核反应堆用硼化物材料研究进展
    

报告内容

一、核反应堆用硼化物研究现状

二、碳化硼材料特性

三、核反应堆对碳化硼性能的要求

四、碳化硼在核反应堆中的应用

高温气冷堆 快中子增殖堆 在乏燃料处理中的应用

五、核反应堆用碳化硼材料展望

一、核反应堆用硼化物研究现状

硼化物材料中子吸收截面高,吸收中子的能量范围宽,且资源丰富、价格低,是核反应堆常用的中子吸收材料,一般以碳化硼或硼钢作为控制材料。

硼-10同位素是高效的热中子吸收剂,是核反应堆安全和控制系统中所不可缺少的控制材料和屏蔽材料。

核反应堆用硼化物材料主要包括:

碳化硼:控制棒、屏蔽棒

硼酸:慢化剂、冷却剂

硼钢:控制棒和核燃料及核废料的存储材料

硼化铕:堆芯可燃毒物材料

硼硅酸盐玻璃:堆芯可燃毒物材料、拉西环

压水堆的主要反应性调节手段是溶解在冷却剂(也即慢化剂)中的硼酸。

硼酸溶液是目前压水堆核电厂广泛采用的化学毒物,它主要用来补偿缓慢变化的反应性,如反应堆从冷态到热态的反应性变化,燃料燃耗和氛中毒引起的反应性变化。

与其他反应性控制方法相比,化学补偿控制的主要优点是硼酸均匀分布在堆芯,不会引起堆芯功率分布畸变,有利于功率均匀分布,从而提高反应堆的安全性。

沸水堆(bwr)控制材料采用粉末b4c,并将其封装在不锈钢包壳中。b4c与不锈钢包壳相容。由于b4c对热中子的自屏蔽作用,外表面出现100%的燃耗,高燃耗区向内部推进。

压水堆(pwr)使用80%ag一15%in一5%cd合金作为控制棒材料,同时使用化学补偿剂进行控制,即向冷却剂中添加硼酸水溶液,改变其浓度从而进行控 制。其主要用于控制比较缓慢的反应性变化。

重水堆也采用b4c粉末控制材料,并使用化学补偿剂。 b4c粉末装入不锈钢管构成圆圈状组件。

气冷堆中使用硼钢及钢制的控制调节棒。高温气冷堆中使用碳(c)与b4c结合制成的圆柱体作为控制棒。

快中子增殖堆(fbr)控制材料用b4c,将b4c烧结芯块装入不锈钢包壳中构成控制棒。硼化铕(eub6)具有优良的快中子吸收性能及辐照性能,可代替b4c作为快堆控制材料。

清华大学核研院精细陶瓷室研制了低温核供热堆和高温气冷实验堆控制棒用碳化硼材料。

清华大学核研院与合作单位共同研制了高温气冷实验堆用碳化硼组件。

清华大学核研院主持制订了用于高温气冷堆的碳化硼材料标准。

中南大学、西安交大、大连金玛、牡丹江金刚钻公司等也开展了核用碳化硼的研究工作。

国际上俄罗斯、法国、美国、日本等国对碳化硼在核领域的应用进行了广泛而深入的研究。

在碳化硼材料的制备工艺、微观结构、密度、晶粒度、气孔尺寸、热性能、力学性能和辐照性能等方面都取得了很大的研究进展。

二、碳化硼材料特性

硬度高:hv=35~45gpa,耐磨性好;

密度低:2.52g/cm3 ,比重轻;

熔点高:2450℃,满足堆芯高温环境要求;

耐腐蚀:能抗有机、无机酸碱和水的腐蚀;

热导率高:10~18w/m·k;

热膨胀系数低:3.4~5.9×10-6/℃;

抗热震性优异;

热稳定性好;

具有高中子吸收能力,中子俘获截面高,吸收能谱宽,没有二次辐射污染;

