先进核燃料与材料

随着我国国民经济水平的不断提升，人均能源消耗水平急速上升，在未来相当长一段时期内，能源问题一直会是制约我国社会经济可持续发展的核心问题。作为清洁能源的核能，在国家发展战略中的地位也不断提升。在“一带一路”倡议和核电“走出去”战略的背景下，核能发电在我国能源结构中的占比不断提升，核能的重要性日趋凸显。
在公众认知中，核能是把双刃剑，在为人类带来清洁能源的同时，也存在核辐射、核污染等潜在问题。纵观整个核能发展历程，安全性一直是所有核能系统设计首要关心的问题。核电厂产生的能量来自于燃料元件，核裂变产生的放射性裂变产物主要滞留在燃料元件内部，因此，燃料元件是反应堆的核心部件，直接影响核反应堆的安全性。深刻理解核燃料及核用材料的宏观和微观结构与服役性能的关联，对于设计新型核能系统至关重要。
由于核能领域的特殊性，其创新一直是在坚守传统过程中波浪式的创新，核能用关键工程材料的研发也大都以工程技术上相对成熟的材料为起点。目前的商业水堆核电站几乎全部用锆合金作为燃料元件的包壳材料，随着日本福岛核事故后对反应堆安全的日益重视，锆合金包壳本身的一些问题包括水中的腐蚀、吸氢和锆水反应等，使得对新型包壳材料的探索成为一个重要研究方向。随着核能研究的深入，第四代核能系统的研发和商业化开始加快步伐，适用于第四代核能系统的新型燃料元件不断被开发出来。这些新型燃料元件在事故条件下可为反应堆提供更大的安全余量，被称为事故容错燃料（accident tolerant fuel,ATF）。事故容错燃料除满足商业电站发电之外，还可以广泛用于深空、深海、国防等相关领域核能系统中，因此近年来世界上重要的核燃料研究机构都将事故容错燃料元件的研发列为未来核燃料研究中的重要任务。
随着我国核能事业的深入发展，众多高校开始设立与核燃料相关的专业，从事核用材料研究开发的科研队伍也日益扩大。为了深入总结现有核燃料体系的基础知识和目前国际国内在核燃料及核用材料领域的前沿研究成果，我们编写了本书。本书分为基础篇、燃料篇、材料篇和发展篇四大部分，共16章，全面覆盖目前核燃料和反应堆用材料领域的基础知识体系。在内容设计上，试图建立从核燃料结构设计、材料开发、材料制备、组织性能关系到服役性能的全生命周期流程。
本书由清华大学核能与新能源技术研究院从事核燃料及核用材料研发线的教师和研究人员编写。其中第1章、第2章和第15章由刘荣正编写； 第3章由陈晓彤、焦增彤编写； 第4章由陈昭编写； 第5章由马景陶、徐瑞编写； 第6章由邓长生、赵世娇编写； 第7章由陈猛、聂磊编写； 第8章和第12章由刘马林编写； 第9章由宋晶编写； 第10章、第11章和第13章由刘荣正、程心雨编写； 第14章由周湘文编写； 第16章由赵健编写。研究生刘子平、董雪、韦晓钰、闫津、赵凡、魏雅璇为本书部分章节提供了素材。全书由刘荣正统稿。清华大学唐春和教授、朱钧国教授、唐亚平教授和刘兵教授对全书进行了审核，并提出了宝贵建议。本书中部分素材来源于国内外学者的专著或期刊论文，在此一并感谢！
核燃料和反应堆用材料内容广泛，知识体系庞杂，目前核燃料领域的新内容、新体系不断涌现，因编者水平有限，书中不妥或谬误之处在所难免，恳请读者批评指正。
编者2022年3月于清华园

本书主要介绍目前世界商用反应堆用核燃料的发展历程及现状，介绍先进裂变反应堆及聚变堆等堆型用的燃料结构及其辐照性能，展示先进核燃料与关键核能材料的**研究进展，并结合核用材料介绍计算材料学，纳米材料等在核燃料领域的应用。系统论述核燃料知识为本书的一大特色，本书的另一特色为部分内容为近5年内相关领域的**进展。读者主要面向国内核科学与技术学科的本科生研究生，从事核燃料与核用材料的工程技术人员，及对核燃料感兴趣的相关人员。

