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第1章　概述 1

1.1　核燃料分类 1

1.1.1　裂变核燃料 1

1.1.2 聚变核燃料 2

1.1.3　可转换核素·增殖材料·再生燃料 3

1.2　核燃料资源 4

1.2.1　铀 4

1.2.2　钚 4

1.2.3　钍 5

1.2.4　氘 5

1.2.5　氚和锂 5

1.3　裂变核燃料的临界质量和临界体积 6

1.4　核燃料的入堆形式 8

1.4.1　裂变核燃料的入堆形式与核燃料元件 8

1.4.2　聚变核燃料的入堆方式和燃料单元 12

1.5　裂变核燃料的富集度·浓缩铀 12

1.6　裂变核燃料材料的类型和化学成分 13

1.6.1　金属型燃料 13

1.6.2　弥散型燃料 14

1.6.3　陶瓷型燃料 15

1.7　核燃料的增殖 16

1.7.1　裂变核燃料的增殖 16

1.7.2　聚变核燃料氚的增殖 18

1.8　核燃料循环 19

1.8.1　裂变核燃料循环 19

1.8.2　聚变核燃料循环 21

1.9　核燃料的危害与安全操作 21

1.9.1 铀、钚、钍的化学毒性及防护 21

1.9.2　核燃料的辐射危害与防护 22

1.9.3　裂变核燃料的临界安全 27

1.9.4　火灾预防 28

参考文献 29

第2章　铀 30

2.1　铀矿的开采、选矿和铀的提取 30

2.1.1　铀矿的开采 30

2.1.2　铀矿石的选矿 31

2.1.3　铀的提取 31

2.2　铀同位素的分离 35

2.2.1　铀同位素分离的意义 35

2.2.2　铀同位素分离的方法 35

2.2.3　铀同位素分离的原料 39

2.3　铀及其合金的获得 41

2.3.1　金属铀的制取 41

2.3.2　复合热还原制备铀合金 45

2.3.3　铀及铀合金的精炼 46

2.4　铀的基本特性 49

2.4.1　铀的晶体结构和物理性能 49

2.4.2　铀的化学性质 57

2.4.3　铀的核性质 64

2.4.4　铀的金相组织 72

2.4.5　铀的力学性能 76

2.4.6　铀的塑性变形 81

2.4.7　铀的热处理 85

2.4.8　铀的腐蚀 92

2.5　铀合金 96

2.5.1　铀-钼系合金 96

2.5.2　铀-铬系合金 103

2.5.3　铀-铝系合金 107

2.5.4　铀-锆系合金 110

2.5.5　铀-铌系合金 113

2.5.6　铀-硅系合金 114

2.5.7　铀-钛系合金 116

2.5.8　多元铀合金系 121

2.6　铀及其合金的压力加工 126

2.6.1　铀的压力加工 126

2.6.2　铀合金的压力加工 132

2.6.3　铀及其合金的加工织构 134

2.7　铀及铀合金的辐照行为 135

2.7.1　铀在辐照作用下的生长和皱折现象 135

2.7.2　肿胀 138

2.7.3　铀在辐照作用下物理及力学性能的变化 138

2.7.4　辐照对铀的显微组织的影响 140

2.7.5　铀合金的辐照行为 140

参考文献 141

第3章　钚及钚-镓合金 143

3.1 引言 143

3.2　钚在核武器中的应用 144

3.3　钚的研制和生产概述 146

3.3.1　钚的发现 146

3.3.2　曼哈顿工程的建立 147

3.3.3　钚生产的4个发展阶段 147

3.4　钚的特性 149

3.4.1　辐射特性 150

3.4.2　临界性 152

3.4.3　放射性 152

3.4.4 自燃性 153

3.4.5　化学活性 154

3.5　钚的物理性质 155

3.5.1 晶体结构 155

3.5.2　密度 157

3.5.3　热膨胀系数 157

3.5.4　热容（比热容） 157

3.5.5　热导率 158

3.5.6　其他热物理性质 159

3.5.7　热电势 159

3.5.8　电阻和磁化率 159

3.5.9　静压力学性质 161

3.6　钚的相变 164

3.6.1　β→α和α→β相变动力学 164

3.6.2　α→β相变循环对物理损伤的影响 165

3.6.3　高压下制取无物理损伤的α-Pu金属 165

3.7　钚的自辐照效应 166

3.7.1 自辐照效应的图示描述 166

3.7.2　晶格损伤和氦泡 167

3.7.3　空位和氦泡的观察 167

3.7.4　辐照损伤的室温修复和加速损伤研究 168

3.8　δ相钚-镓（或铝）合金 169

3.8.1　Pu-Ga合金特征 169

3.8.2　美国和俄罗斯Pu-Ga相图的差异 171

