺陷的产生过程 中子和辐射粒子撞击固体材料的点阵原子产生缺陷或引起反应生成嬗变元素。这些点阵缺陷和嬗变元素改变材料的性能。这种现象被统称为辐照效应。 （1）入射粒子在固体中的行为 入射原子进入固体于原子发生弹性碰撞和核反应时，能量必然受到损失。若入射粒子在其路程上撞击一系列点阵原子，传递反冲能量T给点阵原子，则当T超过其离位阈能Td时，点阵原子就离开原来位置，到达间隙位置，形成弗兰克尔缺陷对。 大多数核能材料经受快中子辐照，它传递给给点阵原子的能量高出Td许多倍。 （2）碰撞