介紹
用於核工程(或原子能工程)的各 種材料。核工程包括兩類:
①基於核裂 變反應的反應堆工程和核子彈;
②基於核聚變反應的聚變堆工程和氫彈。
但人們通常說的核材料主要是指用於反應堆的各部分的材料,故又稱反應堆材料。這是因為核反應堆的發展 已較成熟,全世界大約已有上千座反 應堆投入運行,而聚變堆至今仍在研 究階段。反應堆材料包括在中子轟擊 下原子核能發生裂變的核燃料、核燃 料元件的包殼材料、冷卻劑、中子慢化材料(減速劑)、強烈吸收中子的控制 (棒)材料和防止中子泄漏到反應堆外 的反射(層)材料。
反應堆材料
用於建造反應堆的材料,包括核燃料、冷卻劑材料、慢化材料、結構材料、控制材料、禁止材料等,它已形成一個材料體系。反應堆材料除了應具有一般工程材料所具有的性能外,還應有良好的核物理性能,以及能很好地與反應堆環境相容的特性。
對反應堆材料的研究主要著重於其核物理性能、輻照效應、化學相容性等的研究,以及與各種套用有關的性能研究。這種研究大大拓寬了材料科學技術的發展和套用。
冷卻劑材料
用於導出反應堆核心裂變產生熱量的工作介質材料,主要有氣態和液態兩類。常見的液態冷卻劑材料有水、重水以及液態金屬——鈉、鈉鉀合金、鉍、鉛鉍合金等。常見的氣體冷卻劑材料有二氧化碳(CO2)、空氣和氦氣(He)等。(見反應堆冷卻劑材料)
慢化材料
在熱中子反應堆中用於將裂變中子慢化成熱中子的材料,亦稱慢化劑、減速劑(見中子慢化)。常用慢化材料有固態的和液態的兩類。固態慢化材料有石墨、鈹及氧化鈹。常用的液態慢化材料有輕水及重水,此外還有有機慢化材料。對於慢化材料,除了要求其具有優良的核性能外, 還要求其有良好的工程使用性能。(見反應堆慢化劑材料)
結構材料
反應堆結構材料包括堆芯結構材料、燃料(棒)包殼材料以及反應堆壓力容器、驅動機構材料等。選擇商用反應堆結構材料時,應考慮其強度、韌性、耐腐蝕性以及鐵素體鋼抗輻照脆化的性能。核級高韌性低合金鋼、不鏽鋼、基合金等廣泛用作堆芯結構材料和反應堆壓力容器材料。鋯合金廣泛用於燃料(棒) 包殼材料和燃料組件結構材料。
控制材料
用於製造控制反應堆反應性的控制元件的材料,此類材料具有強吸收中子性質。這類材料有鉿、銀-銦-鎘合金、含硼材料和稀土材料中的釤、鉺、銪、釓以及它們的某些氧化物和碳化物。(見反應堆控制材料)
禁止材料
反應堆結構中用於減弱各種射線、避免使工作人員及設備遭受輻照損傷的設施所用的材料, 主要有鉛、鐵、重混凝土、水等材料。
核燃料
是指能產生
裂變或
聚變核反應並釋放出巨大
核能的物質。核燃料可分為裂變燃料和
聚變燃料(或稱熱核燃料)兩大類。裂變燃料主要指易裂變
核素如
鈾235、
鈽239和鈾233等。此外,由於
鈾238和
釷232是能夠轉換成
易裂變核素的重要原料,且其本身在一定條件下也可產生裂變,所以習慣上也稱其為核燃料。聚變燃料包含氫的同位素
氘、
氚,
鋰6和其化合物等。
非核燃料
是指吸收
中子後可發生
鏈式反應的核素或可新生成易裂變核素的
可轉換材料。235U、239pu、233U的中子
誘發裂變的能量閾值為零,它們被稱作易裂變核素,即是能在
熱中子反應堆中使用的核燃料。232Th和238U吸收中子後,可生成新的易裂變材料233U和239pu,232Th和238U被稱為可轉換材料。238U和232Th資源豐富,為核能的利用提供了廣闊的材料來源。核材料均是
放射性核素,使用時必須注意防護。對Pu、233U、濃縮度超過20%的235U實行嚴格控制與管理,防止上述特種核材料被盜,用來非法生產
