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第1章　概述1

1.1　核燃料分类1

1.1.1　裂变核燃料1

1.1.2 聚变核燃料2

1.1.3　可转换核素·增殖材料·再生燃料3

1.2　核燃料资源4

1.2.1　铀4

1.2.2　钚4

1.2.3　钍5

1.2.4　氘5

1.2.5　氚和锂5

1.3　裂变核燃料的临界质量和临界体积6

1.4　核燃料的入堆形式8

1.4.1　裂变核燃料的入堆形式与核燃料元件8

1.4.2　聚变核燃料的入堆方式和燃料单元12

1.5　裂变核燃料的富集度·浓缩铀12

1.6　裂变核燃料材料的类型和化学成分13

1.6.1　金属型燃料13

1.6.2　弥散型燃料14

1.6.3　陶瓷型燃料15

1.7　核燃料的增殖16

1.7.1　裂变核燃料的增殖16

1.7.2　聚变核燃料氚的增殖18

1.8　核燃料循环19

1.8.1　裂变核燃料循环19

1.8.2　聚变核燃料循环21

1.9　核燃料的危害与安全操作21

1.9.1 铀、钚、钍的化学毒性及防护21

1.9.2　核燃料的辐射危害与防护22

1.9.3　裂变核燃料的临界安全27

1.9.4　火灾预防28

参考文献29

第2章　铀30

2.1　铀矿的开采、选矿和铀的提取30

2.1.1　铀矿的开采30

2.1.2　铀矿石的选矿31

2.1.3　铀的提取31

2.2　铀同位素的分离35

2.2.1　铀同位素分离的意义35

2.2.2　铀同位素分离的方法35

2.2.3　铀同位素分离的原料39

2.3　铀及其合金的获得41

2.3.1　金属铀的制取41

2.3.2　复合热还原制备铀合金45

2.3.3　铀及铀合金的精炼46

2.4　铀的基本特性49

2.4.1　铀的晶体结构和物理性能49

2.4.2　铀的化学性质57

2.4.3　铀的核性质64

2.4.4　铀的金相组织72

2.4.5　铀的力学性能76

2.4.6　铀的塑性变形81

2.4.7　铀的热处理85

2.4.8　铀的腐蚀92

2.5　铀合金96

2.5.1　铀-钼系合金96

2.5.2　铀-铬系合金103

2.5.3　铀-铝系合金107

2.5.4　铀-锆系合金110

2.5.5　铀-铌系合金113

2.5.6　铀-硅系合金114

2.5.7　铀-钛系合金116

2.5.8　多元铀合金系121

2.6　铀及其合金的压力加工126

2.6.1　铀的压力加工126

2.6.2　铀合金的压力加工132

2.6.3　铀及其合金的加工织构134

2.7　铀及铀合金的辐照行为135

2.7.1　铀在辐照作用下的生长和皱折现象135

2.7.2　肿胀138

2.7.3　铀在辐照作用下物理及力学性能的变化138

2.7.4　辐照对铀的显微组织的影响140

2.7.5　铀合金的辐照行为140

参考文献141

第3章　钚及钚-镓合金143

3.1 引言143

3.2　钚在核武器中的应用144

3.3　钚的研制和生产概述146

3.3.1　钚的发现146

3.3.2　曼哈顿工程的建立147

3.3.3　钚生产的4个发展阶段147

3.4　钚的特性149

3.4.1　辐射特性150

3.4.2　临界性152

3.4.3　放射性152

3.4.4 自燃性153

3.4.5　化学活性154

3.5　钚的物理性质155

3.5.1 晶体结构155

3.5.2　密度157

3.5.3　热膨胀系数157

3.5.4　热容（比热容）157

3.5.5　热导率158

3.5.6　其他热物理性质159

3.5.7　热电势159

3.5.8　电阻和磁化率159

3.5.9　静压力学性质161

3.6　钚的相变164

3.6.1　β→α和α→β相变动力学164

3.6.2　α→β相变循环对物理损伤的影响165

3.6.3　高压下制取无物理损伤的α-Pu金属165

3.7　钚的自辐照效应166

3.7.1 自辐照效应的图示描述166

3.7.2　晶格损伤和氦泡167

3.7.3　空位和氦泡的观察167

3.7.4　辐照损伤的室温修复和加速损伤研究168

3.8　δ相钚-镓（或铝）合金169

3.8.1　Pu-Ga合金特征169

3.8.2　美国和俄罗斯Pu-Ga相图的差异171

