金属陶瓷核燃料详细资料大全
金属陶瓷核燃料是一种弥散型燃料，即把陶瓷燃料颗粒均匀弥散于金属基体中，因此也称两相合金，如UO 2 -不锈钢、UO 2 -Zr-2、UAl x -Al、U 3 O 8 -Al等。陶瓷的高熔点和辐照稳定性与金属的较好的强度、塑性和热导率结合起来。由裂变碎片所引起的辐照损伤基本上集中在燃料颗粒内，而基体主要是处在中子的作用下，所受损伤相对较轻，可以像金属一样压力加工，即使燃料元件包壳破裂，也不会使冷却剂受到较大污染，从而可达到很深的燃耗；同时其在热导方面保留金属特征，细小的陶瓷燃料颗粒减轻了温差造成的热应力，连续的金属基体又大大减少了裂变产物的外泄，从而使燃料温度较低，提高了事故工况下燃料元件的安全可靠性。
基本介绍 中文名 ：金属陶瓷核燃料 外文名 ：cermet fuel 别名 ：混合物核燃料 归类 ：浮动式核反应堆燃料 学科 ：核化学、核工程 领域 ：能源、核反应堆 概况,金属陶瓷核燃料设计依据,金属陶瓷核燃料辐照理论,金属陶瓷核燃料压力加工要求,套用前景, 概况 UO 2 陶瓷是人们熟知的核燃料，已广泛、成功地套用于水冷堆中。它有许多众所周知的优点，但它有两个主要的缺点：低热导和在热冲击下破碎。因此为了克服UO 2 陶瓷的上述缺点，就产生了关于UO 2 的金属陶瓷设计概念，如UO 2 -不锈钢金属陶瓷板燃料元件，已在几个特小型动力队中成功使用。由于锆-锡合金不仅有良好的综合性能，而且中子吸收载面仅为不锈钢的1/19左右，这类特种小型动力堆也宜采用UO 2 -Zr-2（或Zr-4）代替UO 2 -不锈钢。使用金属陶瓷燃料的缺点是必须采用高浓铀。同时，使用UO 2 -Zr-2金属陶瓷所存在的一个主要问题是，在大约700℃温度下，Zr-2与UO 2 发生反应，生成Zr-2合金和Zr-U合金反应层，后者辐照稳定性差，其过度扩散还将使金属陶瓷设计概念失效。虽然在核反应堆中使用时不会达到上述反应温度，但压力加工温度要高于此温度。为防止发生这种现象。可在UO 2 颗粒表面涂敷几微米的第三种材料。 金属陶瓷核燃料 与单一化的燃料相比，金属陶瓷核燃料（弥散型燃料）有几个突出的优点：①由于燃料颗粒很小，所以裂变产物损伤效应被局限在很小的地域内，因此从辐照损伤观点来看，这种燃料可做成长寿命元件使用；②由于裂变产物被局限在燃料颗粒内或金属基体中，所以裂变气体释放份额极小，相当于增加了一道燃料屏障，因此由弥散型燃料做成的燃料元件更安全可靠；③由于基体金属和燃料相有多种选择，所以弥散型燃料的组合方式是多种多样的。如果选择具有良好机械性能、抗腐蚀性能和热导性能的金属或合金做基体材料，并且有恰当的燃料相含量的话，那么这种金属陶瓷燃料就能基本保留金属或合金的上述优良性能。 金属陶瓷核燃料设计依据 金属陶瓷核燃料辐照理论 燃料颗粒排列方式 金属陶瓷核燃料，就是要把裂变产物损伤限制在UO 2 颗粒附近基体内，从而使它因辐照产生的性能变化很小。金属陶瓷中的弥散状态，则由UO 2 颗粒尺寸及其在弥散体中的体积含量而确定下来。一般假设UO 2 颗粒是等直径的球形，并且均匀分布在金属基体中，其排列方式有两种：一种是简单立方排列；一种是密集堆叠排列，即正四面体排列。前者排列松散，但颗粒间距紧凑，它对于稀疏的燃料颗粒排列是适当的模型；后者排列紧密，但颗粒间距较大。 从金属陶瓷燃料辐照理论出发，在整个燃料使用寿期内，使包围UO 2 颗粒的未受裂变产物损伤的金属基体始终形成连续的网路。这就要求数据基体的体积份额占优势以及UO 2 颗粒尺寸应比裂变碎片在UO 2 中的反冲行程大得多，即UO 2 颗粒间距要大到使受到裂变产物损伤的基体区域既不相碰，更不重迭。