核反應器陶瓷是指以難熔化合物形態使用的陶瓷類核燃料。作為陶瓷體的核燃料化合物主要有三種：氧化物、碳化物和氮化物。其中，以氧化物研究得最多，使用也最廣泛。輕水堆、重水堆，改進型氣冷堆和快堆等均使用燒結的氧化物圓柱形燃料小塊。高溫氣冷堆使用由氧化物或碳化物作成的包覆顆粒燃料在石墨基體中的彌散體，根據所需要的燃料元件的型式，可把彌散體壓制，燒結成圓柱形棒或小球。
基本介紹
- 中文名：核反應器陶瓷
- 外文名：Nuclear reactor ceramic
- 屬性：核反應燃料
- 領域：能源、核反應堆
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概述
核反應器陶瓷是指以難熔化合物形態使用的核燃料。主要分為兩類：由鉑（U）（或鈽）和非金屬元素氧（O）、碳（C）、氮（N）、矽（51）等形成的單一化合物；由鈾與鈽（Pu）（或鈾與釷）的同種化合物組成的互溶物。相對於金屬核燃料，它們的工作溫度高；一般來說，與冷卻劑及包殼材料的相容性好。缺點是密度低、導熱性差、易脆化。二氧化鈾陶瓷核燃料是陶瓷型核燃料中套用最廣、研究最深的一種，被廣泛用於壓水式反應堆和沸水式反應堆。
二氧化鈾
二氧化鈾是一種黑色的固態半導體，其熔點高（2865℃），晶格結構為面心立方，在熔點下無晶型轉變，各向同性，抗輻照穩定性好，且與水和包殼材料的相容性較好。雖然密度和導熱係數低，質地脆硬，易由於大溫度梯度造成的熱應力而開裂，但優良的特性使其被廣泛用於核燃料。需要注意的是，水溶液中二氧化鈾的腐蝕與金屬表面的電化學腐蝕是類似的電化學過程。
氮化鈾
氮化鈾（UN）擁有很高的熔點，常作為NASA製造的核反應堆的核燃料。氮化鈾的導熱係數比二氧化鈾高。但除非氮-15（N）取代了較常見的氮-14（N）被用來製備氮化鈾燃料，否則核燃料中的氮-14元素會與中子反應生成大量的碳-14（C）。由於生產氮-14十分昂貴，所以可能需要通過火法（pyromethod）再加工以使氮-15得到彌補。如果將核燃料在加工後溶解於硝酸中，可將氮-15的同位素分離。
碳化鈾
碳化鈾燃料通常用於液態金屬冷卻堆中，並被封裝在針狀燃料元件里。對它們的研究及套用始於緊張的20世紀60至70年代。然而，最近關於板形碳化鈾燃料的研究也再次成為熱點，尤其是在微型核燃料顆粒（如TRISO顆粒）的研究上。
碳化鈾的高熔點（2450℃）和良好的導熱性特性使其成為了一個很有吸引力的燃料。因為碳化鈾燃料中不含氧元素（在放射過程中，氧氣或其他氣體的釋放會導致堆內產生額外的壓力），並配合陶瓷塗層（在結構和化學性質上有優勢），碳化鈾將成為某些第四代裂變反應堆燃料的理想候選者——例如高溫氣冷堆。
碳化物鈾碳（U一C）二元系中有UC、UC2和U2C33種化合物，其中在熔點以下穩定的只有UC。UC遇水發生分解，在水冷反應堆中一般不用。UC和PuC有相同的晶體結構，可形成連續固溶體（U，Pu）C。其重原子密度高，輕原子數與重原子數比為1，故中子經濟性好，在堆內可轉換出更多的易裂變核素。碳化物的熱導率比氧化物的高5一8倍，在堆內使用時有較平坦的徑向溫度梯度，又可獲得較高的功率密度，對一定的輸出功率，可裝載較少的易裂變核素，所以用（U，Pu）C作快中子增殖堆的燃料可以大大縮短加倍時間。