3.8.3　α-Pu和δ-Pu合金的性能差别172

3.8.4　温度和压力对δ-Pu合金引起的相变173

3.9　钚及钚合金的力学性能174

3.9.1　钚的力学性能174

3.9.2　δ相Pu-Ga合金的力学性能180

3.9.3　Pu-Ce-Ga、Pu-Zn-Ga和Pu-Al-Ga三元δ-Pu合金的性能184

3.10　钚及钚合金的精炼、熔铸和热处理188

3.10.1　精炼188

3.10.2　Pu-Ga合金的配制189

3.10.3　铸造190

3.10.4　热处理195

3.11　成形加工200

3.11.1　模压200

3.11.2　挤压200

3.11.3　轧制201

3.11.4 焊接201

3.12　切削加工202

3.12.1　刀具材料、刀具设计和切削速度202

3.12.2　冷却剂和润滑剂203

3.12.3　加工气氛和防止切屑燃烧203

3.12.4　防止腐蚀和氧化203

3.12.5　温度的控制203

3.13　钚安全防护的基本知识204

3.13.1　临界危险的预防措施204

3.13.2　放射性的预防204

3.13.3　预防和扑灭钚着火204

参考文献205

第4章　钍及钍合金208

4.1 引言208

4.2　物理性质209

4.2.1　晶体结构、熔点和相变温度210

4.2.2　密度和弹性常数211

4.2.3　电阻率212

4.2.4　超导性213

4.2.5　温差电势率213

4.2.6　热导率213

4.2.7　热膨胀系数214

4.2.8　电子比热系数和功函数214

4.2.9　定压质量比热容215

4.2.10　磁化率216

4.2.11　霍耳效应216

4.2.12　热辐射系数216

4.2.13　状态方程216

4.2.14　钍内的扩散217

4.3　钍及钍合金的力学性能220

4.3.1　钍的屈服强度221

4.3.2　拉伸强度（σb）与屈服强度（σ0.2）的关系224

4.3.3　塑性224

4.3.4　压缩225

4.3.5　应变硬化226

4.3.6　硬度227

4.3.7　冲击能228

4.3.8　疲劳228

4.3.9　辐照效应228

4.3.10　钍合金231

4.4　钍的熔炼和精炼236

4.4.1　熔炼和铸造236

4.4.2　精炼（纯化）237

4.5　退火和成形加工239

4.5.1　退火处理239

4.5.2　加工和成形241

参考文献244

第5章　弥散燃料246

5.1　概述246

5.2　燃料化合物的组成相及获得途径247

5.2.1　铀铝化合物247

5.2.2　铀氧化合物248

5.2.3　铀硅化合物257

5.2.4　U-ZrHx燃料制备261

5.2.5　铀钼燃料制备270

5.3　燃料芯体的制造272

5.3.1　铀铝化合物型芯体272

5.3.2　铀氧化合物型芯体274

5.3.3　铀硅化合物型芯体276

5.3.4　铀氢锆型芯体277

5.4　燃料芯体的物理性能277

5.4.1　燃料芯体的孔隙率277

5.4.2　燃料芯体的密度和组成物的体积比279

5.4.3　燃料芯体中含铀密度280

5.5　燃料芯体的热性能281

5.5.1　热导率281

5.5.2 比热容283

5.5.3　热膨胀系数285

5.6　力学性能286

5.7　化学性能290

5.7.1　燃料与铝之间的反应290

5.7.2　燃料和水、燃料和蒸汽的反应295

5.8　辐照引起的肿胀298

5.8.1　铝-铀合金辐照肿胀300

5.8.2　铀-锆合金辐照肿胀303

5.8.3　U3Si和U3Si2弥散型芯体304

5.8.4　U3O8和UO2弥散型芯体307

5.9　起泡试验313

5.9.1　起泡的阈值温度313

5.9.2　裂变产物释放313

参考文献314

第6章　陶瓷核燃料316

6.1　氧化物燃料317

6.1.1　铀氧化物的物理性能318

6.1.2　二氧化铀的力学性能332

6.1.3 二氧化铀的辐照肿胀和裂变气体释放340

6.1.4　二氧化铀芯块的化学性能353

6.1.5　铀矿的开采与浓缩360

6.1.6　UO2粉末的制造366

6.1.7　UO2芯块的制造374

6.1.8　可燃毒物UO2芯块的制造377

6.1.9　混合氧化物燃料（MOx）芯块的制造380

