中國粉體網訊 自從1942年第一座核反應堆在美國建立，核工業(yè)已經發(fā)展了將近八十年。作為一把雙刃劍，核能的發(fā)展為社會進步做出了非常大的貢獻，但也發(fā)生了多次核泄漏事件，得到的教訓異常慘痛。因此，隨著核工業(yè)的發(fā)展，對其需要的材料提出了更高的要求。在應用于核工業(yè)的各類新興材料中，陶瓷及復合材料不斷地受到重視，現在已廣泛的應用于核反應堆燃料、組件以及核廢料處理等各個方面�？梢哉f，陶瓷材料在避免核災難發(fā)生中起到了“鎮(zhèn)妖劍” 的作用。
（2011年3月11日，日本東北外海發(fā)生9級大地震，福島第一核電廠無法正常運作，導致爐心熔毀，泄漏放射性物質。）
由于目前核工業(yè)的發(fā)展重心從核武器轉移到了裂變核反應堆，現在各國又開始共同研究聚變核反應堆。今天我們主要闡述陶瓷材料在生產型核反應堆中的應用。
陶瓷型核燃料
裂變反應堆的燃料可以分為金屬型燃料元件、彌散型燃料元件和陶瓷型燃料元件三種，其中陶瓷型燃料元件即各種類型的陶瓷芯塊或球體，主要化學成分為二氧化鈾。
由于不同反應堆對燃料性能有不同的要求，因此會衍生出不同化學成分、不同規(guī)格的陶瓷型燃料元件，現在各反應堆主要使用的有無其它添加成分的UO2陶瓷芯塊，添加了其他放射型金屬氧化物的MOX燃料芯塊，以及包覆型燃料顆粒。
UO2陶瓷芯塊
UO2陶瓷芯塊主要應用于輕水堆與重水堆中，對于芯塊的性能，我國制定了相應的國家標準GB/T10266－2008，對其在化學要求、核要求等方面作了詳盡的規(guī)定。
相比于低富集UO2陶瓷芯塊，天然UO2陶瓷芯塊后備反應性小。因此，對原料粉末要求更高。總體來說，芯塊呈圓柱體，兩端有蝶形凹陷，端部設計了倒角。
兩種芯塊的制造流程與一般的陶瓷生產工藝流程基本一致，主要分為混合、干壓制粒、冷壓成型、燒結、磨削五大步。大多數芯塊都采用UO2粉末壓制成型，在1750℃高溫下經數小時燒結而成。
燒結時需要控制燒結溫度、燒結時間與生坯密度，從而控制燒結密度。而改變燒結氣氛可以制出大晶粒芯塊，比如日本采用氧化還原和添加Al2O3－SiO2的液相燃燒技術來制造大晶粒芯塊。
（圖片來源：中國核工業(yè)集團有限公司）
MOX燃料芯塊
MOX燃料芯塊主要用于快中子堆，但隨著20世紀80年代中期以來快堆計劃的推遲，輕水堆與重水堆使用MOX燃料芯塊的研究也已經展開，其中某些輕水堆已經開始在堆料中配上一定數量的MOX燃料芯塊。芯塊的主要成分為二氧化鈾與二氧化钚。
傳統(tǒng)的MOX芯塊制造包括球磨、制粒、壓制成型和燒結四道工序，具體流程有共研磨法和AUPuC法工藝流程、MIMAS工藝流程和SBR工藝流程。
制備中使用的粉末參見標準NFM60－416－2000。標準球磨工藝分兩類，一類是先混合UO2和PuO2粉末再碎化，另一類是先碎化PuO2粉末再混入活化UO2粉末。
壓制工藝目前多使用液壓式壓機，加壓方法用雙向加壓對生坯質量有利，成型的生坯密度為5～6g/cm3。
MOX芯塊的燒結是在約1700℃的還原性氣氛中進行，保溫時間2-3小時。此外，比利格核股份有限公司研發(fā)了制造無污染MOX燃料棒的方法，并已對這一方法在國際上申請了專利(G21C21/02(2006.01)I)。
