第三講 核工程中的石墨和炭素

第三講核工程中的石墨和炭素材料3石墨和炭素材料在高溫氣冷堆中的應(yīng)用3.1中子慢化和慢化材料上一講中我們討論了核反應(yīng)堆的中子平衡，核反應(yīng)堆運(yùn)行的必要條件是keff≥1，熱中子利用系數(shù)f是keff的組成因素之一，為了達(dá)到相同的keff，如果f增大，其他因素就可以降低。f的值為：

從式中我們可以看出：在其他條件相同下，∑aF越大，f也越大。易裂變同位數(shù)的裂變截面隨中子能量降低而增加。裂變中子的平均能量為2MeV，易裂變同位素的裂變截面與其原子核的幾何截面相當(dāng)，約為幾個(gè)b(巴恩,10-28m2)。熱中子（能量為0.0025eV）的易裂變同位素的裂變截面在530b以上（兩者之差達(dá)幾百倍），所以中子利用系數(shù)f遠(yuǎn)比快中子引發(fā)裂變時(shí)要大，換句話說熱中子引發(fā)核裂變比快中子引發(fā)核裂變要經(jīng)濟(jì)，可以使用富集度低的燃料。

中子慢化的機(jī)制是中子與慢化材料的原子（核）發(fā)生彈性碰撞（散射）。每次撞碰時(shí)，中子都把其動(dòng)能的一部分傳遞給被碰撞的原子，其能量轉(zhuǎn)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———在質(zhì)心系統(tǒng)中的散射角；

α———常數(shù)，α=4A/(A+1)2其中A為靶核的質(zhì)量數(shù)。

如上所述，中子慢化是與慢化劑原子核的碰撞，單位時(shí)間單位體積內(nèi)的碰撞次數(shù)NS可以用下式表示：式中Nm———單位體積內(nèi)慢化劑的原子數(shù),m-3

σms———慢化劑的微觀散射截面,b(10-28m2);

Φ———中子注量率，1/m2·s;

∑ms———慢化劑的宏觀散射截面,m-1;Nm=ρN0/A,ρ為材料的密度，N0為阿佛加得羅常數(shù)。

幾種慢化材料的性質(zhì)見表1。從表1可看到，盡管石墨每次碰撞的平均對(duì)數(shù)能量變化ξ和慢化能力ξ∑s不大，但其慢化比ξ∑s/∑a卻僅次于重水。固體慢化材料也是反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)材料的一部分，因此它必須具備結(jié)構(gòu)材料的性質(zhì)。石墨具有中等的力學(xué)性能，特別出色的高溫力學(xué)性能，其強(qiáng)度在2500℃以下隨溫度增加而增加，是反應(yīng)堆冷卻劑溫度超過700℃時(shí)唯一可以使用的堆芯結(jié)構(gòu)材料。石墨的導(dǎo)熱系數(shù)大，線脹系數(shù)低，彈性模量小，因而其抗熱沖擊（熱震）的能力好。石墨的熱容量大，因而其熱慣性大。石墨在氧化性氣氛中不穩(wěn)定（但在惰性氣氛中穩(wěn)定）。石墨具有密集六方結(jié)構(gòu)，高度各向異性，因而其性能大多數(shù)也是高度各向異性，特別是在輻照條件下，其變化的各向異性，在一定條件下，成為其使用的限制因素。3.2高溫氣冷堆與石墨和炭素材料上一講中我們已經(jīng)介紹過高溫氣冷堆的結(jié)構(gòu)從圖中可以看到，反應(yīng)堆壓力殼里面幾乎都是石墨和炭素材料，下面將具體地討論一下各種石墨和炭素材料構(gòu)件的功能，工作環(huán)境和負(fù)荷。3.2.1高溫氣冷堆燃料元件高溫氣冷堆燃料元件由包覆燃料顆粒和石墨組成，曾經(jīng)研究過多種結(jié)構(gòu)形式，具有應(yīng)用前景的主要有球形燃料元件和柱狀燃料元件兩種，其示意圖如圖1和圖2。下面以球形燃料為例作進(jìn)一步說明。1）包覆燃料顆粒包覆燃料顆粒的結(jié)構(gòu)如圖1，其組成和功能如下：燃料核芯通常是二氧化鈾，也可以是鈾的其他難熔化合物，它是直徑為0.5mm的球形顆粒，核裂變?cè)谄渲邪l(fā)生，因而是核反應(yīng)堆能量和放射性裂變產(chǎn)物的源泉。疏松熱解炭層緊挨燃料核芯，其密度約為1g/mm3，其孔隙提供貯存氣態(tài)裂變產(chǎn)物的空間。疏松層的另外功能是：吸收在燃料核芯表面的燃料原子裂變時(shí)產(chǎn)生的反沖核，以免其損傷外面的致密包覆層；吸收致密包覆層和燃料核芯因熱和輻照引起的尺寸變化差，避免造成應(yīng)力。致密熱解炭層分內(nèi)外兩層，內(nèi)層主要是避免包覆熱解碳化硅層時(shí)產(chǎn)生的HCl對(duì)燃料核芯的侵蝕及由此而來的對(duì)包覆層的污染，這種污染將使致密包覆層性能劣化。外層的主要作用是保護(hù)熱解碳化硅層在隨后的燃料元件制造過程中免受損傷；熱解炭在輻照時(shí)的收縮比熱解碳化硅大，因此給熱解碳化硅以壓應(yīng)力，有利于緩解裂變氣態(tài)產(chǎn)物的內(nèi)壓在熱解碳化硅層中產(chǎn)生的張應(yīng)力。在熱解碳化硅層失效后，內(nèi)外致密熱解炭層起約束放射性裂變產(chǎn)物的作用。致密熱解炭層的各向異性度對(duì)熱解層的輻照穩(wěn)定性有決定性的影響，在高溫氣冷堆中其值應(yīng)該小于或等于1.03,其密度應(yīng)大于1.80g/mm3。3）石墨基體包覆燃料顆粒雖然從物理上講是一個(gè)微球形燃料元件，但從工程上來說，它的尺寸太小，無(wú)法獨(dú)立使用，也無(wú)法象其他反應(yīng)堆燃料元件一樣組裝成組件使用，它需要用石墨基體材料來定位和保護(hù)。由于碳化硅在2100℃以上會(huì)顯著分解，此外鈾在高溫下，通過包覆層向外擴(kuò)散的速度也會(huì)加速，造成污染，所以高溫堆球形燃料元件的最終熱處理溫度不能太高，一般不超過1950℃，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石墨化處理的溫度。輻照試驗(yàn)表明，石墨的輻照穩(wěn)定性比炭素材料好，石墨的結(jié)晶程度越高，輻照穩(wěn)定性也越好。這就是說高溫氣冷堆球形燃燒元件要求其基體材料不經(jīng)石墨化處理而具有石墨的性能。

