第四章核燃料组件.ppt

1、第四章 核燃料元件的制造,4.1 核燃料元件概述,燃料元件是核反应堆堆芯的基本构件。其主要的作用是：作为核燃料的基本单元；导出链式裂变反应产生的热量；阻留强放射性裂变产物，防止其泄漏；特点：需承受很高的内、外压力，同时承受很强的水利振动机械应力，并能耐强中子通量和强射线的辐照，因此，燃料元件需满足冶金、传热、机械等多方面的性能要求，并要求精密设计和高精度制造。,核蒸汽供应系统,核反应堆,对核燃料元件的要求：,良好的物理、化学、力学和抗辐照稳定性。燃料元件在反应堆内复杂的条件下使用寿命达34年，工作及储存空间要保持外形尺寸稳定。包壳要尽可能的薄，但应有足够的强度，并有足够的抗腐蚀性能，不与核燃料

2、及核裂变产物发生有害的化学作用，能够长期包容放射性物质；所有材料的热中子吸收截面要小，且不含中子吸收截面大的杂质。具有良好的热工水力学和热交换特性，燃料元件的结构设计要有利于热量传递，具有较大的导热面积；要求所有设计的燃料元件的在堆芯中能够互换位置，以利于有效的堆芯燃料管理，并力求结构简单，易于加工；为了尽量充分、经济地利用核能，反应堆运行应使核燃料的燃耗又叫燃耗深度：即单位质量的核燃料产生的核能总和，以兆瓦日/吨铀（MWd/tU）表示尽量高。但过高会造成燃料元件破损，使裂变产物逸出。另外，核燃料在反应堆中由于受到中子和射线的辐照，会使其尺寸“长大”，并且由于裂变产物的生成，还会使其发生“肿胀

3、”，设计时应注意。,4.2 燃料芯体材料 作为燃料元件的芯体材料必须含有裂变材料或增殖材料。如果就元素的名称上看，燃料芯体材料的成分就是铀、钚和钍三种。其中只有钚不是天然的。实际应用的核燃料芯体材料的形式大致分为固体的和液体的。固体核燃料有金属或合金以及化合物陶瓷。液体核燃料有金属或合金以及熔盐。,“燃料元件一般是由核燃料和包壳组成的”,4.2.1.金属铀燃料及其成形加工 工业上用镁或钙还原氟化物生成金属铀。此外，也有熔盐电解的方法，但这种方法只限于要求具有特高纯度的情况，主要用来制造研究用金属铀锭。用氟化物的金属还原法制造出来的金属铀锭，或者用真空高频感应炉熔化，浇铸到石墨制成的铸型中而当即

4、制成铸造燃料；或者采用轧制、挤压或其它的塑性加工，作成燃料芯体的坯料。用轧制方法加工铀棒燃料时，采用带槽轧辊。金属铀的性质：金属铀具有银白色的光泽，但是在空气中很快就氧化成为黑色，也会被水和二氧化碳气体等腐蚀，但是氧化膜是致密的。注：金属铀主要作为生产堆核燃料。,核燃料一经使用会生成核裂变产物。由于其中有氢、氖等气体元素，所以如果其生成量多并且温度也足够高的时候，这些气体元素的原子就会在固体燃料中扩散迁移而汇集起来并形成气泡，固体燃料就会像烤面包一样胀起来。这种现象称为“肿胀”。燃料的燃耗深度越高，使用温度越高，肿胀就越显著，这在实际应用上是一个问题。裂变产物的生成是不可避免的，防止肿胀的方法

5、有下述三种：(1)防止气体原子在固体燃料中扩散；(2)使产生气泡的点增多，许多小气泡要比少数大气泡危害小；(3)提高固体燃料基休的强度，约束气泡的长大；金属铀是没有可能达到(3)中所说的那么大的强度，所以实际上是应用(1)、(2)两种方法。加入合金元素可以防止肿胀，还可以改善各向异性的效果。但是加入这些元素不但会把铀中的可裂变同位素235U稀释，还会增加中子吸收，这对于维持持续的链式反应是不利的。因此，为了使235U含量很少的天然铀得到上述的改善，对添加元素量作了如下表限制。,金属铀燃料的问题：,在金属铀中由于裂变产物中的气体元素几乎都是包容而不释放出来，所以肿胀显著。虽然研究了改善办法，但也

