核材料与应用PDF电子书下载

第1章 核能利用与核材料 1

1.1 核电发展概况 1

1.1.1 天然的核反应堆 1

1.1.2 核电厂的原理及优势 2

1.1.3 核电厂系统组成 3

1.1.4 核电厂主要反应堆类型 6

1.1.5 世界核电发展历史和现状 13

1.1.6 中国核电发展后来居上 17

1.2 核反应堆部件的功能和工件环境 21

1.2.1 核燃料元件 22

1.2.2 慢化剂 23

1.2.3 冷却剂 23

1.2.4 堆内构件 23

1.2.5 控制棒组件 24

1.2.6 反射层 24

1.2.7 反应堆容器 24

1.2.8 安全壳 25

1.2.9 屏蔽层 25

1.2.10 回路管道 25

1.2.11 主泵 25

1.2.12 蒸汽发生器 26

1.2.13 稳压器 26

1.3 对核反应堆材料的要求 26

1.3.1 低中子俘获截面 27

1.3.2 辐照稳定性 28

1.3.3 耐蚀性 28

1.3.4 相容性 28

1.4 核电厂材料的分类 29

1.4.1 常规岛用材料 29

1.4.2 反应堆核岛用材料 29

1.5 利用材料科学与工程四要素分析核材料 30

1.5.1 材料科学与工程四要素 30

1.5.2 各类核反应堆电厂的结构部件及所用材料 31

1.5.3 压水堆核电厂结构及所用材料 33

复习题及习题 35

第2章 核燃料 37

2.1 核燃料概述 37

2.1.1 核燃料的分类 37

2.1.2 核燃料资源 39

2.1.3 裂变核燃料的临界质量和临界体积 40

2.1.4 核燃料的入堆形式 41

2.1.5 裂变核燃料的富集度·浓缩铀 43

2.1.6 裂变核燃料材料的类型和化学成分 44

2.1.7 核燃料的增殖 46

2.2 金属型燃料 47

2.2.1 铀和铀合金 48

2.2.2 铀-钚-锆合金 50

2.3 二氧化铀燃料的制造 55

2.3.1 二氧化铀作为核燃料的优势 55

2.3.2 二氧化铀燃料芯块的生产流程 55

2.3.3 对UF6原料和二氧化铀粉末产品的初步了解 56

2.3.4 二氧化铀粉末的生产 58

2.3.5 二氧化铀芯块的生产 62

2.3.6 压水堆燃料元件（棒）制造 64

2.3.7 燃料组件 64

2.4 二氧化铀的基本性质 65

2.4.1 铀-氧系相图 65

2.4.2 物理性质 65

2.4.3 热物理性质 67

2.4.4 二氧化铀燃料的力学性能 68

2.4.5 二氧化铀燃料的化学性能 69

2.5 二氧化铀芯块的堆内行为 70

2.5.1 辐照下二氧化铀燃料中发生的现象 70

2.5.2 芯块开裂 71

2.5.3 芯块密实化 72

2.5.4 重结构 72

2.5.5 辐照肿胀 73

2.5.6 裂变气体释放 73

2.5.7 氧及可挥发性裂变产物的再分布 75

2.6 MOX燃料 75

2.7 高性能陶瓷燃料 76

2.7.1 陶瓷型燃料对比 76

2.7.2 碳化物燃料 77

2.7.3 氮化物燃料 82

2.8 其他燃料 85

2.9 核燃料循环 85

2.9.1 裂变核燃料循环 85

2.9.2 聚变核燃料循环 88

2.9.3 核反应堆中放射性物质的生成 88

2.9.4 核裂变与裂变能 88

2.9.5 核裂变中生成的放射性物质 90

2.9.6 放射性废弃物及其处理和处置 92

复习题及习题 93

第3章 锆合金包壳材料 95

3.1 热堆燃料元件包壳材料选取原则 95

3.1.1 包壳的作用及包壳材料应具备的条件 95

3.1.2 各种热堆包壳材料简介 96

3.1.3 轻水堆包壳材料非锆莫属 96

3.2 金属锆的基本性质 97

3.2.1 锆的发展简史 97

3.2.2 锆的矿物资源 97

3.2.3 锆的基本性质 98

3.2.4 锆的晶体结构 99

3.2.5 锆的塑性形变特点 100

3.3 锆的合金化 101

3.3.1 锆合金的合金化原理 101

3.3.2 锆锡合金的发展 102

3.3.3 锆合金包壳材料的成分及其作用 102

3.4 锆合金在反应堆中的应用 104

3.4.1 锆合金用于反应堆的发展历程 104

3.4.2 作为燃料包壳材料的锆合金 104

3.4.3 用于反应堆的其他锆合金 107

3.4.4 中国的锆合金发展 107

3.5 锆合金管的制造 107

3.5.1 锆合金管制造工艺流程 107