刘荣正，清华大学核能与新能源技术研究院副教授，博士生导师。清华大学研究生课程先进核燃料与材料课程负责人。博士毕业于清华大学材料系，目前从事于新型核燃料的研究工作。

第1篇基础篇

第1章核能利用与核能用材料概述

1.1核能基础知识

1.1.1核反应

1.1.2中子截面

1.1.3中子慢化

1.1.4核裂变与衰变

1.2核能利用现状

1.2.1裂变反应堆

1.2.2核武器

1.2.3核动力装置

1.3世界商用核电站发展历程

1.3.1核电发展历程

1.3.2世界核电发展现状

1.3.3中国核电发展现状

1.4商业反应堆的发展

1.4.1商业反应堆类型

1.4.2商业反应堆发展历程

1.4.3其他先进核能系统

1.5核燃料与材料

1.5.1核燃料

1.5.2核用材料

1.5.3反应堆先进核燃料和材料性能要求

参考文献

第2章核材料基础

2.1材料科学基础概述

2.1.1材料的晶体结构

2.1.2材料的相结构

2.1.3材料中的缺陷

2.2材料的基本制备方法

2.2.1粉体制备方法

2.2.2金属工艺

2.2.3陶瓷工艺

2.2.4涂层工艺

2.3材料表征方法

2.3.1形貌观测

2.3.2成分分析

2.3.3结构分析

2.3.4表面化学状态分析

2.3.5光谱分析技术

2.4材料辐照效应基础

2.4.1辐照损伤

2.4.2辐照缺陷

2.4.3辐照效应

2.4.4辐照效应实例

参考文献

第3章核燃料循环概述

3.1核燃料循环过程

3.1.1核燃料循环体系

3.1.2核燃料循环方式

3.2铀资源与铀矿冶

3.2.1铀资源的分类和分布

3.2.2铀矿石分类

3.2.3铀矿开采

3.2.4铀矿冶

3.3铀的转化

3.3.1以铀化学浓缩物为原料制备UO2

3.3.2UO2氢氟化制备UF4

3.3.3UF4制备UF6

3.3.4金属铀的制备

3.4铀浓缩

3.4.1气体扩散法

3.4.2气体离心法

3.4.3激光分离法

3.5燃料元（组）件制造

3.6堆内使用

3.6.1中子循环

3.6.2反应堆临界

3.7核燃料的后处理

3.7.1乏燃料后处理工艺

3.7.2乏燃料后处理工艺流程

参考文献

第2篇燃料篇

第4章金属及合金燃料

4.1金属铀

4.1.1铀的基本性质

4.1.2铀的辐照行为

4.2铀合金

4.2.1UMo合金

4.2.2UZr与UPuZr合金

4.3铀金属间化合物

4.3.1燃料结构

4.3.2UAl合金

4.3.3USi合金

4.3.4铀金属间化合物的辐照行为

4.4UZrH燃料体系

4.4.1UZrH燃料的应用

4.4.2UZrH燃料的基本性质

4.4.3UZrH燃料的制造

4.4.4UZrH燃料的辐照行为

参考文献

第5章氧化物燃料

5.1UO2的性质

5.1.1热学性质

5.1.2力学性能

5.1.3化学性质

5.2UO2芯块的制备

5.2.1UO2粉体的制备

5.2.2成型

5.2.3烧结

5.2.4磨削

5.2.5完美燃料芯块

5.2.6可燃毒物UO2芯块制备

5.3UO2燃料棒的制造

5.3.1燃料棒的基本结构

5.3.2包壳材料

5.3.3燃料棒的制造和检测工艺

5.4商业堆中的UO2燃料组件

5.4.1我国水堆燃料组件发展现状

5.4.2压水堆燃料组件

5.4.3沸水堆燃料组件

5.4.4重水堆燃料组件

5.5UO2燃料棒的堆内辐照行为

5.5.1UO2芯块的堆内行为

5.5.2锆合金包壳的堆内行为