核武器。
安全保障規程適用於燃料循環的全部環節,包括燃料製造、
發電、燃料後處理、貯存和運輸。核材料必須置於設有多重實體屏障的保護區內,並實行全面管制與統計,防止損失與
擴散。
發展
數據顯示,截至2011年1月,全球運行的核電機組共442個。國際原子能機構預計,到2030年,全球運行核電站將可能在2011年1月的基礎上增加約300座。世界核能協會預計,到2015年,全世界可能平均每5天就會開工一個裝機容量約1000兆瓦的核電站。
截至2010年末,我國核電裝機容量突破1000萬千瓦,達1082萬千瓦,在建規模達26台2914萬千瓦。按照“十二五”開工4000萬千瓦計算,核電建設周期一般為5年,至2020年我國核電在運機組將接近8000萬千瓦。預計2011-2020年核電市場總投資額將達到9800億元,年平均投資額接近1000億元。
此次日本大地震引發的核泄漏無疑將引發國內對於核電安全的擔憂。分析認為,日本核泄漏會增加國內對於核安全的憂慮,以及影響到國家未來的核電規劃,但是“積極發展”的整體核電發展戰略不會發生根本性改變。
2009年,全球已探明鈾礦儲量為630萬噸。全球鈾礦資源主要分布於澳大利亞、哈薩克斯坦、美國、巴西、加拿大、南非等國家,而高品位鈾礦主要在加拿大,目前世界上最大的鈾礦位於加拿大的阿薩巴斯卡盆地。據WNA統計,2009年全球鈾產量為50772噸。
2009年,我國天然鈾產量近1000噸,需天然鈾1600噸左右。2010年,我國需天然鈾1900噸左右。隨著我國核電裝機容量的不斷增加,核電行業對鈾的需求量將會不斷增長,我國鈾市場前景看好。如果2020年我國核電裝機容量為8000萬千瓦,則年需天然鈾14000噸左右。
隨著我國核電裝機容量的逐年增加,一方面帶來鋯材的新增需求,另一方面每年對鋯材的更新需求也不斷增加,核級鋯材的高增長將一直延續到2020年,預計2020年我國鋯材需求量將達到1200噸。
假設2020年前的核能項目中15%採用快堆,按我國試驗快堆的核級鈉用量(65MW用量350噸),國內快中子反應堆將產生近56377噸的核級鈉需求,2011-2020年,平均每年核級鈉需求量為5337.7噸。
國核心電
中國正在加大能源結構調整力度。積極發展
核電、風電、水電等清潔優質能源已刻不容緩。中國能源結構仍以煤炭為主體,清潔優質能源的比重偏低。中國目前建成和在建的核電站總裝機容量為870萬千瓦,預計到2010年中國核電裝機容量約為2000萬千瓦,2020年約為4000萬千瓦。到2050年,根據不同部門的估算,中國核電裝機容量可以分為高中低三種方案:高方案為3.6億千瓦(約占中國電力總裝機容量的30%),中方案為2.4億千瓦(約占中國電力總裝機容量的20%),低方案為1.2億千瓦(約占中國電力總裝機容量的10%)。
中國國家發展改革委員會正在制定中國核電發展民用工業規劃,準備到2020年中國電力總裝機容量預計為9億千瓦時,核電的比重將占電力總容量的4%,即是中國核電在2020年時將為3600-4000萬千瓦。也就是說,到2020年中國將建成40座相當於
大亞灣那樣的百萬千瓦級的核電站。
從核電發展總趨勢來看,中國核電發展的技術路線和戰略路線早已明確並正在執行,當前發展壓水堆,中期發展快中子堆,遠期發展聚變堆。具體地說就是,近期發展熱中子反應堆核電站;為了充分利用鈾資源,採用鈾鈽循環的技術路線,中期發展
快中子增殖反應堆核電站;遠期發展聚變堆核電站,從而基本上“永遠”解決能源需求的矛盾。