【原创】哪些陶瓷在核反应堆中起到了“镇妖剑”的作用


来源:中国粉体网   山川

[导读]  随着核工业的发展,对其需要的材料提出了更高的要求。在应用于核工业的各类新兴材料中,陶瓷及复合材料不断地受到重视。

中国粉体网讯  自从1942年第一座核反应堆在美国建立,核工业已经发展了将近八十年。作为一把双刃剑,核能的发展为社会进步做出了非常大的贡献,但也发生了多次核泄漏事件,得到的教训异常惨痛。因此,随着核工业的发展,对其需要的材料提出了更高的要求。在应用于核工业的各类新兴材料中,陶瓷及复合材料不断地受到重视,现在已广泛的应用于核反应堆燃料、组件以及核废料处理等各个方面。可以说,陶瓷材料在避免核灾难发生中起到了“镇妖剑” 的作用。


(2011年3月11日,日本东北外海发生9级大地震,福岛第一核电厂无法正常运作,导致炉心熔毁,泄漏放射性物质。)


由于目前核工业的发展重心从核武器转移到了裂变核反应堆,现在各国又开始共同研究聚变核反应堆。今天我们主要阐述陶瓷材料在生产型核反应堆中的应用。


陶瓷型核燃料


裂变反应堆的燃料可以分为金属型燃料元件、弥散型燃料元件和陶瓷型燃料元件三种,其中陶瓷型燃料元件即各种类型的陶瓷芯块或球体,主要化学成分为二氧化铀。


由于不同反应堆对燃料性能有不同的要求,因此会衍生出不同化学成分、不同规格的陶瓷型燃料元件,现在各反应堆主要使用的有无其它添加成分的UO2陶瓷芯块,添加了其他放射型金属氧化物的MOX燃料芯块,以及包覆型燃料颗粒。


UO2陶瓷芯块


UO2陶瓷芯块主要应用于轻水堆与重水堆中,对于芯块的性能,我国制定了相应的国家标准GB/T10266-2008,对其在化学要求、核要求等方面作了详尽的规定。


相比于低富集UO2陶瓷芯块,天然UO2陶瓷芯块后备反应性小。因此,对原料粉末要求更高。总体来说,芯块呈圆柱体,两端有蝶形凹陷,端部设计了倒角。


两种芯块的制造流程与一般的陶瓷生产工艺流程基本一致,主要分为混合、干压制粒、冷压成型、烧结、磨削五大步。大多数芯块都采用UO2粉末压制成型,在1750℃高温下经数小时烧结而成。


烧结时需要控制烧结温度、烧结时间与生坯密度,从而控制烧结密度。而改变烧结气氛可以制出大晶粒芯块,比如日本采用氧化还原和添加Al2O3-SiO2的液相燃烧技术来制造大晶粒芯块。


(图片来源:中国核工业集团有限公司)


MOX燃料芯块


MOX燃料芯块主要用于快中子堆,但随着20世纪80年代中期以来快堆计划的推迟,轻水堆与重水堆使用MOX燃料芯块的研究也已经展开,其中某些轻水堆已经开始在堆料中配上一定数量的MOX燃料芯块。芯块的主要成分为二氧化铀与二氧化钚。


传统的MOX芯块制造包括球磨、制粒、压制成型和烧结四道工序,具体流程有共研磨法和AUPuC法工艺流程、MIMAS工艺流程和SBR工艺流程。


制备中使用的粉末参见标准NFM60-416-2000。标准球磨工艺分两类,一类是先混合UO2和PuO2粉末再碎化,另一类是先碎化PuO2粉末再混入活化UO2粉末。


压制工艺目前多使用液压式压机,加压方法用双向加压对生坯质量有利,成型的生坯密度为5~6g/cm3


MOX芯块的烧结是在约1700℃的还原性气氛中进行,保温时间2-3小时。此外,比利格核股份有限公司研发了制造无污染MOX燃料棒的方法,并已对这一方法在国际上申请了专利(G21C21/02(2006.01)I)。


包覆型燃料颗粒


包覆型燃料指在燃料颗粒外层涂上特殊的涂层,用来约束裂变材料,阻挡裂变产物释放,目前应用于高温气冷堆。


目前最先进的包覆型燃料颗粒为TRISO颗粒,这种颗粒的核芯一般为富集UO2,核芯外有四层包覆层,从内到外分别为疏松的热解碳层、各向同性的热解碳层、碳化硅层以及最外的各向同性热解碳层。


吸收棒吸收体


为了裂变反应的速率在一个预定的水平上,需用控制棒和安全棒(总称为吸收棒)对反应速率进行调节,其中控制棒用来补偿燃料消耗和调节反应速率,安全棒则用来快速停止反应。现行吸收棒内广泛应用于轻水堆、重水堆、高温气冷堆与快中子堆之中,使用的吸收体主要为碳化硼粉末或是碳化硼芯块。


核反应堆慢化剂


核裂变堆中的裂变反应是由中子轰击235U引起的。在轻水堆、重水堆和高温气冷堆中,相比中子裂变产生的快速中子,慢速中子更易引发235U裂变。


因此,这些堆中需要能使中子速度减慢的材料,即为慢化剂。目前国际上通用的慢化剂包括水、石墨、铍、氧化铍等,其中作为陶瓷材料的氧化铍被考虑作为未来的一种慢化剂。


氧化铍是一种难熔材料,十分稳定致密。它的高温蒸气压和蒸发速度低,在惰性气氛中即使温度达到2000℃也可长期使用,但由于氧化铍会与水蒸气反应生成氢氧化铍,因此在氧化气氛中温度达到1800℃明显挥发,水蒸气中温度达到1500℃即大量挥发。


BeO陶瓷芯块的主要性能与理论有所差别。值得注意的是,随着温度增加,BeO比热容急剧升高,热导率则急剧下降,热膨胀系数则稍有提高。


机械强度方面,BeO约为Al2O3的1/4,但高温强度良好。此外,BeO核性能良好,对中子减速能力强,对X射线则有很高的穿透力,在高温下BeO仅与碳、硅和硼发生很弱的反应。


BeO陶瓷可通过常规成型与烧结方法,包括干压烧结与热压烧结。核级氧化铍粉末的技术要求参见ASTMC708-08。标准干压、烧结时压力为100MPa,压坯在1800℃烧结10分钟,高纯BeO如果仔细控制加压加热条件可生产出高密度制品。


核反应堆氧传感器用ZrO2陶瓷


目前加速器驱动次临界系统(ADS)被认为是一种较为理想的核废料嬗变处理装置。在以铅铋合金(LBE)为散裂靶或冷却剂的ADS系统中,液态铅铋合金中氧含量的控制与测量对ADS系统的稳定、安全运行有着重要意义,因此需将氧含量控制在合理范围内。


氧浓度的控制水平取决于氧传感器对液态铅铋合金中溶解氧的测量水平,因此氧传感器的研制成为近十几年来的研究热点之一。


由于ZrO2固体电解质氧传感器具有测量精度高、范围广以及可直接以电压(或电流)形式输出等特点,因此成为氧传感器关注的重点。


参考来源:

[1]崔冰.核反应堆氧传感器用ZrO2陶瓷连接技术研究进展

[2]施涵.裂变核反应堆中的陶瓷材料应用概述


(中国粉体网编辑整理/山川)

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