[科普中国]-核反应器陶瓷

核反应器陶瓷是指以难熔化合物形态使用的陶瓷类核燃料。作为陶瓷体的核燃料化合物主要有三种：氧化物、碳化物和氮化物。其中，以氧化物研究得最多，使用也最广泛。轻水堆、重水堆，改进型气冷堆和快堆等均使用烧结的氧化物圆柱形燃料小块。高温气冷堆使用由氧化物或碳化物作成的包覆颗粒燃料在石墨基体中的弥散体，根据所需要的燃料元件的型式，可把弥散体压制，烧结成圆柱形棒或小球1。

概述核反应器陶瓷是指以难熔化合物形态使用的核燃料。主要分为两类：由铂（U）（或钚）和非金属元素氧（O）、碳（C）、氮（N）、硅（51）等形成的单一化合物；由铀与钚（Pu）（或铀与钍）的同种化合物组成的互溶物。相对于金属核燃料，它们的工作温度高；一般来说，与冷却剂及包壳材料的相容性好。缺点是密度低、导热性差、易脆化。二氧化铀陶瓷核燃料是陶瓷型核燃料中应用最广、研究最深的一种，被广泛用于压水式反应堆和沸水式反应堆2。

二氧化铀二氧化铀是一种黑色的固态半导体，其熔点高（2865℃），晶格结构为面心立方，在熔点下无晶型转变，各向同性，抗辐照稳定性好，且与水和包壳材料的相容性较好。虽然密度和导热系数低，质地脆硬，易由于大温度梯度造成的热应力而开裂，但优良的特性使其被广泛用于核燃料。需要注意的是，水溶液中二氧化铀的腐蚀与金属表面的电化学腐蚀是类似的电化学过程3。

氮化铀氮化铀（UN）拥有很高的熔点，常作为NASA制造的核反应堆的核燃料。氮化铀的导热系数比二氧化铀高。但除非氮-15（N）取代了较常见的氮-14（N）被用来制备氮化铀燃料，否则核燃料中的氮-14元素会与中子反应生成大量的碳-14（C）。由于生产氮-14十分昂贵，所以可能需要通过火法（pyromethod）再加工以使氮-15得到弥补。如果将核燃料在加工后溶解于硝酸中，可将氮-15的同位素分离3。

碳化铀碳化铀燃料通常用于液态金属冷却堆中，并被封装在针状燃料元件里。对它们的研究及应用始于紧张的20世纪60至70年代。然而，最近关于板形碳化铀燃料的研究也再次成为热点，尤其是在微型核燃料颗粒（如TRISO颗粒）的研究上。

碳化铀的高熔点（2450℃）和良好的导热性特性使其成为了一个很有吸引力的燃料。因为碳化铀燃料中不含氧元素（在放射过程中，氧气或其他气体的释放会导致堆内产生额外的压力），并配合陶瓷涂层（在结构和化学性质上有优势），碳化铀将成为某些第四代裂变反应堆燃料的理想候选者——例如高温气冷堆。

碳化物铀碳（U一C）二元系中有UC、UC2和U2C33种化合物，其中在熔点以下稳定的只有UC。UC遇水发生分解，在水冷反应堆中一般不用。UC和PuC有相同的晶体结构，可形成连续固溶体（U，Pu）C。其重原子密度高，轻原子数与重原子数比为1，故中子经济性好，在堆内可转换出更多的易裂变核素。碳化物的热导率比氧化物的高5一8倍，在堆内使用时有较平坦的径向温度梯度，又可获得较高的功率密度，对一定的输出功率，可装载较少的易裂变核素，所以用（U，Pu）C作快中子增殖堆的燃料可以大大缩短加倍时间3。

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学