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        核石墨材料在核反應堆中的應用

        時間:2019-04-08 15:30:01 

        中國粉體技術網/文龍)炭材料具有質量輕、韌性高、比強高、模量高、穩定性高、耐腐蝕性強、無毒等優異性能,成為重要的結構材料、功能材料和生物醫用材料,在航空、航天、工業生產等領域有著廣泛的應用前景。因為低熱膨脹系數、優異的抗熱沖擊性、低中子活化性能,炭材料成為核反應堆中重要的慢化材料。而高純石墨是核反應堆優異的中子減速材料,其減速比僅次于重水,成本低且能使天然U被利用。通常,將用于核反應堆的炭石墨材料稱為核反應堆石墨,簡稱核石墨。
               核石墨是多晶材料,石墨化度高。它對純度的要求也很高,這是為了防止熱中子吸附在慢化塊上,它還具有各向同性,可以使其在高中子輻射條件下,能夠在三維空間保持一定的穩定性。核石墨材料可以用來制作熱結構部件,如:支承柱、熱氣導管、燃料元件等。各向同性炭石墨材料也可用于制造石墨球、堆芯材料、電極等核石墨產品。



        1. 高溫氣冷堆用石墨堆芯材料 
               高溫氣冷堆石墨堆芯材料暴露在極端環境條件下,需要承受中子輻射、高溫(大約1273K),以及Pb-Bi共熔合金體系冷卻劑的腐蝕環境。高溫氣冷堆內部堆芯材料由BeO慢化塊、反射塊、石墨燃料管及石墨反射塊組成。


               這類石墨堆芯材料一般需要經過核輻射實驗,它具有高強度、脆性小、良好的各向異性,同時還具有很高的熱導性能。通常,高溫氣冷堆用石墨堆芯材料可采用熱等靜壓技術擠壓、振動成型技術進行制備??梢约庸?、拋光制成各種制品,要求加工精度高,以并保證其純度。


        2. 高溫氣冷堆用石墨反射塊  
          高溫氣冷堆是由菱形BeO慢化塊組成,每個慢化塊中心包含核燃料的石墨管,核燃料包裹在1SiC3層熱解炭緩沖層內,3個熱解炭層分別起到吸附、屏蔽和化學保護等功能,與石墨粉裝在燃料盒中,與石墨慢化材料一起,組裝成包含核燃料的石墨管(圖1),與BeO一起,構成菱形BeO慢化塊。


           石墨反射塊是高溫氣冷堆的重要組成部分,它圍繞在BeO慢化塊周圍,構成高溫氣冷堆核部。石墨反射塊形狀不規則,約1.15m長,石墨燃料管是1.4m長的圓柱形管,內有12個直徑0.010m、長1.05m的燃料盒。


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        1 高溫反應堆核部的炭石墨慢化、反射材料示意圖

         

        3.支承柱、熱氣導管、燃料元件等熱結構部件
               /炭復合材料是核石墨材料中很重要的一類,它可制成各種形狀的制品(圖2),主要用作高溫反應堆用熱結構部件。作為結構材料,炭/炭復合材料可用在高溫反應堆的內部,主要提供其高溫條件下的高強度。炭/炭復合材料也可制成熱氣導管,插在出口管上,作卸料管,大幅度提高了其使用溫度,這樣就允許出口溫度遠高于金屬管襯的極限。


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        2  核反應堆用炭/炭復合材料示意圖

           /炭復合材料具有耐高溫、氣固性好、耐摩擦等優異性能。在核反應堆中,還可用作支承柱、燃料元件等熱結構部件。


        4. 高溫氣冷堆球狀反應堆用石墨球
           高溫氣冷堆球狀反應堆核部,除了使用核燃料球外,也包含不含核燃料的石墨球。高溫氣冷堆球狀反應堆用石墨球需要有足夠大的尺寸和重量,同時需要耐高溫耐磨擦,需要精密加工和可靠的質量保障。



        5. 高溫氣冷堆用電極石墨粉  
               高溫氣冷堆用電極石墨粉是高溫氣冷堆的燃料基質不可缺少的組成部分,對其質量要求很高,需要進行一系列的質量檢測。


              大多數核石墨需要在28003000攝氏度左右進行高溫石墨化處理,以提高其石墨化度,保證核石墨塊體在中子輻射中的穩定性。對于采用熱等靜壓工藝技術和振動成型制備的各向同性石墨材料和核石墨塊,高溫石墨化處理必不可少。為了防止各向同性炭制品在石墨化過程中開裂,可以在混合料中加入同牌號15%-20%的石墨粉末。即使是在炭/炭復合材料的制備過程中,也可以填加石墨粉末。這些石墨粉末可以起到雛晶作用,以促進石墨化過程,使制品容易實現石墨化,同時使石墨化需要的熱處理溫度降低,比較節約能源。


        6.  結語
               作為清潔能源的核能一直以來都受到各國的高度重視,核電站成為解決能源問題的重要途徑。作為核電站建設的重要材料,核石墨材料由于其熱膨脹系數低、抗熱沖擊性好、中子活化性能低等優異的性能,越來越多的得到應用,成為核電站建設的重要結構和功能材料??梢灶A見,隨著核石墨材料的開發和研制的不斷深入,它必將在核電站建設中發揮越來越重要的作用。


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