核电厂材料chapter3-材料的性能-pa.ppt
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1、龙 斌 教授,中国原子能科学研究院研究生院,China Institute of Atomic Energy,102413,Beijing,China,核电厂材料Materials for Nuclear Power Plants,福清核电2016年运行人员基础理论培训北京,2016,China Institute of Atomic Energy,102413,Beijing,China,核电厂材料Materials for Nuclear Power Plants,第三章 材料的性能Property of materials for nuclear applicationPart 01,压
2、水堆(PWR),河水、海水或冷却塔,核反应堆用材料,材料的性能,本章需要掌握的要点,了解材料的物理、力学、腐蚀和辐照性能及测试方法;在反应堆条件(中子辐照、冷却剂介质)下燃料材料降级的原因以及针对各种问题的解决措施。,CIAE,龙斌,3.1 材料的物理性能,密度(density):每单位体积所具有的质量,符号:单位:kg/m3(国际单位制),g/cm3 1g/cm3=1x103 kg/m3,理论密度th:,实际密度:通过测量确定 理论密度 与实际密度 燃料密度表征一般以 xx%TD 表示,密度的变化与晶体结构相关,核燃料在堆内经过裂变、迁移、肿胀等一系列变化,密度会发生很大变化;包壳和其他结构
3、材料在辐照下也会发生肿胀等导致密度变化,3.1 材料的物理性能,熔点(melting point):固体材料由固态向液态转变时,固、液两相共存时的恒定温度称为该材料的熔点,燃料的熔点 金属燃料 1406oC UO2燃料 2800oC MOX燃料 2768oC,晶体有固定的熔点,非晶体无固定熔点合金的熔点一般低于纯金属的熔点,共晶成分的合金熔点最低,对核电厂来说,核燃料的熔点高低对于燃料元件设计是非常重要的参数,熔点的变化也是反应堆安全相关的一个重要课题,Q:为什么燃料的熔点对燃料元件的设计非常重要?,3.1 材料的物理性能,比热容(specific thermal capacity):单位质量
4、物体温度每升高1度所需要的热量,符号:C 单位:J/(kgK)(国际单位制)J/(kg oC),冷却剂的比热容:水(4200)、氦气(5190)、钠(1230)、铅铋合金(128)C氦气 C水 CNa CLBE,3.1 材料的物理性能,导热系数(thermal conductivity):导热系数是测量热流通过材料速率的物理量。简单说就是表征材料的热传导性能的参数。,符号:单位:W/(mK)(国际单位制),冷却剂的导热系数:水(0.62)氦气(0.144)钠(130)铅铋合金(12.6)水蒸汽(0.025),材料的导热率与材料中的气孔率有关。气孔率增加,材料的密度减小,导热率下降。因此,UO2
5、燃料的热导率和它的密度成正比,材料的导热系数:奥氏体不锈钢(16-21)、锆合金(17-22),燃料的导热系数:UO2(8.4),燃料UO2的热导率与氧/铀比、燃耗和温度有关,热导率低的材料在加热和冷却时会产生较大的热应力。核燃料的热导率低,核反应产生的热量传导不出来,会导致中心温度升高。由于较大的温度梯度,造成燃料在堆内环境下的开裂、重结构等一系列变化。,3.1 材料的物理性能,热膨胀(thermal expansion):物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外压强不变的情况下,大多数物质在温度升高时,其体积增大,温度降低时体积缩小。微观:加热时相邻原子间距增大,符号:(膨胀
6、系数)单位:mm/(mmoC)或1/oC,热膨胀系数:当温度由t1变到t2,长度相应地由L1变到L2时,材料在该温区的平均线膨胀系数定义为:,-,=,L2-L1,L1(t2-t1),=,L,L1,t,材料的膨胀系数:奥氏体不锈钢(17x10-6)、铁素体/马氏体钢(12x10-6)、锆合金(6x10-6),燃料的膨胀系数:UO2(13x10-6)(1000oC以上),反应堆中,相互连接的材料如有不同的热膨胀系数,在加热或冷却时就会有应力存在。PCI:由于UO2燃料的热膨胀系数比锆合金包壳的大,因此发生芯块与包壳相互作用。,材料的力学性能:材料抵抗外力作用的能力,外力,静载荷,动载荷,特殊状态的
7、载荷,高温,材料内部有缺陷,断裂韧性(抵抗裂纹失稳扩展的能力或称抵抗脆断的能力),3.2 材料的机械性能,硬度:材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。硬度不是一个单纯的物理或力学量,它代表着弹性、塑性、塑性形变强化率、强度和韧性等一系列不同的物理量组合的一种综合指标。,布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 里氏硬度 肖氏硬度 巴氏硬度 努氏硬度 韦氏硬度,3.2 材料的机械性能,硬度不是金属材料独立的力学性能,不能用于仲裁试验,由于测定硬度的试验方法比较简单易行,试样小,当不便作其他力学性能试验时,可以利用它得到有价值的参考数据,因此无论在工厂企业或科研院所,硬度试验是不可缺少的标准试验方法之一。
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