石墨慢化劑石墨慢化劑與常規(guī)石墨的區(qū)別

核石墨與常規(guī)工程用石墨的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，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(duì)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(duì)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(jiàn)的元素，核石墨的純度常用硼當(dāng)量來(lái)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(lái)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(jià)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(lái)核時(shí)代的原因。制造核純石墨的主要技術(shù)措施是在石墨化時(shí)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(duì)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(shí)傳遞的能量大于25 eV時(shí)，碳原子將被擊出晶格節(jié)點(diǎn)，形成空位——間隙原子對(duì)。被擊出的原子能量足夠大時(shí)，也擊出其 它碳原子，形成級(jí)聯(lián)碰撞，產(chǎn)生空位--間隙原子對(duì)。一個(gè)裂變中子慢化成熱中子的過(guò)程中 ，平均使用20"para" label-module="para">

經(jīng)過(guò)半個(gè)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(jià)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(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。

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。

石墨慢化核動(dòng)力堆是從生產(chǎn)堆的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它的發(fā)展走過(guò)了三個(gè)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(yùn)行溫度高貯能在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，退火釋放不再是反應(yīng)堆運(yùn)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(duì)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和運(yùn)行特性具有重要影響。50年代人們開(kāi)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(jià)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(jià)的易于獲得的原料，并獲得成功以HTR為例對(duì)這一階段研發(fā)工作的要點(diǎn)和取得成果簡(jiǎn)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(qiáng)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(guó)際上HTR的發(fā)展計(jì)劃被擱置核石墨的研究和發(fā)展計(jì)劃也因缺乏推動(dòng)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(gè)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(gè)特性是第四代反應(yīng)堆有希望的候選堆型，目前中國(guó)和日本的HTR實(shí)驗(yàn)堆正在運(yùn)行進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作；南非已把其核動(dòng)力計(jì)劃從水堆轉(zhuǎn)向HTR；如果這些項(xiàng)目順利，高溫氣冷堆將會(huì)迎來(lái)一個(gè)新的發(fā)展高潮，核石墨的應(yīng)用也會(huì)有一個(gè)大發(fā)展。目前核石墨的性能以可以滿足HTR運(yùn)行30年的要求，要把反應(yīng)堆運(yùn)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(yàn)

輻照考驗(yàn)主要解決兩個(gè)問(wèn)題即提高石墨輻照后性能的統(tǒng)計(jì)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(yàn)優(yōu)化從原料選擇到制造加工整個(gè)過(guò)程提高石墨制品性能降低制造成本

（3）建立數(shù)據(jù)庫(kù)

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

1939年初德國(guó)科學(xué)家Otto Hahn和 Lise Meitner發(fā)現(xiàn)鈾-235吸收一個(gè)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(gè)U-235原子發(fā)生核裂變釋放出200 MeV能量，它相當(dāng)于一個(gè)碳原子完全燃燒釋放出能量4 eV的五千萬(wàn)倍。

（2） U-235 每次裂變平均釋放出2.5個(gè)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(lái)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(shí)現(xiàn)核能的應(yīng)用，首先必須證實(shí)核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及其控制的現(xiàn)實(shí)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(shí)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(lái)，需要用慢化劑。對(duì)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(lái)，這時(shí)就會(huì)使用中子減速劑，對(duì)慢化劑的要求是對(duì)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(jià)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(duì)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(duì)反射材料的要求與對(duì)慢化材料的要求相同，石墨也是良好的反射材料。

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。

（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(shí)驗(yàn)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(duì)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(qiáng)度和金屬性。由于石墨沉積在鑄鐵的表面，從形貌來(lái)看，似乎是“石墨化”了，因此稱為石墨腐蝕。