第3章材料与热源在考虑反应堆结构材料的时候，通常把堆芯内结构 ...

上传者：毛宏燕
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上传时间：2015-04-21
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第3章材料与热源在考虑反应堆结构材料的时候，通常把堆芯内结构 ...

第3 章材料与热源
在考虑反应堆结构材料的时候，通常把堆芯内结构材料与堆芯外结构材料分开来考虑。因为
前者有辐照效应问题而后者没有。堆芯外的结构材料与一般的结构材料基本相同，以使用条
件下的强度和耐腐蚀性为主要考虑因素，但因它是反应堆装置的一部分，对其性能和使用的
安全性比一般结构用的材料的要求更加严格一些。本章主要探讨堆芯内结构材料。
堆芯内结构材料应能在保证反应堆安全的同时满足反应堆经济性的要求。从安全角度出发，
由于材料的使用条件极其苛刻，就要求材料具有较高的抗动载荷能力（例如热应力、强振动、
高辐射等）。在实际工程中，选择堆芯材料要考虑的因素很多，诸如强度、塑性、工艺性、热
应力、交变应力作用下的抗疲劳性、辐照稳定性、腐蚀稳定性、导热性、各种材料之间的相
容性以及对中子的吸收截面等。
堆芯内结构材料包括燃料元件用材料（又可以分为燃料芯块材料、燃料包壳材料、燃料组件
和部件材料、导向管材料等）、慢化剂、冷却剂、反射层、控制材料（包括热中子吸收材料及
控制棒材料、控制棒包壳材料、控制棒构件、液体控制材料等）、屏蔽材料、反应堆容器材料
等。
本章结合压水堆核电厂的设计，重点探讨核燃料、包壳、冷却剂和慢化剂的选择以及确定材
料后堆内热源强度的计算。
3.1 核燃料
233U, 235U, 239Pu 241Pu 的热中子裂变截面都较大，
233U, 235U, 239Pu 241Pu 由于存在各
种技术问题，还没有被采用。
235U 238U，约占99.28%,
235U 的含量大约只占0.714%，其余的约0.006% 234U.
233U 239Pu 是在生产堆中用人工方法获得的两种核燃料 232Th
238U 239Pu 是早期核弹头的主要材料。
241Pu 的半衰期短，放射性强，裂变截面大，在反应堆里面的积累量很少，所以很少单独
提取。
另外还有一些超钚元素具有裂变材料的重要特点，适合于作为小型核武器和氢弹的引爆材料，
242Am（镅）, 245Cm（锔）, 247Cm, 249Cf 251Cf 等。反应堆
热工水力学（第2 版）第3 章材料与热源核燃料可以分为可裂变材料和可转换材料
两大类。可裂变材料可以在各种不同能量中子的作用下发生裂变反应，自然界存在的可裂变
235U 一种。可转换材料在能量低于裂变阈能的中子作用下不能发生裂变反应，但
232Th 238U 是很好的可转换材料。
目前，绝大部分热中子反应堆的核燃料外面都有包壳材料。用包壳材料包装和密封的核燃料，
通常称为燃料元件。根据不同几何形状，可分为棒状燃料元件和板状燃料元件等。包壳材料
可以防止冷却剂腐蚀燃料，并能阻止高放射性物质的泄漏，另外还起着保持核燃料元件几何
形状及位置的作用。
为避免热流密度过大和燃料温度过高，还有将易裂变物质弥散在非裂变物质基体中的燃料形
式。还有一种是慢化剂、冷却剂和核燃料混合在一起的所谓液态燃料，它的研究历史已很长，
现仍有部分在继续研究中。
选择核燃料时首先要考虑的是对中子的裂变截面，裂变截面越大越好；其次要考虑的是燃料
密度，通常希望燃料密度要大一些；此外，还应考虑，组成燃料元件的物质是否容易获得，
加工制造和后处理是否困难，以及耐腐蚀、耐高温、耐辐照的性能如何等等。综合考虑这些
因素，目前的商用核电厂大多数采用化合物形式的陶瓷体燃料，用得最广的是UO 2.
根据核燃料的物理相态、基本特征和设计方式的不同，大致可分为固体燃料、液体燃料和弥

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