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【汇旺担保】反应堆材料化学

[拼音]:fanyingdui cailiao huaxue

[英文]:reactor material chemistry

反应堆化学的一个分支。研究反应堆材料(包括核燃料、慢化剂、冷却剂和结构材料等)在反应堆的温度、压力和强辐照条件下的稳定性和相容性等化学问题。

核燃料

铀是主要的核燃料。用作固态燃料的有金属铀、铀合金、二氧化铀和碳化铀。金属铀在空气和水的作用下很容易腐蚀,其腐蚀速率随温度升高而迅速增加;铀合金的抗腐蚀效能比金属铀好;二氧化铀与高温水和水蒸气反应的速率很低,对氢、二氧化碳和氦是惰性的,在600℃下与金属钠的相容性很好;碳化铀的某些物理效能优于二氧化铀,但它容易与水和水蒸气反应。在均匀反应堆中采用液态燃料。硫酸铀醯具有较高的辐照稳定性,它的水溶液是水均匀反应堆的燃料流体;铀233含量为 700~1000ppm的液态铋铀合金是液态金属均匀反应堆的燃料,在腐蚀抑制剂的存在下,液态铋铀合金与含铬碳钢的相容性较好;四氟化铀具有很好的辐照稳定性和热稳定性,它与氟化锂、氟化铍、氟化锆组成的熔盐具有合适的熔点,是熔盐反应堆燃料流体的最佳选择物件。

慢化剂

反应堆中常用的慢化剂有普通水、重水、石墨、金属铍和氧化铍。

普通水只能用在浓缩铀的核燃料系统,重水可以用在天然铀系统。由于水的沸点低,在高温水堆中所需压力就很高。一般情况下石墨是比较惰性的固态慢化剂,不易与其他介质发生化学作用,但在高温下它可与许多元素形成碳化物,尤其是石墨与氧的反应给高温气冷堆采用石墨作慢化剂和结构材料带来一定的困难。石墨的氧化既能造成石墨部件的损坏,又会使碳在热交换回路的冷端沉积,影响传热效率,因此高温气冷堆中,冷却剂氦气中的氧和水蒸气含量必须严格控制。金属铍和氧化铍是良好的慢化剂。金属铍的化学性质比较活泼,室温下就开始与氧反应,但在表面形成致密的氧化膜后氧化反应逐渐减慢;150℃以下铍在纯水中稳定,水温升高则表面生成暗色氧化膜,300℃以上腐蚀速率迅速增高。氧化铍在高温下具有良好的化学稳定性。

结构材料

反应堆的结构材料有铝、镁、锆、钼、不锈钢和镍基合金等。铝在低温水中具有良好的抗均匀腐蚀能力,在水的纯度比较高的低温水堆中,高纯铝可用作元件包壳及结构材料;在较高温度(如150℃)的水中使用时,铝中必须新增合金元素以提高其抗腐蚀能力。镁是活泼金属,但是Magnox合金(镁与铝、铍、钴的合金)具有抗氧化性,在500℃的二氧化碳中很稳定,在二氧化碳气冷堆中用作金属铀的元件包壳材料。锆在水中的腐蚀与水的温度和锆材料中杂质的含量有关,在水温度高于400℃时,腐蚀速率明显加快,锆中少量(约0.01%)的氮会使锆的抗腐蚀效能降低很多;锆合金-2(含少量锡、铬、镍、铁的锆合金)具有良好的抗腐蚀效能,它表面上形成的氧化膜非常稳定,可阻止继续氧化,锆合金-2已普遍在压水和沸水动力堆中用作包壳材料;锆合金-2吸氢后变脆,为减少吸氢量,可增加合金的铁含量,含铁量高的锆合金-4的吸氢量比锆合金-2少1/2~3/4。钼是很有前途的高温结构材料,但是微量杂质的存在会使钼在焊接后变脆,限制了使用。不锈钢是反应堆中使用最广泛的结构材料,与其他材料的相容性较好,在水中可在500℃以下使用,在含氧为10ppm以下的液态钠中可在650℃以下使用,在二氧化碳和氦中可在800℃以下使用。镍基合金的突出优点是耐熔融氟化物的腐蚀,哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(Hastelly-N)可作为熔盐堆的结构材料。

冷却剂

水具有良好的传热和流动性,已广泛用作水冷堆的冷却剂;水的辐射分解与水中存在的杂质含量有关,通常采用离子交换法来纯化,水的电导率应小于1×10-6西/厘米。二氧化碳和氦气是气冷堆的主要冷却剂,二氧化碳在高温下能与石墨反应,它只能在温度较低的气冷堆中使用;氦气的化学惰性很大,并且具有良好的热力学性质和核性质,已在高温气冷堆中使用,但是氦气中的杂质(氧和水蒸气等)会引起石墨和结构材料的腐蚀,因此在反应堆执行中必须不断纯化。液态钠具有极好的传热性,它是快中子堆的冷却剂,但是钠在化学上很活泼,遇水强烈反应,使用中必须考虑安全问题。(见反应堆腐蚀化学)

参考书目

A.K.考夫曼主编,陈林福、韦烽译:《核反应堆燃料元件(冶金与加工)》,原子能出版社,北京,1980。(A.K. Kaufmann, ed., Nuclear Reactor Fuel Elements;Metallurgy and Fabrication, Interscience, New York,1962.)

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