2010年1月10日
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核工业是在“完美风暴”的眼中，燃料油和天然气价格靠近历史新高，全球能源需求以惊人的速度增加，对温室气体（温室气体）排放的担忧增加了许多看起来负面的疑虑长期使用化石燃料。这种因素的融合导致了越来越兴趣的核电行业在美国和全球范围内的振兴。
许多人感到惊讶地认为核电在美国的电力大约20％的电力提供了大约16％的世界范围内的电力。在上述因素中，全球超过130个新的反应堆项目正在考虑美国大约25个新的许可申请。
亚博网站下载材料在整个燃料循环中，长期在核工业中发挥了非常重要的作用;从燃料制造到废物稳定。随着国际社会开始看看先进的反应堆系统和燃料循环，最小化浪费和增加增殖阻力，材料将发挥更大的作用。亚博网站下载许多正在评估的高级反应堆概念在需要使用耐用的耐热材料的高温下运行。亚博网站下载
先进的金属和陶瓷燃料正在为各种第四代反应堆概念进行研究。这些燃料包括传统的triso涂层颗粒、用于“深度燃烧”的先进合金燃料以及先进的惯性基体燃yabo214料。为了尽量减少废物和遗留材料，正在调查若干燃料再处理作业。亚博网站下载通过稳定高耐久性水亚博网站下载泥、陶瓷和玻璃中相关的低水平和高水平废物，先进材料继续为“关闭燃料循环”做出重要贡献。
除了这种裂变能源应用之外，融合能量将需要高温等离子体系统极端环境的先进材料。亚博网站下载融合反应器可能取决于锂基陶瓷，以产生燃料融合等离子体的氚，而高温合金或陶瓷将含有并控制热等离子体。所有虽然，合金，陶瓷和陶瓷相关的过程继续在这些过程产生的废物和副产品管理中找到应用。
核燃料和包层
先进的材料在通过核亚博网站下载裂变产生的热量和放射性衰变的特殊应用中发挥了主要作用。陶瓷燃料（名义上是UO2或Pu-U混合氧化物(MOX)燃料)提供更高的熔化温度，与包层材料的化学相容性，提高抗腐蚀能力，以及在辐照过程中结合裂变产物保留的尺寸稳定性。亚博网站下载与金属燃料相比，陶瓷的这些特性提供了更高的安全边际，即使金属具有更高的导热性和易于制造。
各种加工技术已成功生产UO2燃料也是呕吐物2，tho.2，以及各种混合氧化物的组合。所有这些氧化物都具有面心立方晶体结构，从室温到它们的熔点(>2450°C)没有相变。在脆性材料(如陶瓷)中，相变及其相关的体积变化通常会引起局部应力，从而导致开裂。亚博网站下载没有任何相变不仅有利于燃料制造，而且通过最大限度地减少加工、封装、最终组装、运输和最终使用过程中温度变化的影响，提高了燃料的完整性。
对于电力反应堆，UO2燃料颗粒通常通过传统的冷压和烧结技术制造。将烧结粒料加工成尺寸，检查，然后封装在锆替合金或不锈钢包层中以形成燃料棒。然后将杆组装或捆扎以加载到核反应堆中。通过控制燃料的微观结构和化学来克服各种反应器操作问题。例如，通过在制造过程中通过压实研磨的粉末在制造过程中粗糙（〜6％）孔隙，可以通过将磨削粉末粗糙（〜6％）孔隙，然后在烧结之前进行造粒和压制来控制辐射期间的尺寸稳定性。
Tri-InoTropic（Triso）燃料最初是在德国开发的高温气体冷却反应器。在Triso燃料中，碳化铀或氧化物通常涂覆成几层热解碳和碳化硅，以及多孔碳缓冲液（参见图1）以在升高的温度下保持裂变产物。所得到的产品类似于黑色珠子盐粒的大小。将这些颗粒模塑yabo214成石墨鹅卵石（在目前在南非开发的卵石床模块化反应器中）或进入石墨燃料棒（用于棱柱形芯气体冷却反应器）。
Triso型燃料也将用于在包括美国，英国，巴西，法国和日本的跨国联盟（GIF，第一代IV国际论坛）在〜30年中开发的一些发电IV反应器。目前正在检查六种反应器类型，包括钠快速冷却，铅合金冷却，气体冷却快，非常高的温度（VHTR），超临界水和熔盐。VHTR是美国能源部开发的长期概念（DOE）使用高温氦气作为冷却剂。这种高效的功率产生的电反应器将在足够高的温度下提供热量，以产生与用于汽车应用和家庭燃料电池的电解更易于电解的氢气。
