第三讲 核燃料

第三章核燃料核能－－无穷的能源海洋核裂变能核聚变能铀、钍矿石如全部利用，能供使用2400～2800年氘（来自海水）、锂40亿万吨2千多亿吨如实现可控核聚变，能供使用上千亿年压水堆堆芯堆芯堆腔换料中新堆装料本章内容Q1:什么是核燃料？Q2：怎样从矿石中获得可利用的核燃料？Q3：核燃料的性能与分类怎样？Q4：UO2芯块的堆内行为怎样？Q5：UO2陶瓷粉末烧结工艺与性能的关系如何？Q6：其它类型的核燃料性能及应用如何？核燃料是指能产生裂变或聚变核反应并释放出巨大核能的物质的总称，包括裂变材料和聚变材料。裂变材料：主要指易裂变核素铀，如235、钚239和铀233等；此外，铀238和钍232能够转换成易裂变核素，其本身在一定条件下也可产生裂变。聚变材料：氢的同位素氘、氚，锂6和其化合物。裂变核燃料的生成PuNpUnU23994239932399223892UPaThnTh23392233912339023290•裂变物质：U235•燃料富集度：2~5％核燃料U235U238化学形态：UO2陶瓷易裂变核燃料fissionmaterials•在任意能量的中子作用下发生核裂变反应，这些核素称为易裂变核素，–铀-235–铀-233–钚-239–钚-241•在天然铀中，–铀-235只占0.72%–铀-238约99.28%鈣铀云母铜铀云母天然铀制备？铜铀云母压水堆核燃料加工制造过程铀矿的开采露天开采地下开采原地浸出副产品矿石的处理和铀的提取破碎和研磨矿石浸出铀的提取析出和干燥精炼和转化黄饼（U3O8）☞六氟化铀（UF6）铀浓缩气体扩散法气体离心法激光分离法二氧化铀芯块的制造UO2粉末的制造UO2粉末的混合制粒成形烧结磨削常用固体燃料的分类及应用（1）金属型燃料：U及U合金•燃料密度高，导热性能好，易加工，乏燃料后处理方便，用于转换和增值易裂变核素的转换比高；但是，熔点低，工作温度低，与冷却剂及包壳材料的相容性差，辐照稳定性差。•U-Pu-Zr在美快堆一体化燃料循环中应用。（2）陶瓷型燃料：UO2，UC，UN•熔点高，工作温度高，与冷却剂及包壳材料的相容性好；但是，燃料密度低，导热性能差，机械强度低，脆性大。（3）弥散型燃料•将陶瓷燃料粉末或金属间化合物粉末弥散在金属基体内，从而克服了（2）的缺点。辐照稳定性好，导热性能好，抗腐蚀，能承受应力，堆内寿命长。•热解碳和碳化硅包覆的氧化物或碳化物颗粒燃料用于高温气冷堆。燃料芯块•功能–含裂变材料的混合物体•燃料铀-235含量–低浓缩铀：铀-235的富集度为2~5％（压水堆)–天然铀：铀-235的富集度为0.72％（重水堆）–中等浓缩铀：铀-235的富集度为12~30％（快堆)–钚：由铀238吸收中子产生•芯块材料和结构材料–金属铀–铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块–陶瓷燃料和耐高温的石墨结构材料–铀、钚混合氧化物含裂变材料铀-235的含量每个陶瓷芯块为直径1cm，高度1cm的圆柱体二氧化铀•在常温下为红褐色粉末。•密度10.97g/cm3，•熔点2,846.85℃，•沸点大约3,500℃，•比热14cal/molK。•二氧化鈾为面心立方结构萤石型结晶构造。单位立方体由中心4个铀原子和外围8個氧原子组成。导热率•常温下导热率为8.4W/mK，2000K时的导热率为2.0W/mK。•二氧化铀的电阻率隨温度升高而降低。