第三讲 核工程中的石墨和炭素

第三讲核工程中的石墨和炭素材料3石墨和炭素材料在高温气冷堆中的应用3.1中子慢化和慢化材料上一讲中我们讨论了核反应堆的中子平衡，核反应堆运行的必要条件是keff≥1，热中子利用系数f是keff的组成因素之一，为了达到相同的keff，如果f增大，其他因素就可以降低。f的值为：

从式中我们可以看出：在其他条件相同下，∑aF越大，f也越大。易裂变同位数的裂变截面随中子能量降低而增加。裂变中子的平均能量为2MeV，易裂变同位素的裂变截面与其原子核的几何截面相当，约为几个b(巴恩,10-28m2)。热中子（能量为0.0025eV）的易裂变同位素的裂变截面在530b以上（两者之差达几百倍），所以中子利用系数f远比快中子引发裂变时要大，换句话说热中子引发核裂变比快中子引发核裂变要经济，可以使用富集度低的燃料。

中子慢化的机制是中子与慢化材料的原子（核）发生弹性碰撞（散射）。每次撞碰时，中子都把其动能的一部分传递给被碰撞的原子，其能量转移的大小可以用下式表示：

式中E1———中子碰撞前的能量，eV；E2———中子碰撞后的能量，eV

；

θ———在质心系统中的散射角；

α———常数，α=4A/(A+1)2其中A为靶核的质量数。

如上所述，中子慢化是与慢化剂原子核的碰撞，单位时间单位体积内的碰撞次数NS可以用下式表示：式中Nm———单位体积内慢化剂的原子数,m-3

σms———慢化剂的微观散射截面,b(10-28m2);

Φ———中子注量率，1/m2·s;

∑ms———慢化剂的宏观散射截面,m-1;Nm=ρN0/A,ρ为材料的密度，N0为阿佛加得罗常数。

几种慢化材料的性质见表1。从表1可看到，尽管石墨每次碰撞的平均对数能量变化ξ和慢化能力ξ∑s不大，但其慢化比ξ∑s/∑a却仅次于重水。固体慢化材料也是反应堆堆芯结构材料的一部分，因此它必须具备结构材料的性质。石墨具有中等的力学性能，特别出色的高温力学性能，其强度在2500℃以下随温度增加而增加，是反应堆冷却剂温度超过700℃时唯一可以使用的堆芯结构材料。石墨的导热系数大，线胀系数低，弹性模量小，因而其抗热冲击（热震）的能力好。石墨的热容量大，因而其热惯性大。石墨在氧化性气氛中不稳定（但在惰性气氛中稳定）。石墨具有密集六方结构，高度各向异性，因而其性能大多数也是高度各向异性，特别是在辐照条件下，其变化的各向异性，在一定条件下，成为其使用的限制因素。3.2高温气冷堆与石墨和炭素材料上一讲中我们已经介绍过高温气冷堆的结构从图中可以看到，反应堆压力壳里面几乎都是石墨和炭素材料，下面将具体地讨论一下各种石墨和炭素材料构件的功能，工作环境和负荷。3.2.1高温气冷堆燃料元件高温气冷堆燃料元件由包覆燃料颗粒和石墨组成，曾经研究过多种结构形式，具有应用前景的主要有球形燃料元件和柱状燃料元件两种，其示意图如图1和图2。下面以球形燃料为例作进一步说明。1）包覆燃料颗粒包覆燃料颗粒的结构如图1，其组成和功能如下：燃料核芯通常是二氧化铀，也可以是铀的其他难熔化合物，它是直径为0.5mm的球形颗粒，核裂变在其中发生，因而是核反应堆能量和放射性裂变产物的源泉。疏松热解炭层紧挨燃料核芯，其密度约为1g/mm3，其孔隙提供贮存气态裂变产物的空间。疏松层的另外功能是：吸收在燃料核芯表面的燃料原子裂变时产生的反冲核，以免其损伤外面的致密包覆层；吸收致密包覆层和燃料核芯因热和辐照引起的尺寸变化差，避免造成应力。致密热解炭层分内外两层，内层主要是避免包覆热解碳化硅层时产生的HCl对燃料核芯的侵蚀及由此而来的对包覆层的污染，这种污染将使致密包覆层性能劣化。外层的主要作用是保护热解碳化硅层在随后的燃料元件制造过程中免受损伤；热解炭在辐照时的收缩比热解碳化硅大，因此给热解碳化硅以压应力，有利于缓解裂变气态产物的内压在热解碳化硅层中产生的张应力。在热解碳化硅层失效后，内外致密热解炭层起约束放射性裂变产物的作用。致密热解炭层的各向异性度对热解层的辐照稳定性有决定性的影响，在高温气冷堆中其值应该小于或等于1.03,其密度应大于1.80g/mm3。3）石墨基体包覆燃料颗粒虽然从物理上讲是一个微球形燃料元件，但从工程上来说，它的尺寸太小，无法独立使用，也无法象其他反应堆燃料元件一样组装成组件使用，它需要用石墨基体材料来定位和保护。由于碳化硅在2100℃以上会显著分解，此外铀在高温下，通过包覆层向外扩散的速度也会加速，造成污染，所以高温堆球形燃料元件的最终热处理温度不能太高，一般不超过1950℃，即远远低于石墨化处理的温度。辐照试验表明，石墨的辐照稳定性比炭素材料好，石墨的结晶程度越高，辐照稳定性也越好。这就是说高温气冷堆球形燃烧元件要求其基体材料不经石墨化处理而具有石墨的性能。

