第四章核能材料

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1、核能材料核能概述裂变反应堆材料聚变堆材料改进型水冷动力反应堆材料先进的核燃料的氚增殖材料核能材料的辐照效应新一代结构材料1核能概述1.1核能核能(或称原子能)是通过转化其质量从原子核释放的能量，符合爱因斯坦的方程E=mc²，其中E=能量，m=质量，c=光速常量。核能通过三种核反应之一释放：核裂变，打开原子核的结合力。核聚变，原子的粒子熔合在一起。核衰变，自然的慢得多的裂变形式。核能就是指原子能，即原子核结构发生变化时释放出的能量,包括重核裂变或轻核聚变释放的能量。1938年德国化学家哈恩首次揭示了核裂变反应，他通过研究发现，铀-2

2、35在中子的轰击下分裂成两个原子核，同时放出三个中子，这一过程伴随着能量的放出，这个过程就是核裂变反应，放出的能量就是核能。物质所具有的原子能比化学能大几百万倍以至上千万倍。核能发电的过程1.2核能应用历史核能是人类历史上的一项伟大发明，这离不开早期科学家的探索发现，他们为核能的应用奠定了基础。19世纪末英国物理学家汤姆逊发现了电子。1895年德国物理学家伦琴发现了X射线。1896年法国物理学家贝克勒尔发现了放射性。1898年居里夫人发现新的放射性元素钋。1902年居里夫人经过4年的艰苦努力又发现了放射性元素镭。1905年爱因斯坦

3、提出质能转换公式。1914年英国物理学家卢瑟福通过实验，确定氢原子核是一个正电荷单元，称为质子。1932年英国物理学家查得威克发现了中子。1938年德国科学家奥托哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。1942年12月2日美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。1945年8月6日和9日美国将两颗原子弹先后投在了日本的广岛和长崎。1954年苏联建成了世界上第一座核电站------奥布灵斯克核电站。在1945年之前，人类在能源利用领域只涉及到物理变化和化学变化。二战时，英国、法国、中国、日本、以色列等国相继展开对核能应用前景的

4、研究。1.3核能分类核能可分为三类：（1）裂变能，重元素（如铀、钚等）的原子核发生分裂时释放出来的能量；（2）聚变能，由轻元素（氘和氚）原子核发生聚合反应时释放出来的能量；（3）原子核衰变时发出的放射能。核能与化学能的区别在于，化学能是靠化学反应中原子间的电子交换而获得能量。例如煤或石油燃烧时，每个碳或氢原子氧化过程中，只能释放出几个电子伏能量，而核能则靠原子核里的核子（中子或质子）重新分配获得能量，这种能量非常大。广义的核材料是核工业及核科学研究中所专用的材料的总称，它包括核燃料及核工程材料(即非核燃料材料)。核燃料(nucle

5、arfuel)是指能产生裂变或聚变核反应并释放出巨大核能的物质。核燃料可分为裂变燃料和聚变燃料(或称热核燃料)两大类。裂变燃料主要指易裂变核素如铀235、钚239和铀233等。235U、239Pu、233U的中子诱发裂变的能量阈值为零，它们被称作易裂变核素，即是能在热中子反应堆中使用的核燃料。232Th和238U吸收中子后，可生成新的易裂变材料233U和239Pu，232Th和238U被称为可转换材料。1.4核材料238U和232Th资源丰富，为核能的利用提供了广阔的材料来源。此外，由于铀238和钍232是能够转换成易裂变核素的重

6、要原料，且其本身在一定条件下也可产生裂变，所以习惯上也称其为核燃料。聚变燃料包含氢的同位素氘、氚，锂和其它化合物等。核工程材料是指反应堆及核燃料循环和核技术中用的各种特殊材料，如反应堆结构材料、元件包壳材料、反应堆控制材料、慢化剂、冷却剂、屏蔽材料等等。核材料必须置于设有多重实体屏障的保护区内，并实行全面管制与统计，防止损失与扩散。2裂变反应堆材料2.1裂变原理和裂变反应堆铀-235或钚-239等重元素的原子核在吸收一个中子后发生裂变，分裂成两个质量大致相同的新原子核，同时放出2~3个中子，这些中子又会引发其他的铀-235或钚-2

7、39原子核裂变，如此形成链式反应。在裂变过程中伴随着能量放出，这就是裂变能。一种典型的裂变反应式为铀-235原子每次裂变时放出约200MeV的能量，一个碳原子燃烧时放出的能量为4.8eV。铀的裂变能是碳燃烧释放能的4.878万倍。2.2裂变反应堆实现裂变反应的装置为裂变反应堆。裂变反应堆的类型有很多种，但结构基本相同，都由堆芯和辅助系统组成。堆芯内装有核燃料，维持裂变链式反应，绝大部分裂变能以热的形式释出并由冷却剂向外传递。核材料是含有易裂变核素（铀-235、铀-233或钚-239中任意一种）的金属或陶瓷，通常包覆以包壳材料，组成

8、一个拆卸和更换的独立单元成为燃料元件。2.3裂变堆类型裂变反应根据堆内中子能量大小，分为快中子反应堆和热中子反应堆等堆型。以水作为慢化剂的热中子反应堆根据氢原子中的中子数不同，可以分为轻水堆(LWR)、重水堆等；轻水堆根据冷却剂状态不同可以分为压水