3.5.2 冶炼和铸锭制造 108

3.5.3 压力加工和热处理 111

3.5.4 锆合金包壳的微观组织结构和宏观特性 113

3.6 锆合金的力学性质 114

3.6.1 Zr-2和Zr-4合金的基本力学性质 114

3.6.2 Zr-2和Zr-4合金的蠕变性能 115

3.7 锆合金包壳管的堆内行为 115

3.7.1 表面腐蚀（氧化） 115

3.7.2 吸氢与氢脆 117

3.7.3 锆合金辐照生长 119

3.7.4 力学性能变化 120

3.7.5 芯块与包壳的相互作用 120

3.8 事故条件下锆合金管的行为 122

3.8.1 失水事故条件下锆合金包壳管的行为 122

3.8.2 堆芯熔毁事故条件下的包壳行为 125

复习题及习题 128

第4章 压力壳用低合金高强度钢 129

4.1 钢及镍合金构成轻水堆的骨架和循环系统 129

4.1.1 一座100万kW核电厂要使用5万t以上的优质钢材 129

4.1.2 压力容器的作用及服役条件分析 130

4.1.3 压力容器成形加工及焊接 131

4.1.4 压水堆核电厂核岛部分用大型锻件 134

4.2 反应堆压力容器及选材特殊要求 136

4.2.1 反应堆容器及对反应堆安全的保障 136

4.2.2 反应堆对钢和镍合金材料的特殊要求 137

4.3 核电压力容器用钢及其演化历史 139

4.3.1 核电压力容器用钢简介 139

4.3.2 核电压力容器用钢的演化历史 141

4.3.3 压力容器钢及其性质 143

4.4 SA508（20 MnMoNi）系列钢的化学成分和力学性能 145

4.4.1 压水堆压力容器用钢的化学成分和力学性能 145

4.4.2 SA508系列钢中的主要元素及其作用 146

4.5 SA508-3钢的冶炼、加工及热处理 148

4.5.1 SA508-3钢的冶炼 148

4.5.2 通过控制锻造提高合金钢的性能 148

4.5.3 借由γ→α相变实现α相晶粒细化 150

4.5.4 贝氏体组织SA508-3压力容器用钢 150

4.5.5 调质处理的SA508-3压力容器用钢 150

4.6 压力容器钢的辐照脆化及其影响因素 151

4.6.1 压力容器钢的辐照脆化 151

4.6.2 压力容器钢的辐照脆化的影响因素 153

4.7 大型锻件中的氢及氢损伤 157

4.7.1 大型锻件中氢的来源 157

4.7.2 氢在钢中的存在状态 157

4.7.3 氢在钢中的渗透与溶解 158

4.7.4 氢对钢力学性能的影响 159

4.7.5 氢脆理论 159

复习题及习题 160

第5章 反应堆用不锈钢 161

5.1 何谓不锈钢 161

5.1.1 不锈钢的定义 161

5.1.2 不锈钢“不生锈”的原因 161

5.1.3 有哪些类型的不锈钢 162

5.1.4 为什么奥氏体不锈钢在反应堆中用得最多 164

5.2 不锈钢的成分和相组成特点 165

5.2.1 各类不锈钢的成分和相组成特点 165

5.2.2 铬镍奥氏体不锈钢的热处理 167

5.2.3 不锈钢的发展和性能提高 169

5.3 不锈钢的基本性质 170

5.3.1 物理性质 170

5.3.2 力学性质 170

5.3.3 耐蚀性 171

5.4 不锈钢在反应堆中的应用 172

5.4.1 堆芯和堆内构件以及控制棒驱动机构用不锈钢和镍合金 172

5.4.2 一回路管道和冷却剂泵用不锈钢 175

5.4.3 对反应堆用不锈钢性能的要求 176

5.5 不锈钢在堆内的腐蚀行为 176

5.5.1 不锈钢在水溶液中的几种主要腐蚀现象 176

5.5.2 奥氏体不锈钢在堆内的腐蚀 183

5.5.3 管道材料的应力腐蚀 184

复习题及习题 186

第6章 核电厂用高温合金和耐热钢 187

6.1 蒸汽发生器严酷的服役环境 187

6.1.1 反应堆中的蒸汽发生器 187

6.1.2 蒸汽发生器的服役环境和各类腐蚀问题 188

6.2 蒸汽发生器传热管材料现状 190

6.2.1 传热管破损的部位和原因 190

6.2.2 传热管材料现状 191

6.3 反应堆用高温合金 192

6.3.1 高温合金的种类 192

6.3.2 高温合金的合金化原理和相组织 193

6.3.3 合金元素的作用及其对性能的影响 195

6.3.4 镍基合金的抗SCC性能 197

6.3.5 堆芯用镍基合金 199