石墨基体材料除上述结构功能外，同时又是高温气冷堆的慢化剂，中子慢化的功能由它来完成。核裂变能也通过石墨基体传导出来。石墨中，特别是天然鳞片石墨中通常含有大量杂质，这些杂质吸收中子属于寄生吸收，降低中子利用系数f，此外铀、钍和锂等杂质还造成放射性安全问题。因此除必须满足一定的物理要求外，天然鳞片石墨的纯化是燃料元件基体材料制备的关键技术之一。3.2.2反射层石墨砌体既是高温气冷堆堆芯的容器，又是反射层。碳的中子散射截面中等，吸收截面很小，中子在其中的扩散长度比较大，达0.54m。这意味着用石墨做慢化剂时，中子逃脱泄漏的几率比较小，所以必须用反射层把泄漏出去的中子尽可能多地反射回来。反射回来的多少和反射层厚度有关，究竟用多厚的反射层取决于经济核算，但一般都大于扩散长度即0.54m。根据其在反射层中位置不同，石墨的工作负荷也不同。图3是大型球床高温气冷堆石墨砌体的结构工作负荷示意图。从核应用的观点看，最关键的是高注量区石墨，因为对低注量区用石墨的要求低于高注量区的石墨，而主要承受机械负荷的石墨，其要求和常规高温石墨结构的要求没有什么区别。3.2.3绝热和中子屏蔽层反射层只能反射回去大部分泄漏出来的中子，仍有一部分中子泄漏出来。虽然其注量率已很低，但它仍足以引起压力壳用钢性能恶化，特别是其脆—塑性转变温度提高，给反应堆运行安全带来威胁。另外反射层石墨要求导热性好，所以其表面温度很高，必须采取绝热措施，否则不仅热损失太大，而且反应堆压力壳，特别是压力壳上穿孔的密封结构也承受不了很高的温度。为了屏蔽热和中子，在反应堆反射层与压力壳之间有一含硼炭砖层，硼用来吸收中子，炭砖用于绝热和载带硼。炭砖的制备不存在技术上的难题，含硼炭砖的主要工艺难点是加工成尺寸精确的制品，因为太硬，刀具磨损很快。3.3高温气冷堆对石墨和炭素材料的要求高温气冷堆反射层石墨的主要要求如下：1)高纯度碳元素本身的中子吸收截面很低，只有3.4mb。但石墨反射层用石墨的吸收截面不只是碳元素，杂质原子的中子吸收截面也必须考虑在内。它们的吸收往往远远超过碳的吸收，因此对吸收截面大的元素的含量必须严格限制，要求核纯。核纯的概念和化学纯度的概念不尽相符，对于中子吸收截面大的元素的含量如B、Li等元素的纯度要求在10-12-10-6量级，对于那些中子吸收截面低的元素的含量要求往往很松。核石墨的纯度通常用两个指标来表征，即总灰分和硼当量。硼的吸收截面很大（天然硼为750b），且普遍存在，所以把其他杂质对中子的吸收都折合成相应硼含量对中子的吸收。

2）高密度核石墨的密度与它的中子慢化能力、物理机械性能、化学性能及辐照稳定性有关。一般要求大于1.708g/