PDF《高效慢化材料氢化锆的研制》

2 2

415 1氢化锆材料研制及使用现状 TOPAZ-n是前苏联在20世纪70年代研制的空间核反应堆动力系统.图1是其结构? 示意图,堆芯结构如图2所示.慢化剂圆盘均匀分布有37个垂直通孔.通孔中装人TFE (热离子燃料元件),其中3个TFE并联连接,为EM(电磁)泵提供750 A,0.

35 V 的电能,? 以维持1.

3 kg/s的冷却剂流速;

其余34个TFE串联连接,为负载提供6 kW,27 V的电能.? 所使用的慢化剂材料是整体氢化锆,其H/Zr=l. 80,氢化锆圆盘直径为260 mm.为利用? 俄罗斯在热离子堆方面的经验,美国政府购买了 TOPAZ― n系统的热离子堆元件,并在新? 墨西哥州的TSET(热离子系统评估测试)设备上进行测试.AFPL(空军phillips实验室)? 和新墨西哥热离子研究联盟对TOPAZ-n在稳态和瞬态运行状况下的安全和运行特性也进?

100 的发展.? 氢化锆因其较高的热稳定性、较高的氢? 浓度(见表1)、低的中子截获面(见表2)、良? 好的导热性,成为一种理想的空间反应堆用? 中子慢化剂材料.氢化锆慢化剂具有正的温? 度反应性效应,因此能减少反应堆燃料装载? 量、缩短启动时间,并使得反应堆能在较高温? 度(约650 °C)下工作而无须高压容器,对空? 间、远程飞机用微型反应堆能源有重要意义.? 热离子. ..燃料元件 冷却剂- 通道 X 图1TOPAZ-n空间核反应堆动力系统? 结构示意图?

37 mm 搀硼酸 的合金

67 mm Be反射层 行了深入的研究,期望测试结果应用于NEPSTP(核? 电推动空间试验)计划.? 美国在1953年开始ROVER计划研究,1960/年? 开始NERVA计划,两计划属NTP(火窬核动力榫? 动)内容.1989年布什政府提出SEI(宇宙探索H十? 划,目的在于在21世纪保持其宇航方面的领先地位,? 并使用月球环境考验过的系统进行火星旅行.SEI联? 合组(美国宇航局和原子能委员会组成)和大多数专? 家都认为NTP是最好的动力方案.NERVA系列反? 应堆概念是SEI计划的基准概念.SLIC(蜂窝状核动? 力火箭发动机)是NERVA系列发动机的核心,采用? 全新的核燃料设计方案,目的是减少核动力火箭发动? 机的重量,在不影响推动力的情况下简化堆芯设计.? SLIC?有两种设计方案,即IS-SLHC (Intermediate- Spectrum Square-Lattice Honeycomb)和M-SLHC (Moderated Square-Lattice Honeycomb).M-SLHC 与IS-SLHC的主要区别是前者采用了氢化锆慢化? 剂.? M - S L H C 堆芯的概念设计示意图如图3所示.? 中子经慢化剂慢化,热中子谱可使2

3 5 U更容易裂变,? 从而使

235 U装载量明显减少.与IS-SLHC相比,M- SLHC的临界直径从500 mm降到368 mm,

235 U 装? 图2TOPAZ-II堆芯结构示意图? .载量从92 kg降到9.

2 kg.可见尽化锆慢化剂的重要作用(当然还有反射器设计方面的因? 素)

130 mm 剂CaK却0JS慢gNa冷,%rH麟I'

ii-101 图3M-SLHC设计示意图制备氢化锆块材的方法主要有氢化锆粉末或锆粉压制成型进而氢化烧结和成型锆材氢? 化两种.由于粉末压制成型烧结的方法较难获得密度高的产品,因此目前国内外普遍采用? 成型锆材氢化的方法.? 成型锆材氢化的特点是随氢含量增高,材料膨胀和裂纹将增加.由Zr-H?二元平衡相? 图(见图4)知,随氢含量的增高相继出现《,|3,§和e相产物以及相应的两相区.膨胀和脆裂? 的原因是各相的晶格常数不同,氢含量增加过程将产生两相区、相变应力和裂纹.因此,国? 内外研究的重点之一是裂纹的形成机理,前苏联在20世纪70年代已成功地研制出满足空? 间堆要求的氢化锆.TOPAZ-II热离子空间堆使用的氢化锆的氢锆比为1.