6、有一定限度，即使做成浓缩铀，如果只是单纯提高235U的浓度，由于金属学上的寿命首先就达到了，燃耗深度也超不过几千兆瓦日吨。另外，由于铀的-相变点是668，所以燃料的中心温度被限制在这个温度以下，这也是以金属铀作为动力堆燃料的一大缺点。由于这些原因，动力堆中目前基本不采用金属铀或铀合金燃料。,金属铀有各向异性和低熔点两大缺点。尽管做了种种改进，但总有限度。因此，考虑使用铀化合物的陶瓷体作为燃料，这种燃料称为“陶瓷燃料”。陶瓷比金属的熔点高（2865），耐辐照，轻水反应堆中采用的陶瓷燃料是UO2，用熔炼加工的方法制造成形是困难的。所以一般采用下述三种方法之中的一种来制造：(1)把粉末压制成形，然后

7、烧结，制成称为芯块的圆柱体；(2)把粉末填入包壳管中，并使其振动，从而提高密度的振动密实法；(3)把粉末装入包壳管中，然后从管外进行边转边敲打的旋锻法。按第(2)、(3)种方法制成的产品，一开始作为燃料使用就会由于裂变发热升温而产生烧结。旋锻法是把陶瓷燃料粉末填进包壳管中，易划伤内表面，所以最近不大采用。,4.2.2 铀的陶瓷核燃料及其成型加工,金属铀、二氧化铀、碳化铀的各种物理性质比较 从表中可以看到陶瓷体是立方晶，因此没有各向异性。镕点高达2000以上。但是二氧化铀的导热系数只有金属的十几分之一。因此，对于相同的燃料表面温度，中心温度显著变高。这样，特意取得的高熔点这个优点在很大程度上被抵

8、销了。二氧化铀是离子晶体，而碳化铀是共价键，因此碳化铀的导热系数与金属相似。但是碳化铀在化学上是非常活泼的，在大气中能燃烧，与水能发生激烈的反应。因此，无论是成形加工还是填进燃料包壳管时都必须在情性气体中进行。在实际使用中，碳化铀燃料的缺点是；包壳万一发生破裂，要求冷却剂不与其发生激烈反应，因此不用在水堆中。,二氧化铀芯块的制造方法：一般是把浓缩铀工厂提供的成品UF6(六氟化铀)加热成气体，然后通入氨水等中，结果沉淀出ADU(重铀酸铵)等化合物，经过过滤洗涤后，进行干燥焙烧制成U3O8，再进行氢还原制成UO2粉末，即可对其进行成形烧结。多数情况下，二氧化铀中所含的氧超过正常化学比1:2。这个指

9、标用氧铀比(O/U)表示。烧结前压制是将加入了粘结剂的二氧化铀粉末，用20t/cm2左右的压力加压，压制成为圆柱状生坯块。经预烧除去粘合剂以后，在氢气流中加热到1600-1700进行烧结，得到的密度是理论密度的93-97。所谓理论密度是指熔化凝固方法所得到的密度。燃料快高度和直径比为11.5。目前较多的是蝶形快，其上下面压制成凹蝶形，以适应肿胀变形，芯块表面进行机械磨光，以保持与包壳管的间隙。,在使用状态下，由于包壳外面接触冷却剂，这样就受到外部冷却剂压力和流体力学的应力，同时还受到腐蚀等化学反应的侵蚀。内表面直接接触燃料芯体，所以受到芯体以及裂变产物的化学侵蚀，并且受到气体裂变产物所造成的内

10、压作用，以及为了适应芯体变形会产生强制变形。因此，在这样两面条件下，还要保持裂变产物不逸出到外面的密封性，这是很苛刻的。为此，选择包壳材料要考虑下表所列出的几项要求。,4.3 包壳,作用：,1 防止核燃料被冷却剂腐蚀,2 存留裂变产物,3 为核燃料的体积变化提供保护空间,4 为热传导提供截面,要求：,除了特殊的情况以外，满足这些重要条件的包壳材料都是金属。根据属于内侧条件的芯体的种类、属于外部条件的冷却剂的种类以及温度压力条件，可适当选用包壳。因为包壳用于最接近燃料之处，所以表中第2)项所示的物理条件中重要的是不要白白“吃掉”用于核裂变的个子。吸收中子的程度可用“中子吸收截面”表示。各种元素间

