類型

簡介

包含易裂變核素、在核反應(yīng)堆內(nèi)可以實現(xiàn)自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的材料。核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)使用時，應(yīng)滿足以下的要求:

①與包殼材料相容，與冷卻劑無強烈的化學(xué)作用;

②具有較高的熔點和熱導(dǎo)率;

③輻照穩(wěn)定性好;

④制造容易，再處理簡單。根據(jù)不同的堆型，可以選用不同類型的核燃料:金屬(包括合金)燃料，陶瓷燃料，彌散體燃料和流體(液態(tài))燃料等。

核燃料分類表 燃料形式
形態(tài)
材料
適用堆型
固體燃料
金屬
U
石墨慢化堆
合金
U-Al
快堆
U-Mo
快堆
U-ZrH
脈沖堆
陶瓷
U3Si
重水堆
(U,Pu)O2
快堆
(U,Pu)C
快堆
(U,Pu)N
快堆
UO2
輕水堆、重水堆
彌散體
金屬-金屬
UAl4-Al
重水堆
陶瓷-金屬
UO2-Al
重水堆
陶瓷-陶瓷
(U,Th)O2-(熱解石墨, SiC)-石墨
高溫氣冷堆
液體燃料
水溶液
(UO2)SO4-H2O
沸水堆
懸濁液
U3O8-H2O
水均勻堆
液態(tài)金屬
U-Bi

熔鹽
UF4-LiF-BeF2-ZrF4
熔鹽堆
收起
金屬燃料

鈾是普遍使用的核燃料。天然鈾中只含0.7%的U235，其余為U238。天然鈾的這個濃度正好能使核反應(yīng)堆實現(xiàn)自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，因而成為最早的核燃料，功率密度,一般要用U含量大于0.7%的濃縮鈾。這可以通過氣體擴散法或離心法來獲得。

金屬鈾在堆內(nèi)使用的主要缺點為:有同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變;熔點低;存在尺寸不穩(wěn)定性;最常見的是核裂變產(chǎn)物使其體積膨脹(稱為腫脹);加工時形成的織構(gòu)使鈾棒在輻照時沿軸向伸長(稱為輻照生長)，雖然不伴隨體積變化，但伸長量有時可達原長的4倍。此外,輻照還使金屬鈾的蠕變速度增加(50~ 100倍)。這些問題通過鈾的合金化雖有所改善,但遠不如采用UO2陶瓷燃料為佳。

钚(Pu)是人工易裂變材料，臨界質(zhì)量比鈾小，在有水的情況下,650克的钚即可發(fā)生臨界事故。钚的熔點很低(640℃)，一般都以氧化物與UO2混合使用。钚與U組合可以實現(xiàn)快中子增殖，因而使钚成為著重研究的核燃料。

釷吸收中子后可以轉(zhuǎn)換為易裂變的U，它在地殼中的儲量很豐富，所能提供的能量大約相當(dāng)于鈾、煤和石油全部儲量的總和。釷的熔點較高，直至1400℃才發(fā)生相變，且相變前后均為各向同性結(jié)構(gòu)，所以輻照穩(wěn)定性較好，這是它優(yōu)于鈾、钚之處。釷在使用中的主要限制為輻照下蠕變強度很低。一般以氧化物或碳化物的形式使用。在熱中子反應(yīng)堆中利用U-Th循環(huán)可得到接近于1的轉(zhuǎn)換比,從而實現(xiàn)"近似增殖"。但這種循環(huán)比較復(fù)雜，后處理也比較困難，因此尚未獲得廣泛應(yīng)用。

陶瓷燃料

包括鈾、钚等的氧化物、碳化物和氮化物，其中UO2是最常用的陶瓷燃料。UO2的熔點很高(2865℃)，高溫穩(wěn)定性好。輻照時UO2燃料芯塊內(nèi)可保留大量裂變氣體，所以燃耗(指燃耗份額，即消耗的易裂變核素的量占初始裝載量的百分比值)達10%也無明顯的尺寸變化。它與包殼材料鋯或不銹鋼之間的相容性很好，與水也幾乎沒有化學(xué)反應(yīng)，因此普遍用于輕水堆中。但是UO2的熱導(dǎo)率較低，核燃料的密度低，限制了反應(yīng)堆參數(shù)進一步提高。在這方面，碳化鈾(UC)則具有明顯的優(yōu)越性。UC的熱導(dǎo)率比UO2高幾倍，單位體積內(nèi)的含鈾量也高得多。它的主要缺點是會與水發(fā)生反應(yīng)，一般用于高溫氣冷堆。

彌散體燃料

這種材料是將核燃料彌散地分布在非裂變材料中。在實際應(yīng)用中，廣泛采用由陶瓷燃料顆粒和金屬基體組成的彌散體系。這樣可以把陶瓷的高熔點和輻照穩(wěn)定性與金屬的較好的強度、塑性和熱導(dǎo)率結(jié)合起來。細小的陶瓷燃料顆粒減輕了溫差造成的熱應(yīng)力，連續(xù)的金屬基體又大大減少了裂變產(chǎn)物的外泄。由裂變碎片所引起的輻照損傷基本上集中在燃料顆粒內(nèi)，而基體主要是處在中子的作用下，所受損傷相對較輕，從而可達到很深的燃耗。這種燃料在研究堆中獲得廣泛應(yīng)用。除陶瓷燃料顆粒外，由鈾、鋁的金屬間化合物和鋁合金(或鋁粉)所組成的體系，效果也較好。在彌散體燃料中由于基體對中子的吸收和對燃料相的稀釋，必須使用濃縮鈾。

包覆顆粒燃料也是一種彌散體系。在高溫氣冷堆中，采用鈾、釷的氧化物或碳化物作為核燃料，并把它彌散在石墨中。由于石墨基體不夠致密，因而要在燃料顆粒外面包上耐高溫的、堅固而氣密性好的多層外殼，以防止裂變產(chǎn)物的外泄和燃料顆粒的膨脹。外殼是由不同密度的熱解碳和碳化硅(SiC)組成的,其總厚度應(yīng)大于反沖原子的自由程，一般在100~300微米之間。整個燃料顆粒的直徑為1毫米。使用包覆顆粒燃料不僅可達到很深的燃耗，而且大大提高了反應(yīng)堆的工作溫度，是一種很有前途的核燃料類型。

以上幾種類型的核燃料都用于非均勻堆。根據(jù)設(shè)計要求，可制成帶有包殼的、不同形狀的燃料元件流體燃料

在均勻堆中，核燃料懸浮或溶解于水、液態(tài)金屬或熔鹽中，從而成為流體燃料(液態(tài)燃料)。流體燃料從根本上消除了因輻照造成的尺寸不穩(wěn)定性，也不會因溫度梯度而產(chǎn)生熱應(yīng)力，可以達到很深的燃耗。同時，核燃料的制備和后處理也都大大簡化，并且還提供了連續(xù)加料和處理的可能性。流體燃料與冷卻劑或慢化劑直接接觸，所以對放射性安全提出較嚴(yán)的要求，且腐蝕和質(zhì)量遷移也往往是一個嚴(yán)重問題。這種核燃料尚處于實驗階段(見錒系金屬)。