核反應堆材料

核反應堆材料，核反應堆內用以產生可控核裂變鏈式反應並保證安全運行的各類材料。除核燃料外，還包括冷卻劑、慢化劑、反射層材料、結構材料、控制材料和禁止材料等。核反應堆材料一般在高溫、腐蝕介質和輻照等特殊條件下工作，因此對它們的物理、化學和力學性能有嚴格要求。

基本介紹

• 中文名：核反應堆材料
• 外文名：nuclear reactor material
• 液態鈉：熔點較低（98℃）
• 熱導率：高

冷卻劑

又稱載熱劑。其作用是將反應堆內因核裂變產生的熱量導出堆外，在均勻堆中還兼作流體燃料的載體。冷卻劑的特點是，具有良好的傳熱性和流動性，高沸點、低熔點、泵送功率低，對熱和輻射有良好的穩定性，在反應堆系統下不產生腐蝕，感生放射性低，中子俘獲截面小。常用的冷卻劑分氣體和液體兩類。氣體冷卻劑有二氧化碳和氦氣。其優點是選擇工作壓強和溫度時，可以完全獨立地進行，因而能實現高溫低壓運行；缺點是泵送功率大。液體冷卻劑有輕水、重水和液態金屬。後者具有熱導率高、蒸氣壓低的特點 。快增殖堆常用液態鈉作冷卻劑，熱導率高，但有一定腐蝕性，能使迴路管道因質量遷移而堵塞。此外，鈉吸收中子後會產生強放射性24Na，而且鈉很活潑，遇水即爆炸，故在設計熱交換器時要特別注意。

慢化劑

用於熱中子反應堆內，使裂變產生的快中子減速為熱中子，從而提高裂變反應的幾率。對慢化劑的要求是對中子有較高的散射截面和低的吸收截面。常用的慢化劑是輕水、重水和石墨。輕水是含氫物質，慢化能力大，價格低廉，但吸收截面較大，對金屬有腐蝕作用，易發生輻射分解。重水的吸收截面小，並可發生（γ，n）反應而為鏈式反應提供中子；缺點是價格昂貴，還要細心防止泄漏損失、污染和與氫化物發生同位素交換。石墨的吸收截面低於重水，但價格便宜，又是耐高溫材料，可用於非氧化氣氛的高溫堆中。此外，還可用碳氫化合物、鈹等作慢化劑材料。鈹的慢化能力比石墨好，用它作慢化劑可縮小堆芯尺寸，但鈹有劇毒、價格昂貴、易產生輻照腫脹，故使用受到限制。

反射層材料

在反應堆活性區周圍用來散射從活性區泄漏出的中子，使其改變方向重新回到活性區。對反射層材料的要求與慢化劑相同，要求其散射截面要大，吸收截面要小。因此，好的慢化劑材料也是好的反射層材料。在快中子堆中，大部分裂變由高能中子引起，反射層材料由高質量數的緻密物質組成，以使被反向散射進堆芯的中子受到最小的慢化。常用的反射層材料有輕水、重水、石墨、鈹、氧化鈹、氧化鋯等。

結構材料

包括燃料包殼、堆芯構件、反應堆容器、熱交換器和主迴路管道等所用的材料。其中對包殼材料的性能要求最嚴。熱中子堆的包殼材料一般使用鋁合金、鎂合金和鋯合金。快中子堆包殼材料範圍比較寬。鋁、鎂合金是較早使用的結構材料，由於其熔點低，只能用於低溫。鋯合金在高溫下強度好，在高溫純水中的耐腐蝕性接近不鏽鋼，而其中子吸收截面卻只有不鏽鋼的1/15，是水冷動力堆中廣泛使用的結構材料。奧氏體不鏽鋼在高溫下的強度和抗腐蝕性能都很好，且價格比較便宜，也用作燃料元件包殼和其他結構材料。低合金鋼和碳鋼普遍用於製作核反應堆壓力容器。此外，可用作結構材料的還有鎳、鈦、鈮、釩等合金。

控制材料

用於製作核反應堆控制棒的材料。控制棒在反應堆中起補償和調節中子反應性以及緊急停堆的作用。控制材料具有吸收截面大、散射截面小等特點。常用的控制材料有硼、鎘、鉿和某些稀土元素及其合金。硼不僅中子吸收截面高，而且吸收中子的能量範圍較寬，一般以碳化硼或硼鋼作為控制材料。鎘的熱中子吸收截面比硼高，但對超熱中子的吸收截面小，一般製成銀銦鎘合金用於水冷堆。鉿不僅對熱中子和超熱中子都有高的吸收截面，而且是長壽命的中子吸收體，特別適用於水冷堆。但鉿稀缺、昂貴，因而使用受到限制。

禁止材料

用於衰減反應堆芯中產生的各種射線的材料。反應堆產生的輻射中，危害最大的是穿透力大的中子和γ射線。禁止材料必須能夠衰減γ射線，並使快中子減速而被吸收。常用的禁止材料由含有重元素（如鉛）、輕元素（如水中的氫）以及中子吸收劑（如硼）的材料組成。加有重晶石或鐵礦石的混凝土也是常用的禁止材料。