在满足这一要求的前提下，往往可以允许UO 2 颗粒之间存在低浓度的裂变产物。因为这样来修正关于未受损伤的基体金属形成连续网路的概念，即所谓连续网路，不是以是否存在裂变产物为依据，而是以裂变产物对基体金属的物理和机械性能的有害影响在允许程度以下为依据，即允许有较小的颗粒间距和较大的燃料相体积份额。同时，如果受裂变产物损伤的基体区域中裂变产物含量过高的话，该损伤区将发生局部破坏，因此裂变产物从UO 2 颗粒中逸出的份额应低于10%。还应把单位体积基体中的平均裂变产物浓度作为金属陶瓷核燃料性能变化的另一个适当度量，这个观点是认为基体局部损伤不受限制。 综上所述，从金属陶瓷核燃料辐照理论出发，在燃料相含量和燃料颗粒尺寸设计中，应同时满足颗粒排列、裂变产物浓度，单位体积基体中的平均裂变产物浓度等要求。 金属陶瓷核燃料压力加工要求 在UO 2 相含量和颗粒尺寸设计中，除依据金属陶瓷辐照理论外，还要考虑压力加工中的一些因素： （1） 首先，UO 2 颗粒愈小，愈容易做到均匀分散，通常要求颗粒尺寸为100～200 μm； （2） 其次，由于这类燃料元件由热轧加工做成，热轧中，为保证燃料芯体有良好的流动性，防止UO 2 颗粒嵌入包壳，又要求UO 2 颗粒直径上限满足80～100 μm； （3） UO 2 颗粒尺寸很大或很小时都会使燃料芯体强度急剧下降，为此宜取50～100 μm； （4） 压力加工要求燃料芯体及其包壳材料间的流动性能差别尽可能小，除使燃料芯体的基体金属与包壳材料相同外（为使其界面冶金结合），还要求燃料相含量不能太高。尽管国外已做出UO 2 相体积含量达50%的UO 2 -不锈钢金属陶瓷板元件，但在几个核反应堆中正式使用的UO 2 -不锈钢金属陶瓷板，其UO 2 相质量含量均在30%（相当于245%体积含量）之内；相关文献认为，高于40%体积含量的金属陶瓷核燃料难度较大。 综上所述，从压力加工方面考虑，UO 2 颗粒直径宜取为100 μm以下。 套用前景 与路上核电站相比，金属陶瓷核燃料多用于浮动式核电站的套用，具有较大的经济实用性，核反应堆在正常工况和异常工况下具有更高的可靠性和安全性。具有耐用性高、可靠性好、较低的换料频率，产生更多电能的同时产生更少的乏燃料。套用于浮动式核反应堆的金属陶瓷核燃料主要分为以下几种： （1）改良的UO 2 芯块燃料 通过改进UO 2 的导热性可以提高UO 2 芯块的套用性能，添加BeO、SiC等可增加 UO 2 芯块的热导率 。BeO 是具有最高热导率的陶瓷材料之一，辐照环境下，即使在 2200 ℃不与 UO 2 反应，良好的中子慢化特征，在发生 (n，2n) 核反应时释放一个中子，使中子平衡得到改善。添加到UO 2 中的BeO形成连续网状的结构，可将燃料芯块中心的热量有效的导出。研究人员开发了一种“共烧结”技术制备UO 2 -BeO芯块，制备芯块的标准过程是使UO 2 形成小的颗粒，然后一同烧结 。在烧结前引入BeO粉到颗粒状的UO 2 ，颗粒周围被高热导率BeO包围，BeO从中心导出热量。因此产生同样的热功率，与传统的UO 2 芯块相比，这种燃料有更低的中心线温度，减少了与包壳的相互作用，减少因不均匀的热膨胀导致的芯块开裂。 （2）UO 2 -Zr弥散燃料 为了增加UO 2 燃料的热导率同时提高燃耗，俄罗斯采用毛细管浸渍技术制备 UO 2 弥散棒状燃料，以改进的低熔点（1063K-1133K）的锆合金为基体，这种棒状燃料可以增加燃料中铀的含量，降低燃料元件芯体内部温度，扩大燃耗和增强燃料元件在运行瞬态的耐受性。