石墨慢化劑石墨慢化劑介紹

1939年初德國科學(xué)家Otto Hahn和 Lise Meitner發(fā)現(xiàn)鈾-235吸收一個中子后發(fā)生裂變 。裂變反應(yīng)表明

（1）核裂變釋放出巨大的能量一個U-235原子發(fā)生核裂變釋放出200 MeV能量，它相當(dāng)于一個碳原子完全燃燒釋放出能量4 eV的五千萬倍。

（2） U-235 每次裂變平均釋放出2.5個中子這些新產(chǎn)生的中子可以引起下一代核裂變，下一代核裂變數(shù)處決于能參與核裂變的中子數(shù)。

如果用于引起下一代裂變的中子數(shù)少于1則裂變反應(yīng)逐步消亡；如果等于1則裂變反應(yīng)將以同等速度持續(xù)下去形成自持核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；如果大于1則裂變反應(yīng)將越來越快甚至引起爆炸。 核裂變反應(yīng)既可以用于和平的目的，也可以用于軍事目的。要實現(xiàn)核能的應(yīng)用，首先必須證實核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及其控制的現(xiàn)實性理論。研究表明熱中子引發(fā)核裂變的幾率，比快中子的幾率要大得多，只有熱中子才能使天然鈾核裝置實現(xiàn)核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。為了使裂變產(chǎn)生的高能中子慢化下來，需要用慢化劑。對慢化劑材料的主要要求是原子質(zhì)量數(shù)低吸收截面小散射截面大單位體積內(nèi)的核密度高。

慢化劑，又稱中子減速劑。在一般情況下，可裂變核發(fā)射出的中子的飛行速度比其被其它可裂變核的捕獲的中子速度要快，因此為了產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，就必須要將中子的飛行速度降下來，這時就會使用中子減速劑，對慢化劑的要求是對中子有較高的散射截面和低的吸收截面。

石墨 的吸收截面低于重水，且價格便宜，又是耐高溫材料，可用于非氧化氣氛的高溫堆中。中子慢化的機(jī)制是中子與慢化材料原子的彈性散射（碰撞），把其攜帶的能量傳遞給慢化材料的原子。對慢化材料的基本要求是：中子散射截面大，吸收截面小，質(zhì)量數(shù)低，單位體積內(nèi)的原子密度高。石墨是除重水外最好的慢化材料。

提高中子利用率的另一措施是用反射材料把泄漏出核裂變反應(yīng)區(qū)——堆芯的中子反射回去，中子反射的機(jī)制也是中子與反射材料原子的彈性散射。對反射材料的要求與對慢化材料的要求相同，石墨也是良好的反射材料。

石墨慢化核動力堆是從生產(chǎn)堆的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的發(fā)展走過了三個階段 ：

Magnox型氣冷堆、先進(jìn)氣冷堆AGR和高溫氣冷堆。

HTGR或THRMagnox型氣冷堆的冷卻劑出口溫度約4000C。AGR的冷卻劑出口溫度約為5750C，HTR的冷卻劑出口溫度可達(dá)10000C。由于反應(yīng)堆的運行溫度高貯能在反應(yīng)堆運行過程中，退火釋放不再是反應(yīng)堆運行的限制因素，在高溫下石墨的尺寸變化，特別是其變化的各向異性性對反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和運行特性具有重要影響。50年代人們開始研制各向同性石墨，60年代投入生產(chǎn)，70年代用于建造THTR-300堆這種石墨的原料是天然各向同性焦，它的價格高供應(yīng)量有限不可能工業(yè)生產(chǎn)。從70年代起人們著手尋找廉價的易于獲得的原料，并獲得成功以HTR為例對這一階段研發(fā)工作的要點和取得成果簡要介紹

如下 HTR反射層石墨的主要要求可以歸納成五高3低即（1）高純度硼當(dāng)量2ppm（2）高密度（3）高強度（4）高輻照穩(wěn)定性（5）高導(dǎo)熱性（6）低熱膨脹系數(shù)（7）低彈性模量（8）低制造成本。

如前所述核石墨的發(fā)展與核技術(shù)和工程的發(fā)展息息相關(guān)，由于能源供求關(guān)系的變化和前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故的影響，核電的發(fā)展轉(zhuǎn)入低谷。國際上HTR的發(fā)展計劃被擱置核石墨的研究和發(fā)展計劃也因缺乏推動力而停滯，隨著化石燃料的耗竭，核能的利用是不可避免的核能工業(yè)應(yīng)用的兩大前提，是經(jīng)濟(jì)和安全目前核科技和工業(yè)界。正在研究新一代即第四代核反應(yīng)堆堆型的選擇準(zhǔn)則經(jīng)濟(jì)性和安全性是其核心內(nèi)容。提高核電站的經(jīng)濟(jì)性的一個重要措施是把反應(yīng)堆的壽命增加到50~60年，提高核安全性則要求反應(yīng)堆具有固有安全性即在任何事故下不需要廠外應(yīng)急即撤離措施高溫氣冷堆。具有這兩個特性是第四代反應(yīng)堆有希望的候選堆型，目前中國和日本的HTR實驗堆正在運行進(jìn)行各種實驗驗證工作；南非已把其核動力計劃從水堆轉(zhuǎn)向HTR；如果這些項目順利，高溫氣冷堆將會迎來一個新的發(fā)展高潮，核石墨的應(yīng)用也會有一個大發(fā)展。目前核石墨的性能以可以滿足HTR運行30年的要求，要把反應(yīng)堆運行壽命提高到50~60年還有很多研究和發(fā)展工作要做包括

