氮化物燃料

氮化物燃料是指(U,Pu)N陶瓷型燃料。氮化物燃料用於快中子增殖堆,具有高密度、高熔點等特點。

氮化物燃料芯塊的製造,氮化物燃料的性質,
氮化物曾經也是快中子增殖堆的候選燃料。早在20世紀60年代就開始在實驗室研製氮化物燃料,經過70年代一段時間的停頓以後,到了80年代中期又恢復了開發氮化物燃料的興趣。90年代以後,美國國家航空和航天局(NASA)在SP-100空間反應堆計畫中,擬採用He結合的UN作為其鋰冷卻快中子堆的核燃料,以滿足小型、緊湊和輕便的幾兆瓦熱功率能源的需要。

氮化物燃料芯塊的製造

碳化物燃料芯塊的製造主要包括制粉、壓制和燒結三步。
1)制粉。在工業上生產UC和MC採用標準的碳熱還原法,在高溫(1600~1930℃)流動N2中完成以下氮化反應:
UO2+2C+(1/2)N2→UN+2CO
MN的製備是將UO2和PuO2粉末與炭黑一起混合、預壓成坯塊,然後在惰性氣體N2+H2氣流中,加熱到1500℃保溫7~8小時,最後在Ar+H2中冷卻至少4小時,製得MN。
2)芯塊製造。在MN粉末中加粘結劑和助燒劑,經均勻混合、制粒後,在170MPa壓力下壓製成形,然後在低溫下用惰性氣體除去粘結劑和潤滑劑,再升溫到1500℃,燒結2~3小時即可。需要時可用無心磨床磨削,經尺寸檢查合格後裝棒。

氮化物燃料的性質

1)晶格缺陷和擴散。UN的化學鍵性質和晶體結構類型都與UC的相類似。該結構中最重要的本徵缺陷是分子空位,其半徑約為0.1746nm;非本徵缺陷主要是碳和氧及裂變產物。他們能否固溶是決定燃料堆內行為的關鍵,這與雜質原子的直徑有關。與碳化物燃料一樣,氣態裂變產物Xe、Kr、Cs都不能進入分子空位,Ba和Sr會形成獨立的固相。
2)力學性質。多晶UN和(U0.85Pu0.15)N的室溫絕熱彈性模量(E)和泊松比(ν)與孔隙度(P)的關係如下表所示。
多晶UN和MN的室溫彈性模量(E)和泊松比(ν)與孔隙度(P)的關係
氮化物
E/GPa
ν
UN
260.4(1-P)
0.2808(1-P)
(U0.85,Pu0.15)N
280(1-2.57P)
0.27
3)氮化物燃料的堆內行為
①輻照腫脹。在溫度≤1000℃時,由固態裂變產物和穩定的及揮發性裂變產物所造成的體積腫脹小於1%/%(原子分數)燃耗。
在1250℃以上,碳化物腫脹見下表。
MN在高溫輻照下的腫脹
溫度/℃
總(Δv/v)%/%(原子分數)燃耗
裂變氣體腫脹
1350
2.0
1.1
1450
2.5
1.6
1550
3.8
2.9
1660
5.5
4.6
②裂變氣體釋放。UN和MN的裂變氣體釋放機理與碳化物燃料相同。在低於1260℃溫度下,低密度(<85%T.D.)和高密度(約95%T.D.)UC的裂變氣體釋放率分別為2.5%~10%和0.1%~0.9%;但在1700℃時達到20%和1%~5%。此外,燃耗也影響釋放率,即使在1250℃左右,當燃耗超過9%(原子分數)時,釋放率明顯增加,到16%(原子分數)燃耗時,釋放率可達到9%。
③氮化物燃料的(n,p)、(n,α)反應。氮化物燃料在中子作用下生成氫氣和氦氣,生成量可占總裂變氣體的5%~11%。
④燃料棒堆內行為。He結合的和帶套管Na結合的燃料棒都未發生破損,只有無套管Na結合的才發生了破損。

相關詞條

熱門詞條

聯絡我們