第6讲-慢化和反射材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,慢化剂材料与反射层材料,慢化和反射材料是反应堆的重要组成部分,慢化剂：使裂变快中子能够充分慢化成热中子，使,235,U,链式反应得以维持；,反射剂：能使逸出的中子充分反弹到堆芯中，可减少中子损失，节省燃料消耗，减小堆芯临界体积，从而能改善堆芯及其边界的中子流和功率分布，增大输出功率，提高反应堆的经济性。,良好的慢化剂也是较好的反射层材料,质量轻、中子散射截面大，吸收截面小的材料,对中子多碰撞、少吸收，增大慢化能力,把泄漏的中子回弹到堆芯的作用，以增大反射率。,衡量慢化性能的物理量,能量对数减缩(勒),中子被慢化的程度失基准能量,E,0,与碰撞后能量,E,之间的自然对数。,平均对数能降(值),每次碰撞的中子能量对数减缩的平均变化值,慢化能力(,s,),介质的宏观散射截面 与中子平均对数能降的乘积,慢化比(,s,/,a,),慢化能力与其宏观吸收截面之比,1)能量对数减缩(或称勒),每次碰撞后，中子被慢化的程度，是中子基准能量,E,0,(式中为,E,f,)与碰撞后中子能量,E,(,E,t,)之比的自然对数值。将中子碰撞前后能量的变化值用一个无量纲的对数,U,来表示，称此为能量对数减缩或称为勒，即,U=ln,(,E,0,/E,)(即,E,E,0,e,U,),式中,E,0,为裂变中子的初始能量，常用,2MeV,或,10MeV,作其基准值，,E,为每一次碰撞后的能量，即图,11,20,中的每条垂直线。由图及式看出，,E,减少，对数能降,U,增加，即二者变化相反。因此，表示勒大小的式是表示中子慢化程度的度量。,2)平均对数能降值,值是中子慢化过程中的一个重要参量。它的数学含义是每次碰撞的中子能量对数减缩的平均变化值，即,上式包含了所有碰撞的,lnE,1,lnE,2,的平均值，其中,E,1,只是碰撞前的中子能量，,E,2,为碰撞后的中子能量。因,E,减小、,U,增大，为了沟通值与靶原子的关系，用(,E,2,),dE,2,表示碰撞后，中子散射在,E,2,和,E,2,dE,2,能量区间的概率，而散射后能量在,E,1,和,E,1,之间，因此上式可表示为,式中积分上限中的,a,=(A-1)/(A+1),2,A=慢化剂质量M/中子质量m。,经过积分变换：,当A10时可近似为：,=2/(A+2/3),说明平均对数能降值只和靶核质量数,A,有关，而与中子能量无关。这就使成为计算慢化特性的非常有用的量,。,(1)质量愈轻的元素，值愈大，即,U,差值愈大，这表明碰撞后的中子剩余能量愈小，,即每次散射平均损失的中子动能多，也就是说质量轻的元素，中子慢化效果好，它可减少快中子慢化到热中子时的碰撞次数。,(2)值大对提高慢化能力和慢化比有利，而这两个值是判断慢化剂优劣的重要判据；,(3)若,N,为平均慢化碰撞次数，则,N,=ln(,E,1,/,E,2,)/。平均能量2MeV的快中子慢化为0.025eV热中子的平均碰撞次数为,N,=18.2/,慢化材料值的物理意义是：每次散射碰撞，平均损失的中子动能。,中子能量与勒,U,的关系,不同元素/物质对中子散射性质,慢化材料的性能要求,慢化剂材料的性能,质量轻，对中子散射截面大、吸收截面小,慢化剂具有足够的慢化能力和慢化比以及较大的平均对数能降值，以确保散射碰撞时，中子能量损失大，慢化效果好；,与燃料元件包壳材料和慢化剂与冷却剂材料相容性好，不起化学作用；,化学稳定性和辐照稳定性好,有一定的机械强度(固体慢化剂),成本低廉。,常用的慢化剂材料：,轻水、重水、石墨、铍和氧化铍等。,轻水和重水,轻水和重水是水冷动力堆最常用的慢化剂材料，它们还能兼作冷却剂，反射层和射线屏蔽的材料。