毛细管浸渍技术可以制备高铀含量的燃料，燃料相的体积分数可达55%～65%，基体体积分数为10%～20%，包含15%～30% 的气孔率。通过毛细管浸渍法制备的燃料元件铀含量可达 9～10 g/cm，高的热导率 18～22 WmK，这种燃料用于PWR和BWR时，燃料的温度低至723K～773K，同时内部显著的气孔特征可协调燃料的肿胀。由于毛细管浸渍技术制备的弥散型燃料，具有的高铀装载量、高耐用性，可靠性、增大燃耗，高热导率等特点。这种类型的燃料元件正在考虑用于浮动式反应堆。 （3）UO 2 -AlSi弥散燃料 UO 2 -AlSi 燃料的高质量已在核动力破冰船堆芯中得到了检验。俄罗斯正在基于核动力破冰船的燃料元件，制造用于浮动式核电机组和小型反应堆破冰船堆芯采用燃料棒。这种燃料以铝矽合金为基体，UO 2 弥散在基体中，235U的富集度不超过20%，并且已将这种燃料成功套用在KLT-40C浮动式核反应堆上。UO 2 -AlSi 弥散棒状燃料包壳为锆合金，采用双金属共挤压工艺制造。这种燃料元件具有固体金属型燃料的中心温度低、包容裂变产物性能好、抗冲击性好等特点。 （4）U-Zr合金燃料 美国Lightbridge公司正在开发一种套用于轻水堆的改良型U-Zr金属燃料，它能够在比传统UO 2 燃料高 30% 的功率密度下运行。这种新燃料可以使压水堆在更高的输出功率下运行并且延长运行周期，从而提高经济性、安全性和燃料性能。这种合金燃料使用富集度高达197 wt%的235U。燃料棒沿着其长度方向呈螺旋形结构，这种独特的几何形状与合金热性能的结合，大大提高了向冷却剂的传热。燃料棒的制造过程是粉末冶金同时挤压使燃料棒的三部分之间形成冶金结合，增强了燃料的导热性能。燃料棒独特的十字形结构比标准的圆柱形燃料棒多提高了40%的表面积，这种十字形结构的燃料具有良好的套用前景，是未来浮动式轻水反应堆可选择的燃料。
陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。
分类
普通陶瓷材料采用天然原料如长石、粘土和石英等烧结而成，是典型的硅酸盐材料，主要组成元素是硅、铝、氧，这三种元素占地壳元素总量的90%，普通陶瓷来源丰富、成本低、工艺成熟。这类陶瓷按性能特征和用途又可分为日用陶瓷、建筑陶瓷、电绝缘陶瓷、化工陶瓷等。
特种陶瓷材料采用高纯度人工合成的原料，利用精密控制工艺成形烧结制成，一般具有某些特殊性能，以适应各种需要。根据其主要成分，有氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷等；特种陶瓷具有特殊的力学、光、声、电、磁、热等性能。本节主要介绍特种陶瓷。
编辑本段性能特点力学性能陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料，其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性和韧性很差。
热性能陶瓷材料一般具有高的熔点（大多在2000℃以上），且在高温下具有极好的化学稳定性；陶瓷的导热性低于金属材料，陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低，当温度发生变化时，陶瓷具有良好的尺寸稳定性。