5.5.3燃料棒运行破损率

参考文献

第6章非氧化物燃料

6.1碳化物燃料

6.1.1晶体结构与相图

6.1.2碳化物燃料的制备

6.1.3碳化物燃料的性能

6.2氮化物燃料

6.2.1晶体结构与相图

6.2.2氮化物燃料的制备

6.2.3氮化物燃料的性能

6.3非氧化物燃料的辐照效应

6.3.1碳化物燃料的辐照效应 

6.3.2氮化物燃料的辐照效应

参考文献

第7章复合燃料及嬗变靶材

7.1复合燃料

7.1.1复合燃料的分类

7.1.2复合燃料的主要结构形式

7.1.3复合燃料设计的理论基础

7.1.4复合燃料制造

7.1.5复合燃料的性能

7.2惰性基体燃料

7.2.1制备方法

7.2.2燃料性能

7.3含锕系元素燃料与嬗变靶材

7.3.1锕系元素

7.3.2嬗变

7.3.3含锕系元素核燃料

7.3.4含锕系元素燃料制备工艺

7.3.5加速器驱动次临界系统

参考文献

第8章高温气冷堆燃料

8.1高温气冷堆及其发展历程

8.2高温气冷堆燃料设计

8.2.1反应堆固有安全性理念

8.2.2高温气冷堆燃料元件设计

8.3高温气冷堆燃料元件制备

8.3.1溶胶凝胶法制备UO2核芯颗粒

8.3.2流化床化学气相沉积法制备TRISO型包覆燃料颗粒

8.3.3冷准等静压法制备球形燃料元件

8.3.4高温气冷堆燃料元件的性能检测

8.3.5高温气冷堆燃料元件商业生产线的建立

8.4高温气冷堆燃料的失效形式及堆内考验

8.4.1燃料元件制造中的破损

8.4.2包覆燃料颗粒失效

8.4.3燃料元件失效

8.4.4高温气冷堆堆内辐照试验

8.5高温气冷堆新型核燃料研究

参考文献

第9章钠冷快中子增殖堆燃料

9.1快中子堆及其发展历程

9.1.1快中子堆的特点

9.1.2国外快堆发展历史及现状

9.1.3中国快堆发展现状

9.2核燃料增殖原理及运行物理机制

9.2.1中子谱

9.2.2中子动力学

9.2.3快堆增殖特性

9.3钠冷快堆系统

9.3.1钠冷快堆系统布置

9.3.2钠冷快堆材料体系

9.4钠冷快堆燃料组件

9.4.1燃料组件的特征

9.4.2燃料棒结构

9.4.3燃料组件结构

9.4.4其他组件

9.5MOX燃料

9.5.1MOX燃料的主要特征

9.5.2MOX燃料制备

9.6快堆燃料堆内行为

9.6.1燃料棒运行条件

9.6.2快堆燃料堆内辐照效应

9.7钠冷快堆燃料的发展趋势

9.7.1结构材料体系的发展趋势

9.7.2燃料元件的发展趋势

9.7.3燃料发展前沿

参考文献

第10章其他第四代反应堆燃料

10.1铅合金液态金属冷却堆燃料

10.1.1铅冷快堆简介

10.1.2铅冷却剂的物理特性

10.1.3核燃料与结构材料

10.1.4发展历程及未来方向

10.2气冷快堆燃料

10.2.1气冷快堆简介

10.2.2气冷快堆燃料类型

10.2.3核燃料的辐照考验

10.3超临界水堆燃料

10.3.1超临界流体

10.3.2超临界水堆

10.3.3燃料设计

10.3.4超临界水堆对材料的要求

10.4熔盐堆燃料

10.4.1熔盐堆简介

10.4.2熔盐堆的发展

10.4.3熔盐堆燃料类型

10.4.4熔盐堆用材料

参考文献

第3篇材料篇

第11章反应堆用功能材料与结构材料

11.1反应堆控制材料

11.1.1核反应堆的反应性控制

11.1.2控制棒

11.1.3中子吸收材料

11.2反应堆屏蔽材料

11.2.1γ射线屏蔽材料

11.2.2中子屏蔽材料

