4核燃料解析.pptx

4.核燃料核燃料4.1 核燃料的分类核燃料的分类4.2 二氧化铀燃料二氧化铀燃料4.3 MOX燃料及其应用燃料及其应用4.4 核燃料循环核燃料循环4.1、核燃料核燃料l在反应堆中使用的易裂变物质和可转换物质统称在反应堆中使用的易裂变物质和可转换物质统称为核燃料。为核燃料。l裂变燃料裂变燃料：铀：铀235（自然界存在的唯一一种核（自然界存在的唯一一种核燃料燃料 0.714%）;铀铀233；钚钚239 转换燃料转换燃料：钍：钍232；铀；铀238 铀铀233和钚和钚239分别是由钍分别是由钍232和铀和铀238俘获中子而形成的，所以铀俘获中子而形成的，所以铀233和钚和钚239又称又称为为二次再生燃料二次再生燃料。4.1、核燃料核燃料l一般把铀一般把铀235含量富集度等于或低于含量富集度等于或低于5%的称为的称为低浓低浓铀铀，把富集度等于或高于，把富集度等于或高于80%的称为的称为高浓铀高浓铀，中间部，中间部分称为分称为中间铀中间铀。l现在国际上推广低浓铀计划，即在试验堆内使用的燃现在国际上推广低浓铀计划，即在试验堆内使用的燃料的铀料的铀-235富集度要求在富集度要求在20%以下。经同位素分离后以下。经同位素分离后的尾料，铀的尾料，铀-235的含量降低到的含量降低到0.3%或或0.25%，称为，称为贫贫铀铀。l动力堆一般使用富集度为动力堆一般使用富集度为1-5%的低浓铀，压水堆中使的低浓铀，压水堆中使用的是约含用的是约含3%铀铀-235的低浓缩铀。的低浓缩铀。4.1、核燃料核燃料l对固体核燃料的要求：对固体核燃料的要求：1）燃料中易裂变原子密度高；）燃料中易裂变原子密度高；2）具有良好的辐照稳定性，保证燃料元件在经受深具有良好的辐照稳定性，保证燃料元件在经受深度燃耗后，尺寸和形状的变化能保持在允许的范围度燃耗后，尺寸和形状的变化能保持在允许的范围之内；之内；3）具有良好的热物性（熔点高，热导率大，热膨胀）具有良好的热物性（熔点高，热导率大，热膨胀系数小），使反应堆能达到高的功率密度；系数小），使反应堆能达到高的功率密度；4）在高温下与包壳材料的相容性好；在高温下与包壳材料的相容性好；5）工艺性能好，制造成本低，便于后处理。工艺性能好，制造成本低，便于后处理。4.2、核燃料的分类核燃料的分类l固体核燃料：固体核燃料：1）金属型：金属铀与铀合金）金属型：金属铀与铀合金 特点：密度高、热导率大、工艺性能好；辐照稳定特点：密度高、热导率大、工艺性能好；辐照稳定性差，有性差，有“肿胀肿胀”现象；熔点低，不能在现代动力堆中现象；熔点低，不能在现代动力堆中使用。使用。2）陶瓷型：氧化物、碳化物、氮化物）陶瓷型：氧化物、碳化物、氮化物 氧化物的使用研究最多，轻水、重水、改进型气冷、氧化物的使用研究最多，轻水、重水、改进型气冷、快堆等均使用烧结的氧化物圆柱小块。高温气冷堆使用快堆等均使用烧结的氧化物圆柱小块。高温气冷堆使用氧化物或碳化物作成的包覆颗粒在石墨基体中的弥散体。氧化物或碳化物作成的包覆颗粒在石墨基体中的弥散体。4.2、核燃料的分类核燃料的分类l 氧化铀的特点氧化铀的特点 优点：熔点高，具有高的工作温度，与包优点：熔点高，具有高的工作温度，与包壳和冷却剂的相容性好；壳和冷却剂的相容性好；缺点：密度较低，导热性能差，机械强度缺点：密度较低，导热性能差，机械强度低，脆性大。