电性能大多数陶瓷具有良好的电绝缘性，因此大量用于制作各种电压（1kV~110kV）的绝缘器件。铁电陶瓷（钛酸钡BaTiO3）具有较高的介电常数，可用于制作电容器，铁电陶瓷在外电场的作用下，还能改变形状，将电能转换为机械能（具有压电材料的特性），可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性，可作整流器。
化学性能陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。
光学性能陶瓷材料还有独特的光学性能，可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等，透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷（铁氧体如：MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4）在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。
编辑本段常用特种陶瓷材料根据用途不同，特种陶瓷材料可分为结构陶瓷、工具陶瓷、功能陶瓷。
1．结构陶瓷氧化铝陶瓷主要组成物为Al2O3，一般含量大于45%。氧化铝陶瓷具有各种优良的性能。耐高温，一般可要1600℃长期使用，耐腐蚀，高强度，其强度为普通陶瓷的2~3倍，高者可达5~6倍。其缺点是脆性大，不能接受突然的环境温度变化。用途极为广泛，可用作坩埚、发动机火花塞、高温耐火材料、热电偶套管、密封环等，也可作刀具和模具。
氮化硅陶瓷主要组成物是Si3N4，这是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，线膨胀系数在各种陶瓷中最小，使用温度高达1400℃，具有极好的耐腐蚀性，除氢氟酸外，能耐其它各种酸的腐蚀，并能耐碱、各种金属的腐蚀，并具有优良的电绝缘性和耐辐射性。可用作高温轴承、在腐蚀介质中使用的密封环、热电偶套管、也可用作金属切削刀具。
碳化硅陶瓷主要组成物是SiC，这是一种高强度、高硬度的耐高温陶瓷，在1200℃~1400℃使用仍能保持高的抗弯强度，是目前高温强度最高的陶瓷，碳化硅陶瓷还具有良好的导热性、抗氧化性、导电性和高的冲击韧度。是良好的高温结构材料，可用于火箭尾喷管喷嘴、热电偶套管、炉管等高温下工作的部件；利用它的导热性可制作高温下的热交换器材料；利用它的高硬度和耐磨性制作砂轮、磨料等。
六方氮化硼陶瓷主要成分为BN，晶体结构为六方晶系，六方氮化硼的结构和性能与石墨相似，故有“白石墨”之称，硬度较低，可以进行切削加工具有自润滑性，可制成自润滑高温轴承、玻璃成形模具等。
2．工具陶瓷硬质合金主要成分为碳化物和粘结剂，碳化物主要有WC、TiC、TaC、NbC、VC等，粘结剂主要为钴（Co）。硬质合金与工具钢相比，硬度高（高达87~91HRA），热硬性好（1000℃左右耐磨性优良），用作刀具时，切削速度比高速钢提高4~7倍，寿命提高5~8倍，其缺点是硬度太高、性脆，很难被机械加工，因此常制成刀片并镶焊在刀杆上使用，硬质合金主要用于机械加工刀具；各种模具，包括拉伸模、拉拔模、冷镦模；矿山工具、地质和石油开采用各种钻头等。
金刚石天然金刚石（钻石）作为名贵的装饰品，而合成金刚石在工业上广泛应用，金刚石是自然界最硬的材料，还具备极高的弹性模量；金刚石的导热率是已知材料中最高的；金刚石的绝缘性能很好。金刚石可用作钻头、刀具、磨具、拉丝模、修整工具；金刚石工具进行超精密加工，可达到镜面光洁度。但金刚石刀具的热稳定性差，与铁族元素的亲和力大，故不能用于加工铁、镍基合金，而主要加工非铁金属和非金属，广泛用于陶瓷、玻璃、石料、混凝土、宝石、玛瑙等的加工。