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图1。扫描电镜照片显示了典型的TRISO粒子的涂层结构 |
随着核电的使用变得更加普遍，安全风险随着钚储存的直接结果而增加。2有几种选择可以处理废物PU。3.PU（主要存储为氧化物）可以与UO混合2以形成一种混合的U/Pu oxide (MOX)反应堆燃料，可用于在压水堆(PWRs)中发电，同时燃烧大量的放射性物质。
为了解决对Pu的安全担忧，包括美国、法国、日本和俄罗斯在内的几个国家正在开发一个先进的技术基地，以展示先进的燃料循环，提供固有的防扩散能力。惰性矩阵燃料(IMFs)正在考虑用于三种不同的燃料循环概念，4.即在现有的轻水堆(LWRs)中燃烧Pu，在快堆中燃烧Pu，以及少量锕系元素的嬗变。由于后两种方案涉及先进设施的建设，而第一种方案利用现有的反应堆，这些概念可以按照可能实现的时间顺序来考虑。
简单地说，IMF是燃烧PU和其他抗浮动剂而无需繁殖PU（或其他神光纤维材料）的材料。亚博网站下载因此，IMF可以用于产生能量，同时有利地消除椎平面过量。有两大类IMFS：'非肥沃的'燃料，不含铀，不会产生含有铀的可裂变同位素和“低肥沃的”燃料，因此，培养PU和其他轻微的浮雕。
各种陶瓷材料都具有吸引IMFs的特性(见表亚博网站下载1)。在为任何给定的应用设计IMF时，都必须考虑到这些特性。例如,ZrO2是非常难以重新的处理并且被认为是可抗扩散，使其成为'一次性'IMF的理想候选者（即，燃料在使用后不再回收）。然而，这种财产将清楚地阻碍Zro的使用2先进的燃料循环依赖于再处理和燃料材料的持续“燃烧”。亚博网站下载
表1。用于惰性基质燃料的几种陶瓷材料的材料特性。亚博网站下载
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熔点(ºC) |
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导热系数（W / MK） |
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热膨胀（x 10-6 /ºC） |
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热容(@1000ºC, J/mol•K) |
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可制造性 |
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Reprocessibility(扩散阻力－1） |
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辐射耐受性 |
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如果它不能在燃料中回收，或者它被污染了，不能在燃料中使用，则固定聚氨酯的另一个选择是在陶瓷基体中。5.目前正在积极研究多相(如“Synroc”)和单相(基于焦氯化物)的合适陶瓷废料形式，如Gd2Zr2O.7.和锆石。这种结晶陶瓷的潜在问题是导致肿胀的辐射损伤。对于陶瓷废物的合适容器，需要额外的工作。
除了这些燃料材之外，用于包层核燃料棒的合金的进步将使亚博网站下载现有的反应器系统中的性能和能量衍生增加。传统LWR系统中的燃料寿命（或烧伤）通常受到包层材料含有裂变产物的能力的限制。大多数燃料设计使用锆石作为参考包层材料，这会使烧伤的限制诱导小于20％，并且工作温度低于400°C。为了实现增加的烧伤。将遇到较高的温度环境，需要增加裂变气体堆积。增强（ODS）合金的高级氧化物分散体可能使得能够使这些较高的烧伤条件能够实现。