低，脆性大。钚、铀混合物：钚、铀混合物：UO2+PuO2;UC+PuC;UN+PuN4.2、核燃料的分类核燃料的分类3）弥散体燃料）弥散体燃料 弥散型燃料颗粒均匀分布在非裂变材料的基弥散型燃料颗粒均匀分布在非裂变材料的基体中，从而克服了陶瓷性材料导热和延性的不足。体中，从而克服了陶瓷性材料导热和延性的不足。弥散体燃料的辐照稳定性好，导热性能好，抗腐弥散体燃料的辐照稳定性好，导热性能好，抗腐蚀，能承受应力，堆内寿命长。蚀，能承受应力，堆内寿命长。缺点：基体材料所占百分比大，必须使用浓缩缺点：基体材料所占百分比大，必须使用浓缩铀铀 基体材料：铝、不锈钢、锆合金、石墨等基体材料：铝、不锈钢、锆合金、石墨等4.3、二氧化铀燃料二氧化铀燃料性能优缺点：性能优缺点：（1）优点）优点1）熔点高；）熔点高；2）高温稳定性和辐照稳定性好；）高温稳定性和辐照稳定性好；3）化学稳定性好，与高温水不起作用，与包壳相容性）化学稳定性好，与高温水不起作用，与包壳相容性好；好；4）在）在1000 以下能包容大多数裂变气体；以下能包容大多数裂变气体；5）有适中的裂变原子密度，非裂变组合元素氧的热中）有适中的裂变原子密度，非裂变组合元素氧的热中子俘获截面低。子俘获截面低。4.3、二氧化铀燃料二氧化铀燃料（1）缺点）缺点1）热导率小，使芯块的中心温度高，温度梯度过）热导率小，使芯块的中心温度高，温度梯度过大；大；2）机械强度低、脆，在反应堆条件下易裂，且加）机械强度低、脆，在反应堆条件下易裂，且加工成型困难。工成型困难。4.4、二氧化铀燃料的堆内行为二氧化铀燃料的堆内行为二氧化铀燃料在反应堆内产生热能，由于其二氧化铀燃料在反应堆内产生热能，由于其导热性能差，燃料棒内沿径向的温差较大，芯块导热性能差，燃料棒内沿径向的温差较大，芯块中心温度高达中心温度高达2000以上，而外缘温度只有以上，而外缘温度只有500-600，形成大的温度梯度。，形成大的温度梯度。运行初期，芯块就由于热应力大而开裂，运行初期，芯块就由于热应力大而开裂，随着燃耗的加深，还将出现燃料的密实化，裂变随着燃耗的加深，还将出现燃料的密实化，裂变产物析出，肿胀，裂变气体释放等。产物析出，肿胀，裂变气体释放等。l芯块开裂芯块开裂 辐照时燃料芯块内的温度梯度可达辐照时燃料芯块内的温度梯度可达103-104/cm，热应力超过了燃料的断裂强度。热应力超过了燃料的断裂强度。因此初期芯块径向将产生裂纹。因此初期芯块径向将产生裂纹。芯块开裂使芯块与包壳之间的间隙减小，芯块开裂使芯块与包壳之间的间隙减小，热导率增加，这时燃料芯块中心的温度有热导率增加，这时燃料芯块中心的温度有所下降。所下降。芯块裂纹的存在和沙漏状的凸起会导芯块裂纹的存在和沙漏状的凸起会导致包壳应力过大产生裂纹，往往是包壳管致包壳应力过大产生裂纹，往往是包壳管内应力集中的部位，也是造成燃料棒破损内应力集中的部位，也是造成燃料棒破损的原因之一。的原因之一。l芯块密实芯块密实 芯块密实是燃料寿命早期出现的另一组织改变。辐芯块密实是燃料寿命早期出现的另一组织改变。辐照条件下的芯块长度减小，密度增加的现象为照条件下的芯块长度减小，密度增加的现象为辐照辐照密实密实。