石墨基體材料除上述結(jié)構(gòu)功能外，同時(shí)又是高溫氣冷堆的慢化劑，中子慢化的功能由它來完成。核裂變能也通過石墨基體傳導(dǎo)出來。石墨中，特別是天然鱗片石墨中通常含有大量雜質(zhì)，這些雜質(zhì)吸收中子屬于寄生吸收，降低中子利用系數(shù)f，此外鈾、釷和鋰等雜質(zhì)還造成放射性安全問題。因此除必須滿足一定的物理要求外，天然鱗片石墨的純化是燃料元件基體材料制備的關(guān)鍵技術(shù)之一。3.2.2反射層石墨砌體既是高溫氣冷堆堆芯的容器，又是反射層。碳的中子散射截面中等，吸收截面很小，中子在其中的擴(kuò)散長(zhǎng)度比較大，達(dá)0.54m。這意味著用石墨做慢化劑時(shí)，中子逃脫泄漏的幾率比較小，所以必須用反射層把泄漏出去的中子盡可能多地反射回來。反射回來的多少和反射層厚度有關(guān)，究竟用多厚的反射層取決于經(jīng)濟(jì)核算，但一般都大于擴(kuò)散長(zhǎng)度即0.54m。根據(jù)其在反射層中位置不同，石墨的工作負(fù)荷也不同。圖3是大型球床高溫氣冷堆石墨砌體的結(jié)構(gòu)工作負(fù)荷示意圖。從核應(yīng)用的觀點(diǎn)看，最關(guān)鍵的是高注量區(qū)石墨，因?yàn)閷?duì)低注量區(qū)用石墨的要求低于高注量區(qū)的石墨，而主要承受機(jī)械負(fù)荷的石墨，其要求和常規(guī)高溫石墨結(jié)構(gòu)的要求沒有什么區(qū)別。3.2.3絕熱和中子屏蔽層反射層只能反射回去大部分泄漏出來的中子，仍有一部分中子泄漏出來。雖然其注量率已很低，但它仍足以引起壓力殼用鋼性能惡化，特別是其脆—塑性轉(zhuǎn)變溫度提高，給反應(yīng)堆運(yùn)行安全帶來威脅。另外反射層石墨要求導(dǎo)熱性好，所以其表面溫度很高，必須采取絕熱措施，否則不僅熱損失太大，而且反應(yīng)堆壓力殼，特別是壓力殼上穿孔的密封結(jié)構(gòu)也承受不了很高的溫度。為了屏蔽熱和中子，在反應(yīng)堆反射層與壓力殼之間有一含硼炭磚層，硼用來吸收中子，炭磚用于絕熱和載帶硼。炭磚的制備不存在技術(shù)上的難題，含硼炭磚的主要工藝難點(diǎn)是加工成尺寸精確的制品，因?yàn)樘?，刀具磨損很快。3.3高溫氣冷堆對(duì)石墨和炭素材料的要求高溫氣冷堆反射層石墨的主要要求如下：1)高純度碳元素本身的中子吸收截面很低，只有3.4mb。但石墨反射層用石墨的吸收截面不只是碳元素，雜質(zhì)原子的中子吸收截面也必須考慮在內(nèi)。它們的吸收往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過碳的吸收，因此對(duì)吸收截面大的元素的含量必須嚴(yán)格限制，要求核純。核純的概念和化學(xué)純度的概念不盡相符，對(duì)于中子吸收截面大的元素的含量如B、Li等元素的純度要求在10-12-10-6量級(jí)，對(duì)于那些中子吸收截面低的元素的含量要求往往很松。核石墨的純度通常用兩個(gè)指標(biāo)來表征，即總灰分和硼當(dāng)量。硼的吸收截面很大（天然硼為750b），且普遍存在，所以把其他雜質(zhì)對(duì)中子的吸收都折合成相應(yīng)硼含量對(duì)中子的吸收。

2）高密度核石墨的密度與它的中子慢化能力、物理機(jī)械性能、化學(xué)性能及輻照穩(wěn)定性有關(guān)。一般要求大于1.708g/