反应堆材料辐照损伤概述

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反应堆材料辐照损伤概述(1)

反应堆材料辐照损伤概述

【摘要】随着能源问题日益严峻,发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。当今核电站反应堆的技术已经比较成熟,但仍存在很多难以解决的技术问题。反应堆材料的辐照损伤问题直接关系到反应堆的安全性和经济性。本文对反应堆燃料芯块、包壳、压力容器的辐照损伤机理进行了概述,并提出一些减小辐照效应的措施。

【关键字】辐照损伤燃料芯块包壳压力容器材料

一、引言

随着能源问题日益严峻,发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。当今核电站反应堆的技术已经比较成熟,但仍存在很多难以解决的技术问题。其中,反应堆材料的辐照损伤问题尤为重要。材料的辐照损伤问题与反应堆的安全性和经济性有密切的关系。甚至直接关系到未来反应堆能否安全稳定运行。

关于反应堆的材料辐照损伤问题,主要包括三个方面:燃料芯块的辐照损伤,包壳的辐照损伤,压力容器的辐照损伤。深入认识和了解这三方面的问题,并讨论有关缓解措施具有极大地研究价值。

二、水冷堆燃料芯块的辐照损伤

1.燃料芯块的结构与辐照损伤

水冷堆燃料芯块为实心圆柱体,由低富集度UO2粉末经混合、压制、烧结、磨削等工序制成。为了减小轴向膨胀和PCI(芯块-包壳相互作用),芯块两端做成浅碟形并倒角。芯块制造工艺必须稳定,以保证成品芯块的化学成分、密度、尺寸、热稳定性及显微组织等满足要求。

燃料芯块中的铀在辐照过程中会发生肿胀,造成尺寸的定性和导热性能的下降。随着燃耗的增加,铀的力学性能和物理性能将发生变化,铀将变得更硬、更脆,热导率减小,燃料包壳的腐蚀作用也在加剧。对燃料芯块辐照损伤的认识和研究,一方面有助于了解在役燃料元件的运行状态和使用寿命,及时地发现并解决问题;另一方面根据辐照特性,可以采取适当的措施增强燃料元件的性能,进一步提高核电的经济效益。

2.辐照条件下燃料芯块微观结构的演化

燃料芯块在辐照过程中,辐射与物质相互作用的方式可以分为原子过程和电子过程两大类。原子过程主要产生位移效应,位移效应的主要产物是间隙-空位对。而电子过程主要产生电离效应,其主要产物是电子-离子对。

燃料芯块在辐照过程中,将产生能量很高的裂变碎片,造成严重的辐照损伤,并伴有大量的原子重新分布,尤其是裂变产物中的氙和氪,产额高,又不溶于固体,在辐照缺陷的协同作用下形成气泡,造成肿胀。另外,固体裂变产物具有很强侵蚀作用,将使芯块发生应力腐蚀而开裂。

3.燃料芯块辐照损伤机理和宏观性能变化

(1)辐照肿胀

辐照会引起体膨胀,称辐照肿胀。燃料芯块中所使用的重要金属铀,其单晶体会显示出特殊的辐照生长现象。在辐照过程中,铀的晶体线度发生异常变化。引起燃料辐照肿胀的根本原因是裂变产物的积累。发生肿胀一方面是由于铀原子的固体裂变产物以金属、氧化物、盐类等形态与燃料相形成固溶体或作为夹杂物存在于燃料相中,裂变产物的总体积超过了裂变前裂变原子所占的体积(一般在2-3%),另一方面是由于在金属中形成了大量的裂变气泡

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