核二三事 | 核燃料的分类

金属型燃料包括铀和铀合金两种。金属铀的优点是密度高、导热性能好、单位体积内易裂变核素多、易加工。缺点是燃料可使用的温度低，一般在350-450℃；化学活性强，在常温下也会与水起剧烈反应而产生氢气；在空气中会氧化，粉末状态的铀易着火；在高温下只能与少数冷却剂(例如二氧化碳和氦)相容。金属铀燃料通常应用于天然铀石墨反应堆中，可用来生产钚。

在铀中添加少量合金元素如钼、铬、铝、锆等，并经适当热处理(淬火)，能使铀稳定，从而改善某些机械性能。例如一些国家近年发展的铀-钚-锆金属燃料，不但有较高的增值比，而且在快堆应用时有高的比燃耗，如再采用高温电解精炼快速后处理技术，则还可缩短燃料的堆外存放时间，减少燃料倍增期。

陶瓷燃料是指铀、钚、钍的氧化物，碳化物或氮化物，它们通过粉末冶金的方法烧结成耐高温的陶瓷燃料。比较常见的陶瓷燃料有UO、PuO、UC、UN等。

与金属铀相比，陶瓷燃料的优点是：

①熔点高；

②热稳定和辐照稳定性好；

③化学稳定性好，与包壳和冷却剂材料的相容性好。

然而，陶瓷材料的突出缺点是热导率低。

1.二氧化铀燃料

氧化铀是经二氧化铀粉末烧结而成的燃料。在所有核燃料中二氧化铀的热导率最低。燃料元件内裂变物的产生使二氧化铀产生轻度肿胀，它与燃耗大致成线性关系，在超过临界燃耗时，肿胀率有显著增大。目前在轻水反应堆中，二氧化铀燃料使用很广泛，对二氧化铀燃料各方面性能的研究已经比较成熟。

铀钚混合氧化物是二氧化铀和二氧化钚的单相固溶体，其热物理性能和力学性能随二氧化钚的含量和氧/金属比而有所差别。混合氧化燃料的优点是：熔点高，与包壳和冷却剂的相容性好，辐照稳定性好，能较好地保持裂变产物。缺点是：金属原子密度低，存在氧的慢化作用，热导率低，深燃耗时肿胀严重。

非氧化物陶瓷燃料是指含有铀和钚的碳化物、氮化物。碳化物燃料中所含的轻核较氧化物燃料少，是碳化物燃料具有较高的金属原子密度，在快堆中应用它就可以得到更高的增值比。此外，碳化铀热导率比二氧化铀的热导率大很多，在用碳化铀作燃料的快堆内，即使在功率密度较高的情况下燃料也不会融化。氮化物有许多胜过碳化物的优点，例如温度低于1250℃的情况下，燃料与包壳的相容性好，辐照引起的肿胀也不像碳化物那样严重。氮化铀的熔点高，热导率高，但是氮的中子俘获截面大，燃料的循环价格高。

弥散体型燃料是由含高浓缩燃料的颗粒弥散分布在金属、陶瓷或石墨基体中构成的燃料。在弥散体型燃料中，每个核燃料颗粒可以看作是一个微小的燃料元件，基体起着包壳的作用。

弥散体型燃料的优点是：

①可以达到很深的燃耗；

②燃料和冷却剂之间基本没有相互作用的问题，大大减少了冷却剂回路被污染的可能性；

③通常具有较高的强度和延性，良好的导热性能，耐辐照、耐腐蚀并能承受热应力。

缺点是基体所占百分比大，吸收中子多，需要采用20%-90%的高富集铀颗粒。

二氧化铀能很好地弥散在铝、锆、钼或不锈钢等金属中。但由于铝基弥散体燃料不能耐高温，因此不适用于动力堆。由于不锈钢的中子吸收截面大，所以二氧化铀弥散在不锈钢基体的燃料在商业堆中不适用。把二氧化铀弥散在错合金中能得到较满意的弥散体型燃料。它所容许的燃耗高于铀-锆合金燃料，有较好的抗腐蚀性，但燃料性能仍受辐照肿胀的限制。为包容裂变产物，通常仍把燃料芯块密封在锆包壳中。