立方氮化硼（CBN）具有立方晶体结构，其硬度高，仅次于金刚石，具热稳定性和化学稳定性比金刚石好，可用于淬火钢、耐磨铸铁、热喷涂材料和镍等难加工材料的切削加工。可制成刀具、磨具、拉丝模等
其它工具陶瓷尚有氧化铝、氧化锆、氮化硅等陶瓷，但从综合性能及工程应用均不及上述三种工具陶瓷。
3．功能陶瓷功能陶瓷通常具的特殊的物理性能，涉及的领域比较多，常用功能陶瓷的特性及应用见表。
常用功能陶瓷的组成、特性及应用
种类 性能特征 主要组成 用途 介电陶瓷 绝缘性 Al2O3、Mg2SiO4 集成电路基板 热电性 PbTiO3、BaTiO3 热敏电阻 压电性 PbTiO3、LiNbO3 振荡器 强介电性 BaTiO3 电容器 光学陶瓷 荧光、发光性 Al2O3CrNd玻璃 激光 红外透过性 CaAs、CdTe 红外线窗口 高透明度 SiO2 光导纤维 电发色效应 WO3 显示器 磁性陶瓷 软磁性 ZnFe2O、γ-Fe2O3 磁带、各种高频磁心 硬磁性 SrO．6 Fe2O3 电声器件、仪表及控制器件的磁芯 半导体陶瓷 光电效应 CdS、Ca2Sx 太阳电池 阻抗温度变化效应 VO2、NiO 温度传感器 热电子放射效应 LaB6、BaO 热阴极
(一)工程塑料的开发利用
目前，主要的工程塑料制品已有10多种，其中聚酸胺、聚甲醛、聚磷酸酯、改性聚苯酸和热塑性聚酯被称为五大工程塑料．它们的产量较大．价格一般为传统通用塑料的2—6倍．而聚摧硫酸等特种工程塑料的价格为通用塑料的5一10倍。以塑料代替钢铁、木材、水泥三大传统基本材料，可以节省大量能源、人力和物力。
(二)合成橡胶的开发利用
由于生产合成橡胶的原料丰富，其良好的性能又可以满足当代科技发展对材料提出的某些特殊要求，所以合成橡胶出现几十年来，品种已很丰富，一般可将其分为通用合成橡胶和特种合成橡胶两类。通用合成橡胶性能与天然橡胶相似，用于制造一般的橡胶制品，如各种轮胎、传动带、胶管等工业用品和雨衣、胶鞋等生活用品。特种合成橡胶具有耐高温、耐低温耐酸碱等优点，多用于特殊环境和高科技领域，如航空、航天、军事等方面。
(三)合成纤维的开发利用
合成纤维的品种有几十种，但最常见的是六大种：聚酸胺纤维(商品名尼龙)、聚胺纤维(商品名涤纶)、聚乙烯纤维(商品名腈纶)、聚丙烯纤维(商品名丙纶)、聚乙烯酸纤维(商品名维纶)、聚氯乙烯纤维(商品名氨纶)。
高分子合成材料具有质量小、绝缘性能好等特点，所以发展很快，但又都有先天不足，即它们都在不同程度上对氧、热和光有敏感性。但是，随着高技术的迅速发展，高分子合成材料的大军必将在经济生活中扮演举足轻重的角色。
四、陶瓷材料
陶瓷材料中已崛起了精细陶瓷，它以抗高温、超强度、多功能等优良性能在新材料世界独领风骚。精细陶瓷是指以精制的高纯度人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制工艺烧结的高性能陶瓷，因此又称先进陶瓷或新型陶瓷。精细陶瓷有许多种，它们大致可分成三类。
(一)结构陶瓷。
这种陶瓷主要用于制作结构零件。机械工业中的一些密封件、轴承、刀具、球阀、缸套等都是频繁经受摩擦而易磨损的零件，用金属和合金制造有时也是使用不了多久就会损坏，而先进的结构陶瓷零件就能经受住这种“磨难”。
(二)电子陶瓷
指用来生产电子元器件和电子系统结构零部件的功能性陶瓷。这些陶瓷除了具有高硬度等力学性能外，对周围环境的变化能“无动于衷”，即具有极好的稳定性，这对电子元件是很重要的性能，另外就是能耐高温。
(三)生物陶瓷