先进的反应堆系统
目前的反应堆设计，无论是LWR，钠快堆(SFR)，或气体快堆(GFR)，使用各种材料的建设，如表2。亚博网站下载在美国，自上世纪80年代最后一个反应堆系统建成以来亚博网站下载，这些材料中的大多数都被用作基准技术。
表2.。亚博网站下载几种反应器类型的施工材料。
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冷却剂
(温度) |
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克利德
（核心内部） |
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血管
（热交换器） |
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管道 |
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过去20年的合金和物质开发将能够改进新的反应堆结构。几个关键要求将推动开发：
•经济：反应堆技术必须在经济上具有竞争力。
•灵活性:可能需要许多不同的任务(发电、工艺加热、同位素燃烧)。
•安全：将需要固有的安全功能和防御。
选择合适的材料会影响所有三个因素：亚博网站下载
•经济：通过减少商品和设计简化降低资本成本
•灵活性:材料性能的提高为设计师提供了更多的选择。
•安全性：改进的材料性能促进了更大的安全边距和更稳定的性能超过更长的生命
先进的核燃金循环
世界范围内核能使用的增加将导致使用过的核燃料(联合国燃料)数量的增加，这些燃料必须经过处理以便重新使用或长期处置。世界各地正在进行研究，以评估先进的再处理技术。轻水反应堆燃料的基线分离技术是20世纪40年代和50年代发展起来的PUREX过程。PUREX工艺众所周知，并在全球范围内以工业规模可靠地运行。然而，PUREX过程，正如首字母缩略词所暗示的那样，doe会导致Pu的分离，这是一个核扩散问题。
先进的再处理技术的目标是开发新的分离方法，该分离方法能够在没有纯PU的分离的情况下再循环和/或偏振的嬗变。这些方法必须经济（即最小处理），最大限度地减少废物流和体积，并能够有效地保护裂变材料。正在评估高级过程，用于许多不同的燃料循环，其中涉及使用燃料分量的使用燃料分量或嬗变。通过分离使用的燃料部件，可以将废物形式定制到特定的组件和处置要求，但这必须通过额外的加工和储存成本来平衡。
过去的高级水性技术研究活动侧重于开发和演示是PureX过程的变化（即'Urex'流程，这些过程不会产生纯PU）。已经成功地证明了几种替代方案，但在工业规模应用中，流程流程的复杂性可能太昂贵且难以运行。分离媒体和材料的改进可以简化改善其经济性的替代过程，以及在适应反应堆操作中的亚博网站下载不导致的大规模上部署的能力。
电化学处理对金属快堆燃料的处理，或快堆中超铀元素回收的氧化燃料的小规模处理特别有兴趣。电化学处理使用熔盐(通常是卤化物基)，并已在工程规模上得到验证。然而，对于可持续的密闭燃料循环，一些非常重要的技术问题尚未得到证明，如超铀元素的回收、盐的清理和回收、工艺损失的确定等。对所有这些领域的研究对于电化学处理在采用快速反应堆的全封闭可持续燃料循环中的潜在使用和部署至关重要。此外，分离介质和工艺设备都需要改进材料，以实现亚博网站下载经济部署。app亚博体育
纳米技术的影响将在未来几十年的核工业的几个领域感受到;比废物清理和退役的分离技术更重要。亚博网站下载如SAMMs(自组装单层膜在介孔支撑)过滤器首次由石化工业发明的材料正在开发(在太平洋西北国家实验室，PNNL)，以从稀水废水流过滤困难的物种，如高技术酸盐，I, Cs，这些分子筛在二氧化硅载体上使用单层分子筛，可以作为粉体、微珠和膜，目前的研究旨在针对特定物种定制单层分子筛和载体。6.
