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第1章 核能利用与核材料1

1.1 核电发展概况1

1.1.1 天然的核反应堆1

1.1.2 核电厂的原理及优势2

1.1.3 核电厂系统组成3

1.1.4 核电厂主要反应堆类型6

1.1.5 世界核电发展历史和现状13

1.1.6 中国核电发展后来居上17

1.2 核反应堆部件的功能和工件环境21

1.2.1 核燃料元件22

1.2.2 慢化剂23

1.2.3 冷却剂23

1.2.4 堆内构件23

1.2.5 控制棒组件24

1.2.6 反射层24

1.2.7 反应堆容器24

1.2.8 安全壳25

1.2.9 屏蔽层25

1.2.10 回路管道25

1.2.11 主泵25

1.2.12 蒸汽发生器26

1.2.13 稳压器26

1.3 对核反应堆材料的要求26

1.3.1 低中子俘获截面27

1.3.2 辐照稳定性28

1.3.3 耐蚀性28

1.3.4 相容性28

1.4 核电厂材料的分类29

1.4.1 常规岛用材料29

1.4.2 反应堆核岛用材料29

1.5 利用材料科学与工程四要素分析核材料30

1.5.1 材料科学与工程四要素30

1.5.2 各类核反应堆电厂的结构部件及所用材料31

1.5.3 压水堆核电厂结构及所用材料33

复习题及习题35

第2章 核燃料37

2.1 核燃料概述37

2.1.1 核燃料的分类37

2.1.2 核燃料资源39

2.1.3 裂变核燃料的临界质量和临界体积40

2.1.4 核燃料的入堆形式41

2.1.5 裂变核燃料的富集度·浓缩铀43

2.1.6 裂变核燃料材料的类型和化学成分44

2.1.7 核燃料的增殖46

2.2 金属型燃料47

2.2.1 铀和铀合金48

2.2.2 铀-钚-锆合金50

2.3 二氧化铀燃料的制造55

2.3.1 二氧化铀作为核燃料的优势55

2.3.2 二氧化铀燃料芯块的生产流程55

2.3.3 对UF6原料和二氧化铀粉末产品的初步了解56

2.3.4 二氧化铀粉末的生产58

2.3.5 二氧化铀芯块的生产62

2.3.6 压水堆燃料元件（棒）制造64

2.3.7 燃料组件64

2.4 二氧化铀的基本性质65

2.4.1 铀-氧系相图65

2.4.2 物理性质65

2.4.3 热物理性质67

2.4.4 二氧化铀燃料的力学性能68

2.4.5 二氧化铀燃料的化学性能69

2.5 二氧化铀芯块的堆内行为70

2.5.1 辐照下二氧化铀燃料中发生的现象70

2.5.2 芯块开裂71

2.5.3 芯块密实化72

2.5.4 重结构72

2.5.5 辐照肿胀73

2.5.6 裂变气体释放73

2.5.7 氧及可挥发性裂变产物的再分布75

2.6 MOX燃料75

2.7 高性能陶瓷燃料76

2.7.1 陶瓷型燃料对比76

2.7.2 碳化物燃料77

2.7.3 氮化物燃料82

2.8 其他燃料85

2.9 核燃料循环85

2.9.1 裂变核燃料循环85

2.9.2 聚变核燃料循环88

2.9.3 核反应堆中放射性物质的生成88

2.9.4 核裂变与裂变能88

2.9.5 核裂变中生成的放射性物质90

2.9.6 放射性废弃物及其处理和处置92

复习题及习题93

第3章 锆合金包壳材料95

3.1 热堆燃料元件包壳材料选取原则95

3.1.1 包壳的作用及包壳材料应具备的条件95

3.1.2 各种热堆包壳材料简介96

3.1.3 轻水堆包壳材料非锆莫属96

3.2 金属锆的基本性质97

3.2.1 锆的发展简史97

3.2.2 锆的矿物资源97

3.2.3 锆的基本性质98

3.2.4 锆的晶体结构99

3.2.5 锆的塑性形变特点100

3.3 锆的合金化101

3.3.1 锆合金的合金化原理101

3.3.2 锆锡合金的发展102

3.3.3 锆合金包壳材料的成分及其作用102

3.4 锆合金在反应堆中的应用104

3.4.1 锆合金用于反应堆的发展历程104

3.4.2 作为燃料包壳材料的锆合金104

3.4.3 用于反应堆的其他锆合金107

3.4.4 中国的锆合金发展107

3.5 锆合金管的制造107