价格低廉,原料来源广泛。

三、核反应堆对碳化硼性能的要求

碳化硼靠同位素10b吸收中子,10b的热中子截面高达347×10-24cm2,反应堆用碳化硼中10b丰度应大于19%。

10b俘获中子的主反应为:

5b10+0n1→3li7+2he4

氦气会造成芯块肿胀,需通过对材料微观结构的优化设计,降低材料肿胀率。

在高温水环境和液态钠中的抗腐蚀性要好。

核反应堆用碳化硼材料应符合:

gb5151-85:《核级碳化硼芯块技术条件》

gb5152-85:《核级碳化硼粉末技术条件》

碳化硼芯块化学成分

相组成:b4c+b6.5c

碳化硼控制元件材料的微观结构设计:

控制棒材料

球型与颗粒控制元件材料

四、碳化硼在核反应堆中的应用

碳化硼与石墨复合,制备硼碳砖,用于反应堆外周,防止放射性物质外泄。

用于反应堆第二层防护,作反应堆屏蔽材料,吸收放射性物质。

用作反应堆控制棒,控制反应堆反应速度,并以控制棒作为第一停堆系统。

碳化硼吸收小球作为反应堆的第二停堆系统。

乏燃料处理中作为隔离块,避免发生意外临界。

目前运行的反应堆中,约有50%使用了碳化硼作控制和屏蔽材料,堆型涵盖:

压水堆、沸水堆

快中子增殖堆

石墨堆、重水堆

低温核供热堆

高温气冷堆

碳化硼在吸收材料中所占比例:

高温气冷堆中概况

高温气冷堆具有安全性好、发电效率高、小容量模块化建造等特点,属于国际上正在研究开发的第四代先进反应堆。

目前除了中国和日本正在建造高温气冷实验堆之外,德国、美国、英国等国都先后开展了高温气冷堆的研究与建造。

清华大学核研院在高温气冷堆技术方面处于世界领先地位,并获得了2006年度国家科技进步一等奖。

高温气冷堆和大型压水堆被列为国家中长期科技规划16个国家重大专项之一。

清华大学与中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司共同出资设立了华能山东石岛湾核电有限公司,在山东荣成石岛建造200mw高温气冷堆示范电站。

2008年2月国务院正式批准了高温气冷堆核电站重大专项实施方案。

碳化硼在高温气冷堆中的应用

高温气冷堆将使用碳化硼作为控制和屏蔽材料:

高温气冷堆平衡堆芯由球形燃料元件组成,四周由石墨块堆砌而成,石墨起中子反射作用,同时也是堆芯结构材料。

石墨反射层外侧由碳化硼堆砌而成,碳砖中渗有碳化硼中子吸收材料,降低了反应堆压力壳的中子照射 。

高温堆采用控制棒系统进行控制,并作为第一停堆系统,功率运行的反应性控制、冷态到热态的温度效应补偿、氙毒的补偿及冷热态停堆都由控制棒系统来实现。

碳化硼芯块在高温气冷堆中的主要作用是控制反应堆功率及安全。

htr-10共设置了10 套控制棒组件及驱动机构,每根控制棒由5节吸收体组成,总重量为58kg,中子吸收体材料为碳化硼,含硼73%~81%。

10个控制棒孔道位于同一水平圆周上,分布在靠近活性区的侧反射层石墨砌体中。控制棒系统采用链轮链条传动,事故发生时,控制棒依靠重力快速落入堆芯,实现紧急停堆。

b4c芯块主要技术指标:

芯块中同位素10b丰度大于19%

密 度:>1.8g/cm3

硬 度:> 25gpa

芯块尺寸:

高温堆采用硼吸收球停堆系统作为第二停堆系统,在事故情况下,当第一停堆系统出现卡棒等故障时,第二停堆系统采用大量碳化硼小球自由落体进入堆芯反射层孔道以及气力输送回贮球罐的方法,使反应堆停闭,并实现冷停堆。