核废料的稳定
玻璃现在是将潜在危险的放射性核素（HLW）掺入和固定潜在危险的放射性核素（HLW）的首选材料。有助于玻璃废物形式的适用性的因素分为两个主要类别。首先，玻璃废物形式具有良好的产品耐用性。各种玻璃系统能够将各种废物组合物纳入耐用的废物形式。这些形式证明了良好的化学和机械性能以及良好的辐射和热稳定性。
其次，废物玻璃形式具有良好的加工特性。制造废物玻璃形式的技术既发育良好，均良好。通过使用陶瓷熔膏以及可以含有陶瓷熔化和熔化技术，已经成功地生产了从长凳和实验室规模产品到多吨罐的垃圾形式。还为各种模拟和实际放射性废物生产了废物玻璃形式。玻璃化已被用于法国，德国，比利时，俄罗斯，英国，日本和美国的核废物固定超过40年。
水泥和水泥基材料还提供了一种简单且成本效益的废物亚博网站下载稳定方法，广泛用于低水平废物（LLW）和中间水平废物（ILW）处理。水泥稳定化的常见优势包括;在环境温度下连续或批量加工，低成本的原料，适用于许多不同废物类型的大或小体积，以及使用模块化设备的能力。app亚博体育亚博网站下载最常见的是，通过将液压或火山灰材料如波特兰水泥，铝酸钙水泥，磺铝酸钙（CSA）水泥，镁（铝）磷酸盐水泥，窑粉尘，飞灰和亚博网站下载反应渣。
这些材料与水亚博网站下载反应形成不溶性粘合剂。核工业通常使用使用几相的复合水泥系统。水合粘合剂阶段将固体颗粒包封在废物中，共沉淀出选定的污染物物种，并吸附过量的水和可溶性污染物yabo214。另外，可以调节水泥 - 废混合物的水化学，使得可溶性污染物与形成基质相的形成同时从溶液中沉淀。常用含有水泥成分的混合物加上硅酸钠（硬化剂），设定促进剂和延迟剂等其他添加剂。
结果，可以在环境温度下生产单片废形式。废物形式也可以设计成具有各种性质。抗压强度通常为50-3000 psi。粘度和设定时间也可以调整，以满足由生产过程决定的混合和放置要求。复合水泥通常与不适合所有废物的高碱性环境相关;例如，铝金属将腐蚀这样的环境。结果，正在开发一种水泥系统的工具箱，包括地质聚合物，CSA水泥和碱性活性系统，其具有至少一个适合所有废物类型的碱性活性系统。7.
水合废物形式通常用于稳定含水废物，例如冷凝气体废物，电镀污泥，盐溶液，焚烧液，静电除尘器和袋房粪便，以及来自矿石炼制的金属氯化物和氢氧化物底部。流程。胶凝材料也用于各种环境修复亚博网站下载动作，以稳定渗流盆污泥，受污染的土壤和废物处理场所。此外，水泥基材料也用于地下废罐和管道封闭物。亚博网站下载该应用的标准要求是预防沉降。涉足含有波特兰水泥的波特兰水泥的灌浆或可泵送，自平衡，自整体压实回填通常用于罐稳定。特殊的灌浆或回填配方还被设计用于稳定残留的污染物，这可能不从这些罐中除去。
结论
如图所示，先进的材料在核循环中起着重要作用，从燃料亚博网站下载制造到辐射和再加工到安全封装核废料产品。除此之外，核应用的先进材料和工艺的开发已经导致材料和工艺增强，其具有改善的亚博网站下载常规，市售的材料。例如，现在正在采用许多用于封装和稳定高辐射核废物的许多方法和废物形式，以减轻与许多其他工业过程相关的危险和有毒废物问题。同样，材料界的持续进步改善了核流程。亚博网站下载例子包括;阀门和泵中的先进合金和陶瓷部件，用于改善辐射和耐腐蚀性，陶瓷或复合坩埚，用于处理高放射性材料，以及改善用于封装核废料产品的低成本熔体。亚博网站下载
为了满足全球日益增长的能源需求，越来越多地使用核能，这为先进材料创造了更多的机会。亚博网站下载如前所述，和平利用核能需要增加对本质上具有防扩散能力的燃料的依赖。此外，先进的燃料循环将越来越“封闭”，依靠再处理来减少废物和消除核扩散担忧。这些技术的进步和广泛应用需要继续开发对燃料形式和这些燃料循环的副产物稳定部分至关重要的先进材料。亚博网站下载最后，随着进一步的进展，在2050年计划部署聚变能源系统，先进材料将成为许多领域的关键材料。亚博网站下载
参考文献
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- 美国国家科学院，“超钚的管理和处置”（1994年）。亚博老虎机网登录
- M.I. Ojovan和W.E. Lee，“核废料固定导论”(Elsevier，牛津英国，2005)。
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