核材料

核材料(nuclear materials)释义广义的核材料是核工业及核科学研究中所专用的材料的总称，包括核燃料及核工程材料，即非核燃料材料。通常所说的核材料主要指用于反应堆的各部分的材料，又被称反应堆材料。^[2][1]

核工程包括两类：基于核裂变反应的反应堆工程和原子弹；基于核聚变反应的聚变堆工程和氢弹。反应堆材料包括在中子轰击下原子核能发生裂变的核燃料、核燃料元件的包壳材料、冷却剂、中子慢化材料（减速剂)强烈吸收中子的控制材料和防止中子泄漏到反应堆外的反射(层)材料。^[3]

2011年IAEA完成了对该建议性文件的修订，并正式出版INFCIRC/225/Rev.5。^[1]主要目的防止盗窃和其他非法获取在使用、贮存和运输中的核材料：确保采取迅速和全面的措施，以查找和在适当时追回失踪或被盗的核材；保护核材料免遭人为蓄意破坏；减轻或最大限度地降低人为蓄意破坏所造成的放射后果。^[1]

核材料实物保护的国际法律基础是1987年2月生效的《核材料实物保护公约》。在国际原子能机构(IAEA)的积极推动下，2005年7月完成了对该公约的修订。按照《核材料实物保护公约》及其修订案的有关规定，各国应建立与核材料保护相关的国内法律体制，并指定主管部门对核材料实物保护进行全面监管，包括许可证审批要求或其他授权程序。IAEA 建议性文件《核材料和核设施实物保护》 (INFCIRC/225/Rev.4)是国际上普遍采用的用于核材料实物保护的技术指导文件。2011年IAEA 完成了对该建议性文件的修订，并正式出版INFCIRC/225/Rev.5。^[1]主要目的防止盗窃和其他非法获取在使用、贮存和运输中的核材料：确保采取迅速和全面的措施，以查找和在适当时追回失踪或被盗的核材；保护核材料免遭人为蓄意破坏；减轻或最大限度地降低人为蓄意破坏所造成的放射后果。^[1]

截至2009年1月1日，全球已探明的铀yóu矿储量达到630.63万吨，比上年同期增长了15%，按照2008年的消耗速度，这些资源足够全世界使用超过100年。报告预测，到2035年，国际市场对铀矿的需求量将达到较高水平。^[4]

截至2010年，中国电力规模继续扩大，年底发电装机容量达到9.62亿千瓦，较上年增长10.07%，5年来年均增长13.22%。非化石能源发电装机比重上升至26.53%。其中，水电开发步伐加快，装机容量突破2亿千瓦，达21340万千瓦。核电装机容量突破1000万千瓦，达1082万千瓦，在建规模达26台2914万千瓦。全年新增风电并网容量1399万千瓦，总并网容量达3107万千瓦。全年发电设备利用小时数为4660小时，比上年增加114小时，为2004年以来发电设备利用小时持续下降的首次回升。^[5]

非核燃料材料是指吸收中子后可发生链式反成的核素或可新牛成易裂变核素的可转换材料。铀-235、钚bù-239 和铀-238的中子诱发裂变的能量闯值为零，它们被称作易裂变核素，即是能在热中子反应堆中使用的核燃料。针-232和铀-238吸收中子后，可生成新的易裂变材料铀-233和钚-239，钍tǔ-232 和铀-238称为可转换材料。铀-238和钍-232资源丰富，为核能的利用提供了广阔的材料来源。核材料均是放射性核素，使用时必须注意防护。对钚、铀233浓缩度超过20%的铀-235实行严格控制与管理，防止上述特种核材料被盗，用来非法生产核武器。安全保障规程适用于燃料循环的全部环节，包括燃料制造、发电、燃料后处理、财存和运输。^[1]

反应堆材料包括在中子轰击下原子核能发生裂变的核燃料、核燃料元件的包壳材料、冷却剂、中子慢化材料（减速剂)强烈吸收中子的控制材料和防止中子泄漏到反应堆外的反射(层)材料。^[3]核反应堆内使用的材料由于处在高温、高压、高中子通量和射线辐照下，因此对核反应堆内的材料有一些特殊的要求。合理地选择反应堆材料是保证反应堆安全性、可靠性、经济性的关键。在核反应堆的发展过程中，核燃料和堆内结构材料的研究和开发占有很大的比例。由于一些常规工程使用的材料在反应堆内不适用，因此必须开发一些新材料。目前国内外大型的反应堆研究单位都投入较大的精力研究反应堆内的材料问题。反应堆堆芯温度、燃料表面热流密度等都受到材料的限制，在确定反应堆方案过程中也出现过由于材料不能满足要求而放弃一些新的设计和新的方案。反应堆内的材料大致可分为：核燃料、结构材料、慢化剂材料和冷却剂材料、控制材料。^[6]

在热中子反应堆内，为使中子慢化，必须要加慢化剂材料；而要将堆内的热量及时地导出。所有的动力反应堆都必须有冷却剂材料。冷却剂和慢化剂是反应堆的一个重要的组成部分，不同类型的反应堆需要有不同的冷却剂，只有在热中子反应堆内需要慢化剂。在水冷反应堆内，水既作慢化剂也作冷却剂。^[6]

慢化材料：反应堆内裂变产生的中子都是快中子，在热中子反应堆内，需要把裂变中子慢化成热中子。因此热中子反应堆内必须有足够的慢化剂，以便使裂变产生的快中子能够充分慢化成热中子，使裂变链式反应得以维持。对慢化剂的要求是：中子吸收截面小，质量数低，散射稳定性好；传热性能好；密度高；价格便宜容易加工。^[6]