减小密实化的措施：减小密实化的措施：1）提高芯块的初始密度，芯块密度达）提高芯块的初始密度，芯块密度达94%理论密度理论密度以上时孔隙减少，密实量也显著减小。以上时孔隙减少，密实量也显著减小。2）研制辐照尺寸稳定的芯块，如添加造孔剂，得到）研制辐照尺寸稳定的芯块，如添加造孔剂，得到大于大于5微米的原始孔隙，减少小于微米的原始孔隙，减少小于1微米的孔隙体积微米的孔隙体积份额。份额。3）燃料棒内预充一定压力的氦气，防止包壳管倒塌。）燃料棒内预充一定压力的氦气，防止包壳管倒塌。l重结构重结构 二氧化铀燃料芯块内，由于热导率低，二氧化铀燃料芯块内，由于热导率低，温度梯度大。当反应堆达到运行功率后，温度梯度大。当反应堆达到运行功率后，很快引起芯块微观组织的变化，原始烧结很快引起芯块微观组织的变化，原始烧结组织状态将随着时间的延长而改变。最终组织状态将随着时间的延长而改变。最终形成四个区域（形成四个区域（不变晶区、等轴晶长大区、不变晶区、等轴晶长大区、柱状晶区、中心孔柱状晶区、中心孔），这种现象称为重结），这种现象称为重结构。构。l辐照肿胀辐照肿胀 随着燃耗的增加，二氧化铀的密度减随着燃耗的增加，二氧化铀的密度减小，体积变大，称为辐照肿胀。易造成包小，体积变大，称为辐照肿胀。易造成包壳管损坏。壳管损坏。原因：一方面，一个裂变原子分裂后形成原因：一方面，一个裂变原子分裂后形成两个质量相对较小的裂变产物原子，造成两个质量相对较小的裂变产物原子，造成体积膨胀；另一方面，裂变产物中的气体体积膨胀；另一方面，裂变产物中的气体聚集形成气泡，镶嵌在燃料中，使燃料的聚集形成气泡，镶嵌在燃料中，使燃料的密度下降，发生肿胀。密度下降，发生肿胀。l裂变气体释放裂变气体释放 核裂变中产生的核裂变中产生的惰性气体氙、氪惰性气体氙、氪的份额较的份额较大，这些气体释放后，会使燃料棒的内压大，这些气体释放后，会使燃料棒的内压升高；而且这些气体的导热很差，它们释升高；而且这些气体的导热很差，它们释放到间隙里会降低间隙的导热性，使芯块放到间隙里会降低间隙的导热性，使芯块温度升高，所以裂变气体释放是有关安全温度升高，所以裂变气体释放是有关安全运行的重要研究课题。运行的重要研究课题。影响裂变气体释放的最主要因素是温影响裂变气体释放的最主要因素是温度，同时与燃耗及原始组织等也有关。度，同时与燃耗及原始组织等也有关。影响裂变气体释放的因素：影响裂变气体释放的因素：1）温度：低于）温度：低于1000，裂变气体基本上都包容在二，裂变气体基本上都包容在二氧化铀基体内。大于氧化铀基体内。大于1800，裂变气体全部释放。，裂变气体全部释放。2）燃耗：随着燃耗的增加，裂变气体释放率也增加。）燃耗：随着燃耗的增加，裂变气体释放率也增加。3）原始组织：晶粒尺寸大，裂变气体被晶界捕获的概）原始组织：晶粒尺寸大，裂变气体被晶界捕获的概率小，释放率相应的也小。率小，释放率相应的也小。4）堆功率变化：堆功率提升或下降时，芯块温度发生）堆功率变化：堆功率提升或下降时，芯块温度发生突然的变化，热应力使已脆化了的晶界开裂。这样，突然的变化，热应力使已脆化了的晶界开裂。这样，裂变气体就会随着开裂而释放。因此，伴随着每次裂变气体就会随着开裂而释放。因此，伴随着每次功率变化，气体释放量就增加。功率变化，气体释放量就增加。