二氧化铀燃料的堆内行为混粉•在UO2芯块制造过程中，为了获得最终芯块要求达到的密度和微观结构，往往需要在UO2粉末中添加密度调节剂U3O8粉末和造孔剂(如草酸铵)；同时加入为改善粉末压制性能的润滑剂(如硬脂酸锌)；为了获得较大的芯块晶粒尺寸而添加晶粒长大剂（如硅酸铝）。这些添加剂粉末必须均匀地分布在UO2粉末中。因此，UO2粉末这一道工序在UO2芯块制造中是必不可少的，而且是关键的工序。烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一。粉末冶金是由粉末冷压成型和对粉末压坯热处理（烧结）这两道基本工序所组成。烧结是对产品的最终性能起决定性的作用。•烧结是粉末压坯或松散的粉末体在适当的条件下受热的作用，颗粒之间产生粘结，并且，随着温度的提高或加热时间的延长，制品的孔隙逐渐缩小直到消失。结果，原来松散的粉末或比较脆弱的坯块变成了比较致密，特别是具有一定机械强度的产品。•常规烧结法•二氧化铀生坯在还原性气氛中(一般为H2气氛)，于1700℃甚至更高温度下在高温卧式推舟烧结炉中烧结7h以上，成为95%理论密度的燃料块，晶粒尺寸主要分布在16—22μm。在加热过程中，升温速率控制在10℃/min以内，于600℃保温0.5h后继续升温至1700℃，并保温6h以上，烧结完成后在H2保护气氛中随炉冷却。坯块掺杂烧结•加入的添加剂在烧结过程中有效地降低了反应活化能，促进了烧结反应的进行，降低了烧结温度，提高了成品的各项性能指标。常见的添加剂有Nb2O5、TiO2、U3O8。掺入少量TiO2可以提高二氧化铀坯块的烧结密度；掺入微量的Nb2O5能明显提高烧结后的晶粒尺寸，在微氧化性气氛中效果更加明显。低温烧结（微氧化烧结）•低温烧结工艺主要分为两阶段烧结与三阶段烧结。低温烧结使用的材料一般为氧铀比2.25的ADU粉末，氧铀比的调节一般靠掺入U3O8来实现。•低温烧结本质上是活化烧结，二氧化铀烧结是扩散控制过程。由于氧的扩散系数比铀高出几个数量级，故铀原子是烧结的控制因素。在超化学剂量的二氧化铀中，铀原子的扩散激活能随过剩氧量的增加呈指数下降。只有保证了超化学剂量氧在二氧化铀粉末中的存在，才能实现低温烧结。所以，低温烧结的特点是在微氧化气氛中烧制含有超化学剂量氧的二氧化铀芯块。举例•UO2燃料芯块的微观结构对燃料的堆内尺寸行为起决定性作用。采用U3O8添加剂可改善芯块微观结构,但同时使芯块密度下降,开口孔隙度增加进而导致吸湿加剧。因此,必须采用烧结性良好的UO2粉末和合适的成型烧结条件以使开口孔隙度和细孔隙度降至最低。相图的物理意义•a.已知合金成分，根据相图找出不同温度下合金所处的状态和相变点。•b.温度一定，合金所处的状态以及合金随成分发生的相转变。•二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表示成分•测定合金系中若干成分不同的合金的平衡凝固温度和固态相变温度•具体方法：热分析、金相分析、硬度测试、X射线分析、膨胀试验、电阻试验等。是根据相变时发生某些物理变化为基础，精确建立相图常采用几种方法来校定。•热分析法是利用相变潜热来测定的，步骤如下：二元相图的建立•配制合金系中几种不同成分合金•熔化后，测试其冷却曲线•根据曲线上的转折点，确定各合金的凝固温度•将上述数据引入以温度为纵轴，成分为横轴的坐标平面中•连接意义相同的点，作出相应的曲线•曲线将图面分成若干区域----相区。经过金相组织分析，测出各相区所含的相，将相的名称标注其中，相图工作就完成•测试时要求合金的成分准确，纯度高，冷却速度要慢0.5~1.5℃/min