轻水价廉，来源丰富，但必须是去离子的高纯度水：,(1)去除水中杂质，以减小水对回路中材料的腐蚀和降低水中的放射性活化强度；,(2)减少水中杂质及腐蚀产物沉积在燃料包壳管上及传热管壁上，以免引起导热率下降而使局部过热或腐蚀加重；,(3)降低氯离子和溶解氧含量，避免应力腐蚀；,(4)减少水垢，防止水流阻力增加和减轻水的辐照分解；,(5)去除对锆合金和奥氏体不锈钢有害的氟离子，使其低于规定限值(100g/L)并减少溶解氢；,(6)调整 pH值，保持在5.410.5范围，Li含量在(0.222.2)mg/L之间。,石墨,石墨在反应堆中常用作慢化剂和反射层材料，在高温气冷堆中还可以用作堆芯结构材料和燃料小球的涂层及其弥散依附的基体材料。,石墨属六方晶系，各向异性大,中子吸收截面小(3.7mb)、,熔点高(3727)、导热仅次于铝且成本低廉，高温强度和耐热性也好、,化学稳定性好，尤其在非氧化气氛下具有较好的高温性能。,石墨的辐照损伤,石墨的辐照损伤与金属相似，也是由辐照产生的点缺陷及其聚集或衍生而形成的。计算表明，能量大于100eV以上的中子就能使碳原子离位。中子碰撞产生的初级高位原子(PKA)，又会发生串级碰撞，此过程一直持续到中子能量低于3 E,d,(碳原子离位阈能)为止。,一个几十keV量级的高能中子在形成串级碰撞中，可使(200400)个碳原子离位.,辐照损伤导致石墨的物理性质、力学性能均下降。其中对反应堆安全和运行威胁较大的是：,辐照时的潜能释放,，导热率下降和尺寸发生变化。,铍,铍是碱土金属中最轻的金属，可作为中子反射层和慢化剂材料。,密度约为铝的2/3，熔点高(1283,o,C)，,比热大(0.43卡/(g,o,C),弹性模量高,吸收中子截面小(0.009靶恩)、散射截面大(7靶恩)，中子慢化比(160)和反射率(0.91)比轻水(61；0.79)高并具有较好的高温强度，因此被,但受到如下限制不能广泛使用,价格贵、塑性差、具有毒性,抗高温氧化性能和抗辐照肿胀性能差。,氧化铍,BeO除具备Be的优良性能外，克服了金属Be的缺点,它导热性能好，热膨胀系数小，具有良好的耐热冲击性。,BeO抗高温氧化性能好，在高温液态金属和高温He和CO,2,中稳定性较好。这就可使燃料临界质量少或临界体积小。,因铍受中子和射线照射后产生(n，2n)和(，n)反应，故在堆内可作中子源使用。,Be和BeO由于与中子发生(n，2n)和(，n)反应产生He及氚气。,当中子注量低时，生成的 He残留在金属内部；,积分注量高时，He原子就会互相结合，在晶界形成气泡。由于生成氦(气泡)，Be的体积发生肿胀，随着中子注量增加，肿胀急剧加快。,氢化物,金属氢化物、金属氢氧化物和有机物等是最好的慢化剂和反射层材料,质量最轻的H元素与高能中子碰撞后，被传给的能量最多，慢化快中子的效果最好，即=1。,氢的中子散射截面较大(20靶恩)，吸收中子截面(0.33靶恩)，吸收中子截面(0.33靶恩)较小，所以含氢量高的材料，例如。,主要用在军用堆、脉冲堆和航天用的反应堆上。例如：,氢化锆在单位体积内的氢含量比液态氢高一倍，高温下(540,o,C)的热稳定性也比较好，所以可用作飞机和航天用反应堆的慢化剂和反射层。,在UZr合金中(高浓铀)充氢变为铀一氢一锆合金，它兼有燃料元件和慢化剂的作用。,生产短寿命放射性同位素的脉冲堆(中子瞬时注量极高)用的就是氢与金属铀混合制成的燃料元件(TRIGA堆)。,氢化物应具备的性能,用氢化物作为慢化剂和反射层材料时，因氢在其中起主要作用，所以要求：,(,1,)单位体积内含氢量大并且分布均匀；,(,2,)热中子吸收截面小，受辐照影响小，,(,3,)充氢生产工艺简便、成本低，导热率好，,(,4,)抗腐蚀、耐辐照、热稳定性好，,(,5,)与包壳材料及所接触的材料相容好，,(,6,)活化截面小，嬗变同位素半衰期短，即放射性小。,