核石墨展望

20世紀(jì)40年代以來(lái)，石墨曾用于鈾--石墨堆、氣冷堆、改進(jìn)型氣冷堆、生產(chǎn)堆、熔鹽堆、液態(tài)金屬堆、高溫氣冷堆……等堆型。各國(guó)在發(fā)展反應(yīng)堆的同時(shí)，都在大力發(fā)展自己的核石墨工業(yè)。

60年代各國(guó)先后用天然瀝青砂熔燒成球形各向同性焦為原料制造氣冷堆用石墨。

采用了"二次焦"焦粉為原料(瀝青焦粉先粉碎至數(shù)微米或120μm用瀝青或樹(shù)脂混捏后焙燒，再破碎至數(shù)百微米，成為具有各向同性的二次焦)。制成各向同性或接近各向同性的石墨制品用于高溫氣冷堆。

在原料中摻入石墨粉控制焙燒和石墨化中的膨脹、收縮，防止大規(guī)格坯料開(kāi)裂。

在成型工藝中除采用擠壓工藝外，還采用了模壓成型、振動(dòng)成型、等靜壓成型等。

石墨在核反應(yīng)堆中除用于減速材、反射材外，還應(yīng)用了大量其他炭素材料，如熔煉鈾鹽的石墨坩堝，高溫堆中燃料顆粒熱解石墨包覆層，燒結(jié)炭塊，大球球殼等。

核石墨生產(chǎn) 目前核石墨生產(chǎn)基本上是在普通人造石墨生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上開(kāi)展起來(lái)的。針對(duì)核石墨需要高純度、高密度、各向異性小的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)行的石墨生產(chǎn)工藝、原料和設(shè)備加以改進(jìn)，使之達(dá)到生產(chǎn)核石墨的要求。

核石墨生產(chǎn)有4個(gè)主要問(wèn)題，即高純度、高密度、各向異性和機(jī)械加工。

(1)高純度。核石墨減速劑的純度是最被重視的特性之一。首先選用純度高、雜質(zhì)含量少的石油焦和煤瀝青作原料。原料雜質(zhì)中硼含量要低，因1×10的硼含量相當(dāng)于增加lmb的截面，高溫石墨化大多數(shù)金屬雜質(zhì)在2800~3000℃揮發(fā)，而硼高于3000℃亦難除去，因硼與碳形成B4C3。對(duì)原料中硼含量要求極其嚴(yán)格，除原料外在生產(chǎn)中先后經(jīng)10多道工序減少外來(lái)的雜質(zhì)和合理工藝制度也是十分重要的。

(2)高密度。核石墨應(yīng)有較高的密度，一般控制在1.79/cm左右，基本上能滿足石墨堆運(yùn)行要求，石墨的體積密度表示慢化劑的有效慢化率，密度降低則單位體積內(nèi)的原子數(shù)減少，慢化率也就降低。

(3)各向異性小。石墨用于核反應(yīng)堆時(shí)，由于溫度上升產(chǎn)生熱膨脹和輻照引起的維格納(Wigner)生長(zhǎng)。這種現(xiàn)象在垂直于擠壓方向表現(xiàn)甚大，而平行于擠壓方向表現(xiàn)較小，則石墨塊不能按原始形狀同樣比例膨脹。因而石墨這種各向異性膨脹在由許多石墨塊堆積而成的慢化層的結(jié)構(gòu)是不能忽視的。石墨各向異性主要是由于石墨晶體結(jié)構(gòu)具有極度的各向異性性質(zhì)所致。另一方面在擠壓成型時(shí)焦炭顆粒的排列對(duì)制品的各向異性也具有決定性的影響，因此要在成型過(guò)程中采取措施減少各向異性度。