l氧及可挥发裂变产物的再分布氧及可挥发裂变产物的再分布1）氧的再分布：）氧的再分布：CO2从冷区经裂纹和连通的孔隙从冷区经裂纹和连通的孔隙扩散到热区，将氧沉积在固体中，同时转变成扩散到热区，将氧沉积在固体中，同时转变成CO扩散回冷区，并重复这个过程，逐渐将氧输扩散回冷区，并重复这个过程，逐渐将氧输送到热区。送到热区。2）可挥发性裂变产物的再分布：裂变产物中可挥）可挥发性裂变产物的再分布：裂变产物中可挥发性产物铯、铷、碘、碲等元素往冷端迁移，特发性产物铯、铷、碘、碲等元素往冷端迁移，特别是铯的迁移是一种蒸馏过程，铯冷凝在锆包壳别是铯的迁移是一种蒸馏过程，铯冷凝在锆包壳管壁上，对锆包壳有侵蚀性，使包壳管壁受到侵管壁上，对锆包壳有侵蚀性，使包壳管壁受到侵蚀及应力腐蚀开裂。蚀及应力腐蚀开裂。4.5、MOX燃料及其应用燃料及其应用MOX燃料是氧化铀和氧化钚混合燃料燃料是氧化铀和氧化钚混合燃料（Mixed uranium and plutonium oxide fuel）的简称。一般在压水堆中使用的）的简称。一般在压水堆中使用的MOX燃燃料中钚仅占料中钚仅占5%-10%，而在快堆中使用时可达，而在快堆中使用时可达15%-30%，甚至高达，甚至高达45%。MOX燃料的开发不仅可以使钚得到和平利用，燃料的开发不仅可以使钚得到和平利用，也能使核燃料的经济性大大提高，核电成本下降。也能使核燃料的经济性大大提高，核电成本下降。4.5、MOX燃料及其应用燃料及其应用引入钚燃料带来的问题，主要是材料基本物引入钚燃料带来的问题，主要是材料基本物理性质的变化。理性质的变化。钚的加入对燃料元件后处理也会有影响，过钚的加入对燃料元件后处理也会有影响，过多的钚会造成燃料在硝酸中的溶解不完全。多的钚会造成燃料在硝酸中的溶解不完全。另外，在堆内辐照过程中，铀另外，在堆内辐照过程中，铀-235是单纯消是单纯消耗，而钚耗，而钚-239是既有消耗（裂变），又有生产是既有消耗（裂变），又有生产（增殖）的动态过程。（增殖）的动态过程。4.6、核燃料循环核燃料循环核燃料循环从铀的制取开始，制成核燃料循环从铀的制取开始，制成燃料组件，到堆内辐照，乏燃料出堆、燃料组件，到堆内辐照，乏燃料出堆、冷却、储存，再从乏燃料或辐照过的增冷却、储存，再从乏燃料或辐照过的增殖材料中，提取未烧尽的和新生的核燃殖材料中，提取未烧尽的和新生的核燃料，再返回堆内使用，并将乏燃料处理料，再返回堆内使用，并将乏燃料处理过程中产生的剩余废物进行最终处置的过程中产生的剩余废物进行最终处置的整个过程称为核燃料循环。整个过程称为核燃料循环。4.6.1 铀铀-钚循环（闭路循环）钚循环（闭路循环）（1）铀矿的采集和初选）铀矿的采集和初选（2）化学精制）化学精制（3）铀）铀-235富集富集（4）燃料元件制造）燃料元件制造（5）入堆使用和转换）入堆使用和转换（6）乏燃料后处理）乏燃料后处理4.6.2 钍钍-铀循环铀循环 钍本身不是易裂变物质，是可转换物钍本身不是易裂变物质，是可转换物质，在反应堆中经中子辐照可转换成铀质，在反应堆中经中子辐照可转换成铀-233。铀。铀-233是另一种易裂变核素，可作是另一种易裂变核素，可作燃料。因此，钍不能直接用作核燃料，钍燃料。因此，钍不能直接用作核燃料，钍必须与易裂变核素（铀必须与易裂变核素（铀-235或钚或钚-239）合）合用才能实现核燃料的转换。用才能实现核燃料的转换。