稀土材料 | 核工业用稀土金属材料

核材料是用于核科学和核工程的材料总称。反应堆的创始人费米早在1946年就曾指出“核技术成功的关键取决于堆内强辐射下材料的行为”，这个预言已被反应堆的实践和发展所证实。通常情况下核材料是指裂变反应堆和聚变反应堆使用的材料。

当前核能应用的重点仍是裂变反应堆，裂变堆材料研究已取得巨大的成就，目前全世界已经有上千座各种反应堆在成功运行，而且还在不断地发展中；聚变堆至今尚未得到正式应用，聚变堆材料还处在开发阶段。

反应堆是利用原子能的一种最重要的大型设备，按不同的使用目的和要求，反应堆有许多的堆型。虽然它们的结构和用途各异，但在实现核裂变反应的自持和可控过程是相同的，都需要由核燃料、堆内构件、控制棒、反射层、冷却剂和慢化剂（快堆除外）以及包容它们的容器或压力容器等部件组成。

核材料除必须满足常规能源材料的要求外，还必须满足核反应堆的一些特殊要求：

（1）为保证核反应高效运行，堆芯材料必须是核纯的；

（2）核燃料必须和包壳材料相容性好；

（3）核材料必须耐辐射损伤；

（4）核材料必须耐腐蚀；

（5）核材料必须是高质量且其运行特性是可以预测的。

为了提高核燃料的利用率，改善反应堆的性能，近年来很多新型反应堆（如快中子增殖反应堆）已相继问世。研究者预期快中子增殖堆将在21世纪核能发展中起主要作用，采用增殖堆可使铀资源的利用率提高60～70倍。美国、前苏联、日本和法国都分别建有这种反应堆。要使快中子增殖堆达到安全可靠、发电经济，尚需大量的改进提高，其中材料问题就是其中急需解决的重要方面。

稀土金属由于具有不同的热中子俘获截面和其他特殊的性能，使其在核工业中得到广泛应用。根据不同稀土元素的核性能特点，很多稀土元素在反应堆的结构材料、控制材料以及制作慢化剂和核燃料稀释剂等上得到研究和应用。

镁诺克斯是无氧化的镁的英文名简称（Magnox，Magnesium No Oxidation）。由于镁合金抗CO₂的氧化能力强、热中子俘获截面小、与铀相容性好，并具有较好的延性、蠕变强度和导热性能，所以被选作石墨气冷堆（镁诺克斯堆）的燃料元件包壳材料。此外，由于镁合金的热中子俘获截面小（比铝小4倍），因此设计上允许镁包壳的管壁可以增厚，并且可以采用较大的散热肋条。

具有镁合金包壳的燃料元件的强度由金属铀保证，包壳则防止芯体受冷却剂的腐蚀作用，对镁合金的基本要求除了高的腐蚀稳定性外，足够高的弹性、塑性是另一重要的性能要求，而拉伸强度则不是很重要。

一种合格的镁合金包壳材料需要满以下条件：        

（1）细晶粒，以防止空穴效应；

（2）在工作温度下抑制晶粒的长大；

（3）良好的蠕变延展性；

（4）低的热中子俘获截面，也就是说合金中不存在易吸收中子的合金化元素或杂质；

（5）良好的蠕变抗力阻止散热肋条在高压气流中扭曲；

（6）良好的焊接性能保证完全密封，无泄漏。

反应堆要求结构部件具有一定的强度、耐蚀性和高的热稳定性，同时还要防止裂变产物进入冷却剂。稀土金属钇的热中子俘获截面小，并且它的密度小（4.47g／cm₃），熔点高（1526℃），不与液体铀和钚起反应，此外它吸氢能力也很强，可用作反应堆热强性结构材料。

例如钇用作在热中子下工作的运送反应堆中液体燃料的管道材料，钇管输送含有5％铬的铀液体燃料，在1000℃下完全不被腐蚀，在钇管外面套以不锈钢管（两管之间充氦气），防止大气对钇管的腐蚀；钇作吸氢剂，吸气剂合金含不小于5％的钇，可防止反应堆中的锆合金燃烧罐的氢-脆变；实践证明，钇可以在快速增殖反应堆中使用。

控制材料是指中子俘获截面大的元素及其合金、氧化物、水溶液和陶瓷材料等，用于控制和储备堆芯反应性，使核反应堆具有可控和自持功能。总之，反应堆是否安全、平稳和正常运行，控制材料起着十分重要的控制和保障作用。

稀土金属钐、铕、钆、镝和铒的核吸收中子能力很强，是优良的核反应堆控制材料，可用作反应堆的控制棒、可燃毒物、中子通量抑制剂以及防护层的中子吸收剂。

钇、铈、镧的热中子俘获截面小，其中铈的俘获截面为0.73b。它们吸氢后都能形成相应的氢化物，作为氢的载体可用于反应堆芯的固体减缓剂，以慢化中子速度、增加核反应几率。氢化钇含有大量的氢原子，相当于水的数量，其热稳定性非常好，直到1200℃氢化钇只失掉很少的氢，是很有前途的高温堆减速材料。在金属铀钚核系统中，可用金属铈制造的低熔点合金为燃料，用于快中子反应堆。

核能发电是一种清洁能源，工业发达国家已把核电作为一种主要能源，一般占整个发电量的15％以上。国际原子能机构关于2030年能源前景的报告中认为全球核电装机将超过5亿千瓦，报告统计目前全球运行的核电站435座，29座正在建设中。

我国也正在大力开发核电能源，据国务院批准的《核电中长期规划》，我国在沿海六省规划了13个厂址，60个核电机组，5946万千瓦装机 。

因此，核反应堆用材料会不断增加。稀土及其金属材料在核工业上的应用潜力巨大。前苏联和日本的核事故，引起人们对核电站安全予以最高度的关注，对核工业用材料包括稀土合金材料的质量和性能特别是可靠性、安全性绝对要经得起最严格的检验和考验。