3.5.1 锆合金管制造工艺流程107

3.5.2 冶炼和铸锭制造108

3.5.3 压力加工和热处理111

3.5.4 锆合金包壳的微观组织结构和宏观特性113

3.6 锆合金的力学性质114

3.6.1 Zr-2和Zr-4合金的基本力学性质114

3.6.2 Zr-2和Zr-4合金的蠕变性能115

3.7 锆合金包壳管的堆内行为115

3.7.1 表面腐蚀（氧化）115

3.7.2 吸氢与氢脆117

3.7.3 锆合金辐照生长119

3.7.4 力学性能变化120

3.7.5 芯块与包壳的相互作用120

3.8 事故条件下锆合金管的行为122

3.8.1 失水事故条件下锆合金包壳管的行为122

3.8.2 堆芯熔毁事故条件下的包壳行为125

复习题及习题128

第4章 压力壳用低合金高强度钢129

4.1 钢及镍合金构成轻水堆的骨架和循环系统129

4.1.1 一座100万kW核电厂要使用5万t以上的优质钢材129

4.1.2 压力容器的作用及服役条件分析130

4.1.3 压力容器成形加工及焊接131

4.1.4 压水堆核电厂核岛部分用大型锻件134

4.2 反应堆压力容器及选材特殊要求136

4.2.1 反应堆容器及对反应堆安全的保障136

4.2.2 反应堆对钢和镍合金材料的特殊要求137

4.3 核电压力容器用钢及其演化历史139

4.3.1 核电压力容器用钢简介139

4.3.2 核电压力容器用钢的演化历史141

4.3.3 压力容器钢及其性质143

4.4 SA508（20 MnMoNi）系列钢的化学成分和力学性能145

4.4.1 压水堆压力容器用钢的化学成分和力学性能145

4.4.2 SA508系列钢中的主要元素及其作用146

4.5 SA508-3钢的冶炼、加工及热处理148

4.5.1 SA508-3钢的冶炼148

4.5.2 通过控制锻造提高合金钢的性能148

4.5.3 借由γ→α相变实现α相晶粒细化150

4.5.4 贝氏体组织SA508-3压力容器用钢150

4.5.5 调质处理的SA508-3压力容器用钢150

4.6 压力容器钢的辐照脆化及其影响因素151

4.6.1 压力容器钢的辐照脆化151

4.6.2 压力容器钢的辐照脆化的影响因素153

4.7 大型锻件中的氢及氢损伤157

4.7.1 大型锻件中氢的来源157

4.7.2 氢在钢中的存在状态157

4.7.3 氢在钢中的渗透与溶解158

4.7.4 氢对钢力学性能的影响159

4.7.5 氢脆理论159

复习题及习题160

第5章 反应堆用不锈钢161

5.1 何谓不锈钢161

5.1.1 不锈钢的定义161

5.1.2 不锈钢“不生锈”的原因161

5.1.3 有哪些类型的不锈钢162

5.1.4 为什么奥氏体不锈钢在反应堆中用得最多164

5.2 不锈钢的成分和相组成特点165

5.2.1 各类不锈钢的成分和相组成特点165

5.2.2 铬镍奥氏体不锈钢的热处理167

5.2.3 不锈钢的发展和性能提高169

5.3 不锈钢的基本性质170

5.3.1 物理性质170

5.3.2 力学性质170

5.3.3 耐蚀性171

5.4 不锈钢在反应堆中的应用172

5.4.1 堆芯和堆内构件以及控制棒驱动机构用不锈钢和镍合金172

5.4.2 一回路管道和冷却剂泵用不锈钢175

5.4.3 对反应堆用不锈钢性能的要求176

5.5 不锈钢在堆内的腐蚀行为176

5.5.1 不锈钢在水溶液中的几种主要腐蚀现象176

5.5.2 奥氏体不锈钢在堆内的腐蚀183

5.5.3 管道材料的应力腐蚀184

复习题及习题186

第6章 核电厂用高温合金和耐热钢187

6.1 蒸汽发生器严酷的服役环境187

6.1.1 反应堆中的蒸汽发生器187

6.1.2 蒸汽发生器的服役环境和各类腐蚀问题188

6.2 蒸汽发生器传热管材料现状190

6.2.1 传热管破损的部位和原因190

6.2.2 传热管材料现状191

6.3 反应堆用高温合金192

6.3.1 高温合金的种类192

6.3.2 高温合金的合金化原理和相组织193

6.3.3 合金元素的作用及其对性能的影响195

6.3.4 镍基合金的抗SCC性能197