11.2.3屏蔽材料分类

11.3反射层材料

11.3.1主要反射层材料

11.3.2制备工艺

11.4反应堆结构材料

11.4.1反应堆用低合金高强度钢

11.4.2反应堆用不锈钢

11.4.3反应堆用高温合金

参考文献

第12章反应堆用炭材料

12.1炭材料的结构

12.1.1炭材料的结构多样性

12.1.2石墨的结构类型

12.1.3炭材料的石墨化

12.2炭材料在反应堆中的应用及发展概况

12.2.1炭材料在反应堆中的应用

12.2.2高温气冷堆中的炭材料

12.3核用石墨材料的生产和显微结构

12.3.1核用石墨的生产过程

12.3.2核用石墨的显微结构

12.4石墨材料的性能

12.4.1物理性能

12.4.2机械性能

12.4.3热学性能

参考文献

第13章聚变堆用材料

13.1聚变堆原理

13.1.1聚变反应

13.1.2磁性约束

13.1.3惯性约束

13.2聚变反应堆材料

13.2.1热核材料

13.2.2壁材料

13.2.3高热流部件材料

13.2.4面向等离子体材料

13.2.5氚增殖材料

13.2.6功能材料

13.3核聚变在我国的发展

参考文献

第4篇发展篇

第14章先进核燃料与材料中的数值模拟

14.1数值模拟简介

14.1.1数值模拟的重要性

14.1.2数值模拟方法多尺度分析

14.2先进核燃料与材料中的数值模拟归类

14.3先进核燃料与材料模拟实际应用举例

14.3.1性质模拟——含裂变气体的UO2热导率MD模拟

14.3.2制备模拟——流化床化学气相沉积CFDDEMCVD模拟

14.3.3性能模拟——基体石墨表面吸附性能DFT模拟

14.3.4服役性能模拟——包覆颗粒受力有限元模拟

14.4先进核燃料与材料中数值模拟未来发展趋势

参考文献

第15章纳米结构与核燃料

15.1纳米材料的性能

15.2纳米核燃料

15.2.1核燃料纳米颗粒

15.2.2纳米核燃料芯块

15.3核用纳米结构材料

15.3.1纳米结构的抗辐照性能

15.3.2纳米结构对力学性能的提升

15.3.3纳米涂层

15.4核用纳米功能材料

15.4.1纳米冷却流体

15.4.2纳米核素识别材料

15.4.3纳米吸附材料

参考文献

第16章事故容错燃料

16.1事故容错燃料设计理念及发展

16.1.1事故容错燃料的定义及设计理念

16.1.2事故容错燃料的发展历程及现状

16.2事故容错燃料芯块研究

16.2.1改进型UO2芯块

16.2.2高铀密度芯块

16.2.3全陶瓷微封装芯块

16.3事故容错燃料包壳研究

16.3.1事故容错燃料包壳基本要求和类型

16.3.2Zr合金表面涂覆

16.3.3SiCf/SiC复合材料包壳

16.3.4FeCrAl合金包壳

16.3.5Mo及Mo合金包壳

16.3.6MAX相材料包壳

16.3.7ODS合金包壳

16.4事故容错燃料发展展望

参考文献

附录

随着国家“一带一路”核能走出去战略的确立，对核能领域人才的需求也与日俱增。本书主要介绍目前世界商用反应堆用核燃料的发展历程及现状，介绍先进裂变反应堆及聚变堆等堆型用的燃料结构及其辐照性能，展示先进核燃料与关键核能材料的研究进展，并结合核用材料介绍计算材料学，纳米材料等在核燃料领域的应用。系统论述核燃料知识为本书的一大特色，本书的另一特色为部分内容为近5年内相关领域的进展。读者主要面向国内核科学与技术学科的本科生研究生，从事核燃料与核用材料的工程技术人员，及对核燃料感兴趣的相关人员。