冷却剂材料：反应堆内核裂变释放的绝大部分能量以热量的形式出现。这些热量必须从反应堆内及时带出否则堆芯温度会很快升高使堆芯金属和燃料熔化。在水冷反应堆中，轻水和重水都可同时作为堆芯的冷却剂和慢化剂，而对使用固体慢化剂的反应堆，则必须采用另外的液体或气体作冷却剂。对冷却剂性能的要求与反应堆类型有关.通常必须具备以下特性: 中子吸收截面和感生放射性小；沸点高熔点低；热容量高(密度和比热容值)送功率低；热导率大G有良好的热和辐照稳定性；和系统其他材料相容性好； 价格便宜。^[6]

热中子反应堆还要求冷却剂的慢化能力强，快中子反应堆要求冷却剂的非弹性散射截面小。常用的液态冷却剂有轻水、重水和液态金属(钠或钠钾合金等)；气态冷却剂有氨气和二氧化碳等。^[6]

由于反应堆的类型不同，它们所用的冷却剂和慢化剂种类不一样，堆内的工作条件不同因此所用的结构材料也有差别。但一般来讲，要求反应堆的结构材料要有一定的机械强度、辐照稳定性能好、热导率高、热膨胀率低。^[6]

反应堆的结构材料除有常规材料应具有的力学性能、耐腐蚀和热导性外，还应具备抗辐照的特点，即要求辐照损伤引起的性能变化小。辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生的点缺陷和缺陷团，以及由其演化的离位峰、层错、贫原子区，和微空洞及析出的新相等。这些缺陷引起材料性能的宏观变化，称为辐照效应。辐照效应危及反应堆安全，应该受到反应堆设计人员的关注，这也是反应堆结构材料研究的重要内容。辐照效应包含了冶金与辐照的双重影响，即在原有的成分、组织和工艺对材料性能影响的基础上又增加了辐照产生的缺陷影响。^[6]

核燃料是指能产生裂变或聚变核反应并释放出巨大核能的物质，可分为裂变燃料和聚变燃料(或称热核燃料)两大类。裂变燃料主要指易裂变核素如铀-235、钚-239 和铀-238等。此外由于铀-238 和钍-232是能够转换成易裂变核素的重要原料，且其本身在一定条件下也可产生裂变，所以习惯上也称为核燃料。聚变燃料包含氢的同位素氛、氯，钾-6 和其化合物等。^[1]

核工程材料是指反应堆及核燃料循环和核技术中用的各种特殊材料，如反应堆结构材料、元件包壳材料、反应堆控制材料、慢化剂、冷却剂、屏敲材料等。例如，特种铝合金、锁特种不锈钢、特种陶瓷、高分子材料等。^[1]

裂变反应堆材料包括堆芯结构材料与堆芯外结构材料。一般来说，堆芯外结构材料基本上与其他结构材料相一致，而堆芯材料由于身处极强的核辐射中心，会产生强烈的辐照反应，因此必须满足特殊的、严格的核性能要求。^[7]

(1) 燃料元件用材料。一般认为针、镁和铀 3 种元素可以作为核燃料。^[7]

(2) 减速剂材料。如果想实现较好的减速效果，就要使裂变反应中的快中子能量与热中子能量达成一致水平。其中质量数接近中子的轻原子核能够对中子的减速产生促进作用。此外，合格的减速剂要满足中子散射截面较大、吸收截面较小的条件，具有代表性的减速剂有轻水、重水、镀和石墨。^[7]

(3) 控制材料。控制材料是指能够对反应堆产生控制作用的材料，一般会通过在堆芯中加入或取出易吸收中子的材料对裂变反应进行控制。中子吸收截面是热中子吸收特性的具体表现。而热中子吸收截面的面积大小主要由材料决定，不同的材料会有不同的热中子截面。锅、硼硅酸玻璃等都是比较常用的控制材料。给通常以直接裸露的金属形态在反应堆中发挥控制作用，大多作为控制棒，它与冷却剂能够很好地相容。在压水堆中，常用的控制棒材料是 B.C或者含有 4%锅的银-钢合金。而在沸水堆中，则只使用 B C。而其他的控制材料则需要由能够抵抗冷却剂腐蚀的套管包裹起来才能投入使用。通常情况下，控制材料应尽量选择吸收截面较大的材料。^[7]

核聚变能是解决人类未来能源需求和环境保护的终极能源。核聚变反应中每个核子放出的能量比核裂变反应中每个核子放出的能量大约要高 4 倍，因此核聚变能是比核裂变更为巨大的一种能量。太阳能就是氢发生核聚变反应所产生的。核聚变反应也称为热核反应，核聚变反应所用的燃料是气和气，既无毒性，又无放射性，不会产生环境污染和温室效应气体，是最具开发应用前景的清洁能源。^[7]

(1)增殖材料。增殖材料指的是的陶瓷或合金，且它们能够与中子发生反应进而生成。这种材料不少，主要有铝鲤合金、偏铝酸鲤 (LiA1O,) 等。通常来说，增殖材料需要具备一定的特性，主要集中在以下几点:氟fú增殖能力要强，化学稳定性要好，反应之后获得的氟也非常容易回收，残留量不能太高。^[7]

(2) 中子倍增材料。钾的原子密度低，产氟反应的概率相对减小，必须在增殖层中放置中子倍增材料。^[7]