6.3.5 堆芯用镍基合金199

6.4 耐热钢的合金化原理200

6.4.1 耐热钢的性能要求201

6.4.2 耐热钢的合金化措施201

6.5 超临界发电机组用9%～12%Cr马氏体耐热钢204

6.5.1 超临界机组发电是提高热效率的有效手段204

6.5.2 铁素体耐热钢的发展历史205

6.5.3 9%～12%Cr马氏体耐热钢的强化机理206

6.5.4 9%～12%Cr马氏体耐热钢的研究现状及主要存在的问题209

6.5.5 G115钢的成分设计215

复习题及习题216

第7章 高温气冷堆用石墨材料217

7.1 高温气冷堆——石墨的用武之地217

7.1.1 高温气冷堆是第四代反应堆的代表217

7.1.2 高温气冷堆用石墨材料217

7.2 石墨的结构、性能及制作工艺218

7.2.1 石墨的晶体结构218

7.2.2 石墨的独特性能使其成为核能领域的关键材料220

7.2.3 核石墨的基本制作工艺221

7.3 高温气冷堆用包覆颗粒燃料221

7.3.1 高温气冷堆简介221

7.3.2 高温气冷堆燃料元件类型223

7.3.3 包覆燃料颗粒类型225

7.3.4 燃料核芯类型228

7.4 高温气冷堆用石墨的发展228

7.4.1 核石墨的制作228

7.4.2 石墨在高温气冷堆中的应用231

7.4.3 各国高温气冷堆石墨的发展234

7.4.4 核石墨材料的发展方向237

复习题及习题238

第8章 快堆燃料和包壳材料239

8.1 实现核燃料增殖的有效途径——快中子增殖堆239

8.1.1 快堆发展已进入第三代239

8.1.2 可转换核素和核燃料的增殖240

8.1.3 快中子增殖堆的特征241

8.2 快堆燃料组件243

8.2.1 燃料组件的功能和结构243

8.2.2 快中子增殖堆燃料的发展史、现状和发展趋势246

8.3 快堆燃料元件的使用环境和性能要求249

8.3.1 快堆燃料组件极严酷的工作环境249

8.3.2 快堆燃料芯块的发热分析250

8.3.3 快堆用二氧化铀燃料251

8.4 快堆用MOX燃料制造252

8.4.1 用于快堆和热堆的MOX燃料252

8.4.2 快堆MOX核燃料组件制造流程252

8.4.3 MOX粉末制造254

8.4.4 MOX芯块制造259

8.5 （U，Pu）O2的基本性质及堆内行为261

8.5.1 物理性质261

8.5.2 力学性质263

8.5.3 堆内行为264

8.6 快堆包壳材料265

8.6.1 快堆包壳材料应具备的条件265

8.6.2 材料选择要求265

8.6.3 材料的选择和演化266

8.7 快堆包壳材料的辐照损伤267

8.7.1 辐照损伤机制267

8.7.2 不锈钢的辐照效应271

8.7.3 新型抗肿胀合金274

复习题及习题277

第9章 中子吸收材料及屏蔽材料278

9.1 中子吸收材料278

9.1.1 反应堆控制概述278

9.1.2 碳化硼陶瓷281

9.1.3 银-铟-镉和合金283

9.1.4 铪285

9.1.5 稀土氧化物287

9.2 屏蔽材料289

9.2.1 辐射屏蔽的基础知识289

9.2.2 屏蔽材料291

复习题及习题292

第10章 聚变堆材料294

10.1 聚变能与聚变堆294

10.1.1 取之不尽，用之不竭的能量源泉294

10.1.2 聚变堆基本原理——等离子体的约束、加热和诊断297

10.1.3 磁惯性约束核聚变298

10.1.4 惯性约束聚变实验装置302

10.2 聚变堆中的面向等离子体材料303

10.2.1 聚变堆中的核反应及相关材料问题303

10.2.2 面向等离子构件的工况及对第一壁材料的要求304

10.2.3 等离子体-材料表面相互作用305

10.2.4 面向等离子体材料现状306

10.2.5 高能中子辐照效应307

10.3 第一壁材料及结构309

10.3.1 第一壁材料309

10.3.2 第一壁结构实例309

10.4 聚变堆设计和工况条件311

10.4.1 第一壁环境条件311

10.4.2 真空壁材料的设计限值311

10.4.3 聚变堆材料与裂变堆材料使用性能的比较312

复习题及习题313

缩略语314

参考文献320