6.4 耐热钢的合金化原理 200

6.4.1 耐热钢的性能要求 201

6.4.2 耐热钢的合金化措施 201

6.5 超临界发电机组用9%～12%Cr马氏体耐热钢 204

6.5.1 超临界机组发电是提高热效率的有效手段 204

6.5.2 铁素体耐热钢的发展历史 205

6.5.3 9%～12%Cr马氏体耐热钢的强化机理 206

6.5.4 9%～12%Cr马氏体耐热钢的研究现状及主要存在的问题 209

6.5.5 G115钢的成分设计 215

复习题及习题 216

第7章 高温气冷堆用石墨材料 217

7.1 高温气冷堆——石墨的用武之地 217

7.1.1 高温气冷堆是第四代反应堆的代表 217

7.1.2 高温气冷堆用石墨材料 217

7.2 石墨的结构、性能及制作工艺 218

7.2.1 石墨的晶体结构 218

7.2.2 石墨的独特性能使其成为核能领域的关键材料 220

7.2.3 核石墨的基本制作工艺 221

7.3 高温气冷堆用包覆颗粒燃料 221

7.3.1 高温气冷堆简介 221

7.3.2 高温气冷堆燃料元件类型 223

7.3.3 包覆燃料颗粒类型 225

7.3.4 燃料核芯类型 228

7.4 高温气冷堆用石墨的发展 228

7.4.1 核石墨的制作 228

7.4.2 石墨在高温气冷堆中的应用 231

7.4.3 各国高温气冷堆石墨的发展 234

7.4.4 核石墨材料的发展方向 237

复习题及习题 238

第8章 快堆燃料和包壳材料 239

8.1 实现核燃料增殖的有效途径——快中子增殖堆 239

8.1.1 快堆发展已进入第三代 239

8.1.2 可转换核素和核燃料的增殖 240

8.1.3 快中子增殖堆的特征 241

8.2 快堆燃料组件 243

8.2.1 燃料组件的功能和结构 243

8.2.2 快中子增殖堆燃料的发展史、现状和发展趋势 246

8.3 快堆燃料元件的使用环境和性能要求 249

8.3.1 快堆燃料组件极严酷的工作环境 249

8.3.2 快堆燃料芯块的发热分析 250

8.3.3 快堆用二氧化铀燃料 251

8.4 快堆用MOX燃料制造 252

8.4.1 用于快堆和热堆的MOX燃料 252

8.4.2 快堆MOX核燃料组件制造流程 252

8.4.3 MOX粉末制造 254

8.4.4 MOX芯块制造 259

8.5 （U，Pu）O2的基本性质及堆内行为 261

8.5.1 物理性质 261

8.5.2 力学性质 263

8.5.3 堆内行为 264

8.6 快堆包壳材料 265

8.6.1 快堆包壳材料应具备的条件 265

8.6.2 材料选择要求 265

8.6.3 材料的选择和演化 266

8.7 快堆包壳材料的辐照损伤 267

8.7.1 辐照损伤机制 267

8.7.2 不锈钢的辐照效应 271

8.7.3 新型抗肿胀合金 274

复习题及习题 277

第9章 中子吸收材料及屏蔽材料 278

9.1 中子吸收材料 278

9.1.1 反应堆控制概述 278

9.1.2 碳化硼陶瓷 281

9.1.3 银-铟-镉和合金 283

9.1.4 铪 285

9.1.5 稀土氧化物 287

9.2 屏蔽材料 289

9.2.1 辐射屏蔽的基础知识 289

9.2.2 屏蔽材料 291

复习题及习题 292

第10章 聚变堆材料 294

10.1 聚变能与聚变堆 294

10.1.1 取之不尽，用之不竭的能量源泉 294

10.1.2 聚变堆基本原理——等离子体的约束、加热和诊断 297

10.1.3 磁惯性约束核聚变 298

10.1.4 惯性约束聚变实验装置 302

10.2 聚变堆中的面向等离子体材料 303

10.2.1 聚变堆中的核反应及相关材料问题 303

10.2.2 面向等离子构件的工况及对第一壁材料的要求 304

10.2.3 等离子体-材料表面相互作用 305

10.2.4 面向等离子体材料现状 306

10.2.5 高能中子辐照效应 307

10.3 第一壁材料及结构 309

10.3.1 第一壁材料 309

10.3.2 第一壁结构实例 309

10.4 聚变堆设计和工况条件 311

10.4.1 第一壁环境条件 311

10.4.2 真空壁材料的设计限值 311

10.4.3 聚变堆材料与裂变堆材料使用性能的比较 312

复习题及习题 313

缩略语 314

参考文献 320