（1）輻照考驗

輻照考驗主要解決兩個問題即提高石墨輻照后性能的統(tǒng)計可靠性與制造工藝研究配合研制篩選出輻照壽命更好的石墨

（2）制造工藝的研究和發(fā)展

配合輻照試驗優(yōu)化從原料選擇到制造加工整個過程提高石墨制品性能降低制造成本

（3）建立數(shù)據(jù)庫

進(jìn)行軟課題研究制訂HTR石墨構(gòu)件設(shè)計準(zhǔn)則

核石墨與常規(guī)工程用石墨的主要區(qū)別有兩點，核純和耐輻照損傷。

（1）核純

核石墨不可避免地存在雜質(zhì)，雜質(zhì)吸收中子，造成中子損失。為了使雜質(zhì)造成的損失控制在允許水平，用于反應(yīng)堆的石墨應(yīng)該是核純的。不同核素的中子吸收截面的差別可達(dá)107倍，因此對中子吸收截面大的核素如：B、Cd、Sm、Eu、Gd、Dy等的含量要求極其嚴(yán)格，而對中子吸收截面小的元素如Si、O2則允許有較高的含量。由于B是最常見的元素，核石墨的純度常用硼當(dāng)量來表示，即用全部雜質(zhì)吸收中子數(shù)折合成具有相同吸收數(shù)的硼的濃度來表示。核石墨的硼當(dāng)量要求在10-6左右。40年代初，只有石墨能以適當(dāng)價格、接近這一純度供應(yīng)，這是為什么第一座反應(yīng)堆及隨后建造的生產(chǎn)堆都以石墨為慢化材料，迎來核時代的原因。制造核純石墨的主要技術(shù)措施是在石墨化時通氯氣，使高吸收截面的雜質(zhì)形成氯化物揮發(fā)掉。

（2）輻照損傷

中子輻照引起材料結(jié)構(gòu)和性能的變化稱之為輻照損傷 。高溫氣冷堆的工作溫度在1 000 ℃ 以上，石墨是唯一可使用的慢化，反射和結(jié)構(gòu)材料。石墨的輻照損傷對反應(yīng)堆，特別是球床 高溫氣冷堆的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能具有決定性的作用。如前所述，中子慢化和反射的機(jī)制都是彈性 散射。石墨晶格中碳原子的離位能為25 eV，彈性散射時傳遞的能量大于25 eV時，碳原子將被擊出晶格節(jié)點，形成空位——間隙原子對。被擊出的原子能量足夠大時，也擊出其 它碳原子，形成級聯(lián)碰撞，產(chǎn)生空位--間隙原子對。一個裂變中子慢化成熱中子的過程中 ，平均使用20"para" label-module="para">

經(jīng)過半個多世紀(jì)的努力，核石墨的發(fā)展水平已能滿足生產(chǎn)堆、氣冷堆和原型高溫氣冷堆的需 要。研究發(fā)展各向同性度好、耐輻射損傷、價格低廉的核石墨，仍然是核石墨研究和發(fā)展的 主要目標(biāo)。

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，放出的中子速度秒速約3萬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。

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)上開展起來的。針對核石墨需要高純度、高密度、各向異性小的特點，對現(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。

有4個主要問題，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，由于溫度上升產(chǎn)生熱膨脹和輻照引起的維格納(Wigner)生長。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焦炭顆粒的排列對制品的各向異性也具有決定性的影響，因此要在成型過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。

（1）氣冷反應(yīng)堆

鎂諾克斯型反應(yīng)堆（Magnox）

改進(jìn)型氣冷反應(yīng)堆（AGR）

（2）高溫氣冷反應(yīng)堆（已竣工）

天龍座反應(yīng)堆（Dragon reactor）

煤球爐式反應(yīng)堆（AVR Reactor）

桃底核電站（Peach Bottom Nuclear Generating Station, Unit 1）

釷高溫反應(yīng)堆-300（THTR-300）

圣符侖堡核電站（Fort St. Vrain Generating Station）

球床反應(yīng)堆（PBMR）

棱鏡燃料反應(yīng)堆（Prismatic fuel reactor）

超高溫實驗堆（UHTREX）

（3）水冷反應(yīng)堆

大功率管式反應(yīng)堆（RBMK）

普通鑄鐵中的石墨以網(wǎng)絡(luò)狀分布在鐵素體內(nèi)，在介質(zhì)為鹽水、礦水、土壤（尤其是含硫酸鹽的土壤）或極稀的酸性溶液申，發(fā)生了鐵基體選擇性腐蝕。在這種腐蝕中，石墨對鐵為陰極，形成腐蝕電池，F(xiàn)e被溶解后，剩下由石墨磷共晶化合物、鐵銹組成的多孔體，使鑄鐵失去了強度和金屬性。由于石墨沉積在鑄鐵的表面，從形貌來看，似乎是“石墨化”了，因此稱為石墨腐蝕。