3.8.3　α-Pu和δ-Pu合金的性能差别 172

3.8.4　温度和压力对δ-Pu合金引起的相变 173

3.9　钚及钚合金的力学性能 174

3.9.1　钚的力学性能 174

3.9.2　δ相Pu-Ga合金的力学性能 180

3.9.3　Pu-Ce-Ga、Pu-Zn-Ga和Pu-Al-Ga三元δ-Pu合金的性能 184

3.10　钚及钚合金的精炼、熔铸和热处理 188

3.10.1　精炼 188

3.10.2　Pu-Ga合金的配制 189

3.10.3　铸造 190

3.10.4　热处理 195

3.11　成形加工 200

3.11.1　模压 200

3.11.2　挤压 200

3.11.3　轧制 201

3.11.4 焊接 201

3.12　切削加工 202

3.12.1　刀具材料、刀具设计和切削速度 202

3.12.2　冷却剂和润滑剂 203

3.12.3　加工气氛和防止切屑燃烧 203

3.12.4　防止腐蚀和氧化 203

3.12.5　温度的控制 203

3.13　钚安全防护的基本知识 204

3.13.1　临界危险的预防措施 204

3.13.2　放射性的预防 204

3.13.3　预防和扑灭钚着火 204

参考文献 205

第4章　钍及钍合金 208

4.1 引言 208

4.2　物理性质 209

4.2.1　晶体结构、熔点和相变温度 210

4.2.2　密度和弹性常数 211

4.2.3　电阻率 212

4.2.4　超导性 213

4.2.5　温差电势率 213

4.2.6　热导率 213

4.2.7　热膨胀系数 214

4.2.8　电子比热系数和功函数 214

4.2.9　定压质量比热容 215

4.2.10　磁化率 216

4.2.11　霍耳效应 216

4.2.12　热辐射系数 216

4.2.13　状态方程 216

4.2.14　钍内的扩散 217

4.3　钍及钍合金的力学性能 220

4.3.1　钍的屈服强度 221

4.3.2　拉伸强度（σb）与屈服强度（σ0.2）的关系 224

4.3.3　塑性 224

4.3.4　压缩 225

4.3.5　应变硬化 226

4.3.6　硬度 227

4.3.7　冲击能 228

4.3.8　疲劳 228

4.3.9　辐照效应 228

4.3.10　钍合金 231

4.4　钍的熔炼和精炼 236

4.4.1　熔炼和铸造 236

4.4.2　精炼（纯化） 237

4.5　退火和成形加工 239

4.5.1　退火处理 239

4.5.2　加工和成形 241

参考文献 244

第5章　弥散燃料 246

5.1　概述 246

5.2　燃料化合物的组成相及获得途径 247

5.2.1　铀铝化合物 247

5.2.2　铀氧化合物 248

5.2.3　铀硅化合物 257

5.2.4　U-ZrHx燃料制备 261

5.2.5　铀钼燃料制备 270

5.3　燃料芯体的制造 272

5.3.1　铀铝化合物型芯体 272

5.3.2　铀氧化合物型芯体 274

5.3.3　铀硅化合物型芯体 276

5.3.4　铀氢锆型芯体 277

5.4　燃料芯体的物理性能 277

5.4.1　燃料芯体的孔隙率 277

5.4.2　燃料芯体的密度和组成物的体积比 279

5.4.3　燃料芯体中含铀密度 280

5.5　燃料芯体的热性能 281

5.5.1　热导率 281

5.5.2 比热容 283

5.5.3　热膨胀系数 285

5.6　力学性能 286

5.7　化学性能 290

5.7.1　燃料与铝之间的反应 290

5.7.2　燃料和水、燃料和蒸汽的反应 295

5.8　辐照引起的肿胀 298

5.8.1　铝-铀合金辐照肿胀 300

5.8.2　铀-锆合金辐照肿胀 303

5.8.3　U3Si和U3Si2弥散型芯体 304

5.8.4　U3O8和UO2弥散型芯体 307

5.9　起泡试验 313

5.9.1　起泡的阈值温度 313

5.9.2　裂变产物释放 313

参考文献 314

第6章　陶瓷核燃料 316

6.1　氧化物燃料 317

6.1.1　铀氧化物的物理性能 318

6.1.2　二氧化铀的力学性能 332

6.1.3 二氧化铀的辐照肿胀和裂变气体释放 340

6.1.4　二氧化铀芯块的化学性能 353

6.1.5　铀矿的开采与浓缩 360

6.1.6　UO2粉末的制造 366

6.1.7　UO2芯块的制造 374

6.1.8　可燃毒物UO2芯块的制造 377

6.1.9　混合氧化物燃料（MOx）芯块的制造 380