生物陶瓷是用于制造人体“骨骼一肌肉”系统，以修复或替换人体器官或组织的一种陶瓷材料。
精细陶瓷是新型材料特别值中得注意的一种，它有广阔的发展前途。这种具有优良性能的精细陶瓷，有可能在很大的范围内代替钢铁以及其他金属而得到广泛应用，达到节约能源、提高效率、降低成本的目的；精细陶瓷和高分子合成材料相结合．可以使交通运输工具轻量化、小型化和高效化。
精陶材料将成为名副其实的耐高温的高强度材料，从而可用作包括飞机发动机在内的各种热机材料、燃料电池发电部件材料、核聚变反应堆护壁材料、无公害的外燃式发动机材料等。精细陶瓷与高性能分子材料、新金属材料、复合材料并列为四大新材料。有些科学家预言．由于精细陶瓷的出现，人类将从钢铁时代重新进入陶瓷时代
编辑本段更多信息什么是陶瓷？什么是陶瓷材料
原来的陶瓷就是指陶器和瓷器的通称。也就是通过成型和高温烧结所得到的成型烧结体。传统的陶瓷材料主要是指硅铝酸盐。刚开始的时候人们对硅铝酸盐的选择要求不高，纯度不大，颗粒的粒度也不均一，成型压强不高。这时得到陶瓷称为传统陶瓷。后来发展到纯度高，粒度小且均一，成型压强高，进行烧结得到的烧结体叫做精细陶瓷。
接下来的阶段，人们研究构成陶瓷的陶瓷材料的基础，使陶瓷的概念发生了很大的变化。陶瓷内部的力学性能是与构成陶瓷的材料的化学键结构有关，在形成晶体时能够形成比较强的三维网状结构的化学物质都可以作为陶瓷的材料。这重要包括比较强的离子键的离子化合物，能够形成原子晶体的单质和化合物，以及形成金属晶体的物质。他们都可以作为陶瓷材料。其次人们借鉴三维成键的特点发展了纤维增强复合材料。更进一步拓宽了陶瓷材料的范围。因此陶瓷材料发展成了可以借助三维成键的材料的通称。
陶瓷的概念就发展成为可以借助三维成键的材料，通过成型和高温烧结所得到的烧结体。（这个概念把玻璃也纳入了陶瓷的范围）
研究陶瓷的结构和性能的理论也得到了展开：陶瓷材料，内部微结构（微晶晶面作用，多孔多相分布情况）对力学性能的影响得到了发展。材料（光，电，热，磁）性能和成形关系，以及粒度分布，胶着界面的关系也得到发展，陶瓷应当成为承载一定性能物质存在形态。这里应该和量子力学，纳米技术，表面化学等学科关联起来。陶瓷学科成为一个综合学科。
这种发展在一定程度上和高分子成型关联起来。它们应当相互影响。
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灰铸铁、球墨铸铁、淬硬钢和某些未淬硬钢、耐热合金则特别适合，对这些材料而言，陶瓷刀片应用成功，还需要刀片刃口的外观及微观质量保证，并需要最佳的切削参数。
陶瓷刀片比硬质合金刀片相比，可承受2000℃的高温，而硬质合金在800℃时则变软，所以陶瓷刀片更具有高温化学稳定性，可高速切削，但其缺点是氧化铝陶瓷刀片的强度和韧性很低，容易破碎。因陶瓷刀片耐高温，对高温高速切削更有利。
由于陶瓷热导率低，高温只在刀尖，高速切削所产生的热量都随切屑带走，所以氧化铝陶瓷刀片能够且最好高于硬质合金切削的10倍线速度下进行切削，才能真正体现陶瓷刀片的优点。
陶瓷刀片使用注意事项
平时不用的时候请勿随意放置，要放到专门的刀架或者储存盒中避免无意中碰到伤及个人。
氧化锆陶瓷刀片使用非常方便，其清洁保健也非常简单，用完后即以清水洗净，抹干刀身时应由刀柄抹向刀刃以免伤手。
为达到良好功效，氧化锆陶瓷砍刀与氧化锆陶瓷片刀在选材及加工过程磨抛、开刃上是截然不同的千万不要用砍刀以外的其他氧化锆陶瓷刀砍骨包括鱼骨，这样会导致氧化锆陶瓷刀刃严重受损坏，也不要用氧化锆陶瓷刀面去拍打食物。
以上内容参考 百度百科-陶瓷刀具