吸收球第二停堆系统设备主要包括落球驱动机构、贮球罐、诱导式供料器、罗茨风机、承压罐及输球管等几个部分。

吸收球为含25%b4c的石墨球,直径为5mm,密度为1.9g/cm3,7个贮球罐各装载30kg 吸收球,即7×28.7万个,填充率为0.61。

碳化硼在快中子增殖堆中的应用

快中子增殖反应堆是我国中长期科技规划中能源技术领域先进核反应堆发展的又一堆型。

由中国原子能科学研究院负责,建设一座热功率65mw、发电功率20mw的快中子堆。

加浓(10b)碳化硼芯块作为快中子反应堆堆芯控制材料:

用于调节棒和屏蔽棒的吸收体材料;

用于反应堆外部屏蔽材料。

影响快堆用碳化硼芯块寿命的因素:

芯块肿胀:芯块与包套间隙降至0.05mm

氦释放:稳态下包套永久应变达2%

活性耗尽:活性降至90%

影响芯块氦释放和肿胀的因素:

密 度: 密度增加,氦释放率低,肿胀率高

晶粒度:晶粒度大,氦释放率低,肿胀率高

碳硼比:相同燃耗下,碳硼比高,氦释放率高

相同温度下,碳硼比高,肿胀率高

热导率:受孔隙率和晶粒度影响

铁含量:小于15%时,对肿胀率无影响

碳化硼在乏燃料处理中的应用

为了防止乏燃料在储存中发生意外临界,必须在密集储存的乏燃料元件或组件之间填充具有强中子吸收能力的隔离块,碳化硼是制备隔离块的良好材料。

国际上先进的乏燃料储存系统中,采用碳化硼材料作为隔离块,使原来可满足15年储存期的储存池,达到了国际原子能机构推荐的乏燃料临时贮存最少50年设计寿命的要求。

五、核反应堆用碳化硼材料展望

随着世界范围内核能的持续稳定发展,特别是我国核能战略的加快实施,从2005到2015年我国将建造超过30台百万千瓦级的核电机组。核电运行装机容量将从目前的906.8万千瓦提高到 2020年的4000万千瓦 ,核电项目建设投资将超过4500亿人民币。

碳化硼作为屏蔽和控制材料,将会在核反应堆中得到更好的应用,前景广阔,其潜在的经济和社会效益十分巨大。

相关阅读
  • 电火花加工用工具电极材料的研究进
  • 电火花加工用工具电极材料的研究进
  • 超级电容电池用炭类负极材料的研究
  • 核反应堆用铝合金
  • 电子封装材料用环氧树脂增韧研究进
  • 核反应堆慢化材料
  • 超级电容器用炭材料的研究进展
  • 核反应堆材料辐照损伤
  • 核出口管制清单的第二部分 核设备
  • 核反应堆反射材料
  • 超级电容器用活性炭电极材料的研究
  • 核反应堆用高温胶黏剂的制备方法
  • 核反应堆用高温胶黏剂的制备方法
  • LED封装用高分子材料的研究进展
  • 交换弹性磁性材料的研究进展
  • 详述LED封装用高分子材料的研究进
  • 油罐用太阳热反射涂料研究进展
  • 变频电机用耐电晕绝缘材料的应用研
  • 我国模具材料与模具热处理的研究进
  • 微电子封装用各向异性导电胶膜的研
  • 核反应堆压力容器用钢冶炼及热处理
  • 木材工业用快速固化酚醛树脂胶的研
  •  



     
     
         

    收录时间:2014年10月13日 02:57:28 来源:www.cnboron.com 作者:不详
    上一篇:含硼石墨材料中硼含量的测定  (电脑版  手机版)
     
    创建分享人
    bqbq52
    最新问题
     
    喜欢此文章的还喜欢
    Copyright by www.chinabaike.com;All rights reserved. 联系:QQ:469681782