?核燃料用炭和石墨制品

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核燃料用炭和石墨制品

概述

燃料元件必須具有由核燃料分裂的生成物不向外泄漏的結構和材料。特別是防止放射性氣體從冷卻材料中泄漏，對核燃料要進行氣密性包覆，核反應堆溫度低的場合采用耐腐蝕性合金（例如：鎂合金、鋯合金、不銹鋼等)制的筒內封裝的方法。在高溫氣冷堆中耐熱性好的石墨制品材料是作為包覆材料的唯一材料。耐熱不透性石墨、玻璃炭以及熱解炭涂層等都是為這些燃料開發的燃料筒。在石墨減速氣冷堆的第一代鎂諾克斯爐，燃料采用天然金屬鈾，燃料包覆材料使用中子吸收小的鎂合金，所以只能在400℃以下溫度運行。在第二代改良型的AGR爐，燃料采用氧化鈾，包覆材料使用不銹鋼。在第三代的高溫氣冷堆，開發了多個核燃料顆粒（UO2)、包覆熱解石墨(PG)或碳化硅(SiC）的方法。這是在以1250～1500℃高溫包覆帶來的效果。

不含中子吸收截面小的金屬。因為核燃料顆粒的包覆是2~4層，氣密性極好，并且以球狀包覆核燃料顆粒，所以即使是對高溫氣體狀的核分裂生成物的高內壓也保證十分結實。這種包覆燃料顆粒，是完全基于高溫氣冷堆的設計，在前節所述的“顆粒”型和“塊狀”型的高溫氣冷堆也采用這種方法的核燃料顆粒。顆粒型的典型燃料元件是直徑為60mm的石墨球，內藏一定量的包覆核燃料顆粒(濃縮鈾、釷）。而在“塊狀”型爐芯，在垂直堆積的石墨角柱(通常是六角柱）的集合體，配備燃料和冷卻材料的通路等等。包覆的燃料顆粒分散在碳母體中，壓成燃料的壓制坯塊，將燃料塊裝入石墨制品筒，組裝成無實心的中空燃料棒后，以減速材料石墨制品以及石墨筒支持，或直接插入石墨塊的孔中。另外，石墨塊或石墨筒由于是在離核燃料最近的地方使用，中子照射條件極其苛刻，而且高溫下的強度梯度很大，所以需要采用耐上述條件好的材料。對于具體特性要求，如上節所述。

主要高溫氣冷堆的燃料元件特征，以上介紹以HTTR為主要代表的爐型燃料元件。