6.2　非氧化物陶瓷燃料 383

6.2.1　碳化物、氮化物陶瓷燃料的物理-化学性能 383

6.2.2　制备碳化物、氮化物的主要方法 389

6.2.3　碳化物、氮化物的烧结 392

参考文献 393

第7章　氘氚和氘氚化锂 397

7.1　氘和氚的物理性质 397

7.1.1　一般物理性质 397

7.1.2　氚的放射性 399

7.1.3　氢同位素的聚变反应 399

7.1.4　氢同位素和水的交换反应 399

7.2　氢同位素在金属中的溶解、扩散和渗透 400

7.2.1　氘氚在金属中的溶解 401

7.2.2　氢同位素在金属中的扩散和渗透 402

7.3　氢同位素的净化 405

7.3.1　金属钯管渗透 405

7.3.2　铀床净化 406

7.4　氢同位素的分离 407

7.4.1　色谱法分离氢同位素 407

7.4.2　热循环吸附法分离氢同位素 409

7.4.3　热扩散法 411

7.4.4　钯合金膜氢同位素分离技术 411

7.4.5　低温蒸馏法 413

7.5　氢同位素的储存和增压 413

7.5.1　铀床及铀锆床 414

7.5.2　锆-钴合金化学床 415

7.5.3　金属氢化物床的增压技术 416

7.6　氕氘氚混合气体中的同位素交换 420

7.7 氚在不锈钢中存在的形式——固溶氚和气态氚 424

7.8 自辐射显影技术显示氚在钢中的偏聚 425

7.9　氚及其衰变的氦3对不锈钢力学性能的影响 430

7.9.1　氦3含量对不锈钢力学性能的影响 430

7.9.2　氦3在不锈钢中的分布 432

7.9.3　含氦不锈钢的焊接 433

7.10　阻氚渗材料 434

7.10.1　不锈钢表面原位氧化生成阻氚层 434

7.10.2　用硝酸氧化不锈钢生成阻氚膜 435

7.10.3　不锈钢表面渗铝阻氚层 436

7.10.4　碳化钛和氮化钛阻氚层 438

7.11　氘的生产 440

7.11.1　蒸馏方法 441

7.11.2　电解水生产氘 442

7.11.3　蒸汽-氢双温交换反应方法 442

7.11.4　水-硫化氢双温交换方法 443

7.11.5　蒸馏液氢制取氘 443

7.12　氚的生产 444

7.12.1　裂变堆生产氚 445

7.12.2　聚变堆的氚增殖材料 446

7.12.3 从重水反应堆的慢化剂中回收氚……451.7.12.4　用加速器生产氚 452

7.13　氘氚化锂的物理性质 452

7.13.1　晶型、密度和热膨胀 453

7.13.2　热学性质 454

7.13.3　氢化锂的力学性质 455

7.13.4　锂-氢化锂相图及氢化锂的压力-组分等温线 456

7.14　氘氚化锂的辐照效应 457

7.14.1　γ射线外辐射引起的LiH辐照效应 457

7.14.2　氚化锂的肿胀和放气 459

7.15　氘氚化锂的生产 463

7.15.1　粉末氘氚化锂生产 463

7.15.2　氘氚化锂试样的成形 465

7.16　氚的安全与防护 466

7.16.1　氚对人体的危害 466

7.16.2　氚的监测 467

7.16.3　含氚废料的处理 468

参考文献 469

第8章　包覆颗粒燃料 473

8.1　高温气冷堆 473

8.1.1 高温气冷堆的基本概念及类型 473

8.1.2　高温气冷堆发展历史 473

8.1.3　模块式高温气冷堆的优点 477

8.2 高温气冷堆燃料元件概述 478

8.2.1　高温气冷堆燃料元件类型及发展概况 478

8.2.2　包覆燃料颗粒类型及发展概况 482

8.2.3　燃料核芯类型及发展概况 484

8.3 高温气冷堆燃料元件设计 485

8.3.1　设计任务 485

8.3.2　设计准则 485

8.3.3　设计参数 488

8.3.4　包覆燃料颗粒包覆层设计参数 489

8.3.5　燃料元件设计参数 492

8.4　包覆颗粒燃料制造 494

8.4.1　概述 494

8.4.2　燃料核芯的制造 494

8.4.3　包覆燃料颗粒的制造 497

8.4.4　球形燃料元件的制造 501

8.4.5　棱柱形元件的制造 504

8.5　性能检验 506

8.5.1　燃料元件质量控制 506

8.5.2　主要性能检验方法 507

8.6 高温气冷堆燃料元件辐照试验 509

8.6.1　辐照引起高温气冷堆燃料元件的性能变化 510

8.6.2 高温气冷堆燃料元件辐照试验目的及其试验步骤 511

8.6.3　堆内辐照试验 514

8.6.4　辐照后检验技术 518

参考文献 521