核材料与应用_周明胜、田民波、戴兴建_9787302486534

《核材料与应用》是为工程物理系本科生“核材料系列课程”编写的教材之一，内容包括核能利用与核材料，核燃料，锆合金包壳材料，压力壳用低合金高强度钢，反应堆用不锈钢，核电厂用高温合金及耐热钢，高温气冷堆用石墨材料，快堆燃料和包壳材料，中子吸收材料及屏蔽材料，聚变堆材料等共10章，涉及核材料与应用的各个方面。
本书针对不同的材料，如核压力容器用钢、反应堆用不锈钢、耐热钢、高温合金、锆合金、控制、慢化和反射材料等，不同的结构，如燃料元件、燃料元件包壳、核压力容器、主管道、蒸汽发生器等，不同的工况，如高温、高温度梯度、高热流、高速流场的作用及高剂量辐照等，从材料科学与工程四面体角度，分析了材料成分、组织结构、加工制造以及性能与功能之间的关系，以便为核工程选材以及分析、解决反应堆材料问题提供坚实的基础与依据。
本书对从事反应堆材料和反应堆设计、研究、运行、生产和教学以及其他相关材料专业的科技人员、大学生、研究生都有参考价值。

　　前言
　　本书是为工程物理系本科生“核材料系列课程”编写的教材。该系列课程教材包括《材料学导论》《核能利用与核材料》《核材料与应用》《材料的腐蚀与防护》等。
　　没有核燃料便没有核能发出；没有核结构材料便不能构成核装置。《核材料与应用》正是针对核燃料和核结构材料这两类材料进行讨论的。内容包括核能利用与核材料，核燃料，锆合金包壳材料，压力壳用低合金高强度钢，反应堆用不锈钢，核电厂用高温合金和耐热钢，高温气冷堆用石墨材料，快堆燃料和包壳材料，中子吸收材料及屏蔽材料，聚变堆材料等共10章，涉及核材料与应用的各个方面。
　　目前，对“核材料”这个名词没有统一的看法和定义。有人认为它是用于核科学和核工程的材料的总称；有人认为它是专指裂变反应堆和聚变反应堆所用材料；有人把它定义为裂变材料和聚变材料的总称，即与核燃料的概念相似。
　　广义的核材料是核工业及核科学研究中所专用的材料的总称，也可以把核材料归结为核能材料或核工业所用材料的总称。
　　核燃料是指能产生核裂变或核聚变反应并释放出巨大核能的物质。核燃料可分为裂变燃料和聚变燃料（或称热核燃料）两大类。裂变燃料主要指易裂变核素如铀235、钚239和铀233等。此外，由于铀238和钍232是能够转换成易裂变核素的重要原料，且其本身在一定条件下也可以产生裂变，所以习惯上也称其为核燃料。聚变燃料包含氢的同位素氘、氚，锂6和其化合物等。
　　核工程材料是指反应堆及核燃料循环和核技术中用的各种特殊材料，如反应堆结构材料、元件包壳材料、反应堆控制材料、慢化剂、冷却剂、屏蔽材料等。例如特种铝合金、镁合金、锆合金、铍、低合金高强度钢、特种不锈钢、高温镍基合金、耐热钢、特种石墨、特种陶瓷、混凝土、半导体乃至高分子材料等。
　　材料科学与工程包括四个基本要素，即材料的成分、材料的组织和结构、材料的制备与加工、材料的性能和应用特性，一般形象地将四要素表示为四面体的四个顶点。这是理解材料科学与工程问题的总纲。核材料的研制和应用，核材料在服役过程中受到的影响，核材料的时效、老化、失效乃至核事故的分析等，当然也涵盖在这四个要素之中。显然,整个核工程和核材料领域都离不开材料科学与工程的基础知识。
　　一个核反应堆，它的核心是一个能量密度很高的热源。处在那里的材料自然会面临高温、高温度梯度、高热流、高速流场的作用，这本身已构成很特殊的问题。但是，在这以外最特殊的因素当属材料的核性能和中子的作用。反应堆材料所面临的工况比迄今为止我们遇到的任何工程所面临的条件要复杂得多,包括核燃料的链式反应、放射性、高温、扩散、肿胀，核结构材料的辐照、腐蚀、高温、蠕变环境等。因此人们说： “The importance of behavior of the reactor materials can not be overemphasized.”意思是说，反应堆材料问题的重要性无论如何强调也不过分。
　　压水堆的“压”，沸水堆的“沸”，高温气冷堆的“高温”，都是为了提高堆芯的能量密度，更高效率地取出能量而采取的非常规措施。但与此同时，核材料必须承受超常的负荷。实际上，这些反应堆的工作参数，如温度、压力、功率密度、燃耗等，无一不是由材料的性能和承受能力来确定的。
　　因此，本课程在讨论材料的性能、制备工艺、使用行为等与成分、微观组织和结构关系的同时，将针对核工程材料的特殊问题，包括材料的核特性、辐照、腐蚀、高温环境等进行论述。只有掌握这些，才能将材料科学的知识升华为核材料科学的水平。
　　从工程角度，核材料工作者的任务是选材（包括制作）、改性、检测和创新。由于核材料服役于更严酷的环境下，因此，上述任务更艰巨，承担的责任也更大。为此培养的学生，理论基础要更厚实，知识面要更宽，工程实践训练要更充分。
　　材料科学与工程已经是一个很综合的领域，再结合到“物理工程” 的特点，这就需要跨学科地学习和交叉融汇，这当然不是一两门课程所能奏效的。
　　基于上述特殊服役环境，核材料具有以下特点： ①种类繁多，不可替代； ②服役环境恶劣； ③性能要求极高； ④易老化失效； ⑤一旦失效，后果严重； ⑥服役结束后，处理、处置困难。“核材料系列课程”要侧重这些来讲授。
　　为此，“核材料系列课程”主要针对以下问题进行讨论： ①是什么，②为什么，③怎么加工制造，④有什么用、怎么用，⑤服役中会发生什么变化，⑥如何提高性能。《材料学导论》主要涉及问题①、②、③、⑥；《核材料与应用》主要涉及问题③、④、⑤、⑥。
　　“核材料系列课程”在内容组织上强调浅、宽、新、活、鲜，避免深、窄、旧、偏、玄。力求突出重点、理清思路，强调基本概念和基本原理，着重核材料的应用和创新，提高同学分析问题（例如核材料的失效分析）和解决问题（例如反应堆材料的选材）的能力。加上通俗易懂、图文并茂的教材，相信会达到较好的教学效果。
　　本书所涉及的领域极为广泛，不仅多学科交叉，而且许多知识既专又深且新，显然编者力所不能及。受惠于许多学长的学识和开创性劳动以及新出版的著作，本教材在编写过程中引用了许多他们的原始论述，在书后的参考文献中都一一列出。在对诸位学长深表谢意的同时，也为他们与编者一起为培养人才和普及知识所做出的贡献十分欣慰。
　　本书的编写受到清华大学工程物理系教学指导委员会的指导并得到工程物理系的资助，在此表示衷心感谢。
　　本书可作为工程物理、材料、能源、机械、环境、化工、电力等学科本科生及研究生教材，对于从事相关行业的科技工作者和工程技术人员，也有极为难得的参考价值。
　　编者水平有限，不妥或谬误之处在所难免，恳请读者批评指正。
　　编者2017年9月

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