(4)機(jī)械加工。石墨減速層和反射層是由經(jīng)過(guò)精加工的塊狀堆砌而成的。石墨砌體中有供燃料棒、控制棒、儀器和試驗(yàn)用的各種孔道，這些孔道均有準(zhǔn)確的尺寸，此外所有的石墨塊砌體能防止中子流和冷卻氣體的泄漏。為此核石墨加工比任何石墨制品加工要求有更高的精密度。實(shí)際上要求精度在幾絲之內(nèi)。為保證產(chǎn)品加工精度設(shè)有專用高精度加工機(jī)床。

分類用于核反應(yīng)堆炭素材料，按材料分有石墨類、炭質(zhì)類、熱解石墨和各向同性石墨、含硼石墨等。按用途分有減速材料(慢化劑)、反射材料、包殼、熔煉鈾鹽坩堝等。

減速材料在核反應(yīng)堆內(nèi)U等核分裂物質(zhì)在分裂時(shí)，放出的中子速度秒速約3萬(wàn)km(能量平均約為2MeV)，很難命中原子核，所以為提高核分裂的幾率，繼續(xù)維持連鎖反應(yīng)，則必須減緩中子速度，使之變?yōu)槊胨?000m的低速中子即所謂熱中子(能量約為0.025ev)。減速材料的用途就是把這種高速中子減緩成慢中子。

石墨作為反應(yīng)堆材料的優(yōu)缺點(diǎn)如下:

(1)石墨具有較高的散射截面和極低的熱中子吸收截面，較高的散射截面用以慢化中子，低的吸收截面防止中子被吸收，使得核反應(yīng)堆能夠利用少量燃料達(dá)到臨界或正常運(yùn)行。

(2)石墨是耐高溫材料，它的三相點(diǎn)，15MPa時(shí)為4024℃，因此不能采用熔化、鑄造、鍛造等熱加工方法制造而只能采用類似粉末冶金的方法。它不像金屬那樣強(qiáng)度隨溫度而下降，而是略有增加，在2000℃以下應(yīng)用，不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

(3)石墨有良好的導(dǎo)熱性能，在堆內(nèi)可以有效地降低溫度梯度，不致產(chǎn)生太大的熱應(yīng)力。

(4)石墨化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。除了高溫下的氧化、水蒸氣外，可以耐酸、堿、鹽的腐蝕，因而可以用作熔鹽核反應(yīng)堆和鈾鉍核反應(yīng)堆的堆芯構(gòu)件。

(5)石墨抗輻照性能極好，能長(zhǎng)期在堆內(nèi)服役30~40年。

(6)石墨可加工性好，可以加工成各種形狀的構(gòu)件。

(7)石墨原料豐富，價(jià)格便宜，容易制成純度高、強(qiáng)度大、不同密度要求的各種核石墨，但石墨也有缺點(diǎn)，它是各向異性晶體結(jié)構(gòu)，成層狀分布，原子密集于a、b晶面，同層原子最近距離為0.141nm，相互為共價(jià)結(jié)合，具有較強(qiáng)的結(jié)合力;而層距離為0.335nm，層間結(jié)合力為范德瓦爾力，結(jié)合力較弱。這種各向異性在石墨的物理、強(qiáng)度、輻照等行為中都會(huì)強(qiáng)烈地表現(xiàn)出來(lái)。

1942年埃利克?費(fèi)米(Enrico Fermi)帶領(lǐng)他的研究小組，以天然鈾及其氧化物為原料，用石墨做慢化劑，實(shí)現(xiàn)了世界上第一次自維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，也是世界上第一座核反應(yīng)堆，被稱為"CP-1"堆。當(dāng)時(shí)用了385t石墨作慢化材料，其中用得最多的是AGOT石墨。從此石墨作為重要的核材料得到各國(guó)的普遍重視，對(duì)其工藝制造、物理性能、輻照效應(yīng)等進(jìn)行了大量的研究。

石墨用于熱中子反應(yīng)堆，也有希望用于聚變堆，在熱中子反應(yīng)堆中可作為燃料區(qū)的中子慢化劑、燃料區(qū)周圍的反射層材料，以及堆芯內(nèi)部的結(jié)構(gòu)材料。