6.2　非氧化物陶瓷燃料383

6.2.1　碳化物、氮化物陶瓷燃料的物理-化学性能383

6.2.2　制备碳化物、氮化物的主要方法389

6.2.3　碳化物、氮化物的烧结392

参考文献393

第7章　氘氚和氘氚化锂397

7.1　氘和氚的物理性质397

7.1.1　一般物理性质397

7.1.2　氚的放射性399

7.1.3　氢同位素的聚变反应399

7.1.4　氢同位素和水的交换反应399

7.2　氢同位素在金属中的溶解、扩散和渗透400

7.2.1　氘氚在金属中的溶解401

7.2.2　氢同位素在金属中的扩散和渗透402

7.3　氢同位素的净化405

7.3.1　金属钯管渗透405

7.3.2　铀床净化406

7.4　氢同位素的分离407

7.4.1　色谱法分离氢同位素407

7.4.2　热循环吸附法分离氢同位素409

7.4.3　热扩散法411

7.4.4　钯合金膜氢同位素分离技术411

7.4.5　低温蒸馏法413

7.5　氢同位素的储存和增压413

7.5.1　铀床及铀锆床414

7.5.2　锆-钴合金化学床415

7.5.3　金属氢化物床的增压技术416

7.6　氕氘氚混合气体中的同位素交换420

7.7 氚在不锈钢中存在的形式——固溶氚和气态氚424

7.8 自辐射显影技术显示氚在钢中的偏聚425

7.9　氚及其衰变的氦3对不锈钢力学性能的影响430

7.9.1　氦3含量对不锈钢力学性能的影响430

7.9.2　氦3在不锈钢中的分布432

7.9.3　含氦不锈钢的焊接433

7.10　阻氚渗材料434

7.10.1　不锈钢表面原位氧化生成阻氚层434

7.10.2　用硝酸氧化不锈钢生成阻氚膜435

7.10.3　不锈钢表面渗铝阻氚层436

7.10.4　碳化钛和氮化钛阻氚层438

7.11　氘的生产440

7.11.1　蒸馏方法441

7.11.2　电解水生产氘442

7.11.3　蒸汽-氢双温交换反应方法442

7.11.4　水-硫化氢双温交换方法443

7.11.5　蒸馏液氢制取氘443

7.12　氚的生产444

7.12.1　裂变堆生产氚445

7.12.2　聚变堆的氚增殖材料446

7.12.3 从重水反应堆的慢化剂中回收氚……451.7.12.4　用加速器生产氚452

7.13　氘氚化锂的物理性质452

7.13.1　晶型、密度和热膨胀453

7.13.2　热学性质454

7.13.3　氢化锂的力学性质455

7.13.4　锂-氢化锂相图及氢化锂的压力-组分等温线456

7.14　氘氚化锂的辐照效应457

7.14.1　γ射线外辐射引起的LiH辐照效应457

7.14.2　氚化锂的肿胀和放气459

7.15　氘氚化锂的生产463

7.15.1　粉末氘氚化锂生产463

7.15.2　氘氚化锂试样的成形465

7.16　氚的安全与防护466

7.16.1　氚对人体的危害466

7.16.2　氚的监测467

7.16.3　含氚废料的处理468

参考文献469

第8章　包覆颗粒燃料473

8.1　高温气冷堆473

8.1.1 高温气冷堆的基本概念及类型473

8.1.2　高温气冷堆发展历史473

8.1.3　模块式高温气冷堆的优点477

8.2 高温气冷堆燃料元件概述478

8.2.1　高温气冷堆燃料元件类型及发展概况478

8.2.2　包覆燃料颗粒类型及发展概况482

8.2.3　燃料核芯类型及发展概况484

8.3 高温气冷堆燃料元件设计485

8.3.1　设计任务485

8.3.2　设计准则485

8.3.3　设计参数488

8.3.4　包覆燃料颗粒包覆层设计参数489

8.3.5　燃料元件设计参数492

8.4　包覆颗粒燃料制造494

8.4.1　概述494

8.4.2　燃料核芯的制造494

8.4.3　包覆燃料颗粒的制造497

8.4.4　球形燃料元件的制造501

8.4.5　棱柱形元件的制造504

8.5　性能检验506

8.5.1　燃料元件质量控制506

8.5.2　主要性能检验方法507

8.6 高温气冷堆燃料元件辐照试验509

8.6.1　辐照引起高温气冷堆燃料元件的性能变化510

8.6.2 高温气冷堆燃料元件辐照试验目的及其试验步骤511

8.6.3　堆内辐照试验514

8.6.4　辐照后检验技术518

参考文献521