包覆型燃料顆粒
包覆型燃料指在燃料顆粒外層涂上特殊的涂層，用來約束裂變材料，阻擋裂變產物釋放，目前應用于高溫氣冷堆。
目前最先進的包覆型燃料顆粒為TRISO顆粒，這種顆粒的核芯一般為富集UO2，核芯外有四層包覆層，從內到外分別為疏松的熱解碳層、各向同性的熱解碳層、碳化硅層以及最外的各向同性熱解碳層。
吸收棒吸收體
為了裂變反應的速率在一個預定的水平上，需用控制棒和安全棒(總稱為吸收棒)對反應速率進行調節(jié)，其中控制棒用來補償燃料消耗和調節(jié)反應速率，安全棒則用來快速停止反應�，F行吸收棒內廣泛應用于輕水堆、重水堆、高溫氣冷堆與快中子堆之中，使用的吸收體主要為碳化硼粉末或是碳化硼芯塊。
核反應堆慢化劑
核裂變堆中的裂變反應是由中子轟擊235U引起的。在輕水堆、重水堆和高溫氣冷堆中，相比中子裂變產生的快速中子，慢速中子更易引發(fā)235U裂變。
因此，這些堆中需要能使中子速度減慢的材料，即為慢化劑。目前國際上通用的慢化劑包括水、石墨、鈹、氧化鈹等，其中作為陶瓷材料的氧化鈹被考慮作為未來的一種慢化劑。
氧化鈹是一種難熔材料，十分穩(wěn)定致密。它的高溫蒸氣壓和蒸發(fā)速度低，在惰性氣氛中即使溫度達到2000℃也可長期使用，但由于氧化鈹會與水蒸氣反應生成氫氧化鈹，因此在氧化氣氛中溫度達到1800℃明顯揮發(fā)，水蒸氣中溫度達到1500℃即大量揮發(fā)。
BeO陶瓷芯塊的主要性能與理論有所差別。值得注意的是，隨著溫度增加，BeO比熱容急劇升高，熱導率則急劇下降，熱膨脹系數則稍有提高。
機械強度方面，BeO約為Al2O3的1/4，但高溫強度良好。此外，BeO核性能良好，對中子減速能力強，對X射線則有很高的穿透力，在高溫下BeO僅與碳、硅和硼發(fā)生很弱的反應。
BeO陶瓷可通過常規(guī)成型與燒結方法，包括干壓燒結與熱壓燒結。核級氧化鈹粉末的技術要求參見ASTMC708－08。標準干壓、燒結時壓力為100MPa，壓坯在1800℃燒結10分鐘，高純BeO如果仔細控制加壓加熱條件可生產出高密度制品。
核反應堆氧傳感器用ZrO2陶瓷
目前加速器驅動次臨界系統(tǒng)（ADS）被認為是一種較為理想的核廢料嬗變處理裝置。在以鉛鉍合金（LBE）為散裂靶或冷卻劑的ADS系統(tǒng)中，液態(tài)鉛鉍合金中氧含量的控制與測量對ADS系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運行有著重要意義，因此需將氧含量控制在合理范圍內。
氧濃度的控制水平取決于氧傳感器對液態(tài)鉛鉍合金中溶解氧的測量水平，因此氧傳感器的研制成為近十幾年來的研究熱點之一。
由于ZrO2固體電解質氧傳感器具有測量精度高、范圍廣以及可直接以電壓（或電流）形式輸出等特點，因此成為氧傳感器關注的重點。
參考來源：
[1]崔冰.核反應堆氧傳感器用ZrO2陶瓷連接技術研究進展
[2]施涵.裂變核反應堆中的陶瓷材料應用概述
（中國粉體網編輯整理/山川）
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