11、的值有很大的差别，通常越小越好。“热膨胀系数”：最常用作燃料芯体材料的二氧化铀的热膨胀系数大约为10 x10-6/，包壳材料的热膨胀系数无论比它大还是比它小，当升温或降温时，芯体和包壳之间的间隙尺寸都要起变化，或者是两者之间的相互作用情况要起变化。,铝合金包壳：如果温度大大超过100，铝的强度就低得无法使用，只限于用于100一下的纯水研究堆。镁合金包壳：镁是仅次于铍的弱吸收中子的金属。但是在水中的耐腐蚀性能差，因此在水冷堆中也不使用。镁合金作为燃料包壳用于气冷堆。锆合金包壳：锆及其合金是延性材料，在发现原子能以前，它没有什么用途，只是制造少量的锆粉用作电子管的吸气剂。由于这种金属在高温纯水中的

12、耐腐蚀性能与不锈钢差不多，而对热中子的吸收却是不锈钢的十五分之一。因此，可作为轻水冷却和重水冷却动力堆的包壳材料。不锈钢包壳：奥氏体不锈钢对高温水、有机物、液态金属和二氧化碳气体都具有相当好的耐腐蚀性，并且一直到约500时还保持相当的强度，所以被用作包壳材料。在使用温度为300左右的水堆中，采用304和347不锈钢。但在500600的快堆中，采用了比这种合金高温强度更高的含钼的316不锈钢。在更高的温度下，使用了含镍量更多的合金。,从冷却剂导出热量的要求上考虑，反应堆燃料不宜做得太大，必须分成一定大小的单元以加大表面积。因此，燃料要做成表面积对体积比大的形式，如板状、棒状、球状。另一方而，如前

13、所述，反应堆燃料有物理和金属学上的寿命，所以在堆内使用适当的时间以后，必须取出换上新的燃料。因此，要把燃料制成便于在活性区内装卸的单位，这种人为归纳的单位叫做“燃料组件”。构成燃料组件的各个燃料单元叫做“燃料元件”。如上所述，燃料元件的形状有棒、板和球三种形式，对于板还有曲板等的变种。这三种形式都是用燃料包壳把燃料芯体包住，防止裂变产物漏入冷却剂中。芯体的包覆方法有两种。一种是把芯体和包壳分别成形，然后把芯体装入包壳中并密封起来；一种是把包壳包覆在芯体表面上。棒状和板状属于前者，球状属于后者。,4.4 燃料元件的类型,棒状燃料有两种。一种是包壳中包含金属铀或合金的棒；另一种是把数量很多的二氧化

14、铀陶瓷烧结块装到包壳管中。,4.4.1棒状燃料,第二种型式的棒状燃料是把陶瓷燃料以柱状烧结块的形式或以振动充填方式装入的细长燃料棒或燃料细棒，再把多根这样的燃料捧做成棒束。轻水动力堆、重水慢化动力堆、改进型二氧化碳气冷堆的燃料部属于这种形式。组成棒束的方法有两种：一种是把照料棒按方形排列，外形为正方形；一种是按同心圆形状排列外形是圆形。,前一种燃料的一个例子：把直径为25.4毫米的金属铀圆棒装入2毫米厚的铝合金加肋管中，用端塞把两端密封，长度约为800毫米，把三个这样的棒纵向连结起来进行使用。为了达到连结的目的，把一个圆柱销垂直地插入到燃料棒的轴上。,这种燃料就是把称之为核(Kernel)的直

15、径为100微米的陶瓷燃料球用热解碳包覆起来，形成燃料颗粒，成为燃料的组成单位。然后把它弥散在石墨中，作成一定形状付诸使用。热解碳涂覆层一般内侧是低密度层，外侧是高密度层。最近使用的燃料颗粒，大多数都加了碳化硅层。涂覆层的首要目的是把裂变产物封闭在颗粒内。所以对涂覆层的质量要严加规定，比燃料核的质量要求还高。热解碳涂覆层是由气相的热解而得到的。把燃料核装入流化床中，惰性气体和甲烷等气体的混合气体由下部吹上来不断地搅拌着燃料核，由于气体是高温的，因此，碳化氢受热分解，游离出来的碳就沉积在燃料核上。所生成的涂覆层结构，也就是指密度和结晶的取向等，受原料气体种类、分压、流化床温度、燃料核的数量以及大小等影响。在涂覆碳化硅的时候也是用同样的装置和方法，但是采用三氯硅甲烷作为原料气体。,4.4.2 涂覆的颗粒燃料,