核石墨的研究和發(fā)展

1、核石墨的研究和發(fā)展第1O卷第1期2000年3月2Do,j0(-0炭素科技CARBONSCIENCEANDTECHN0LOGYVol-10No.1March.2000核石墨的研究和發(fā)展徐世江一TL(清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院北京102201)摘要:末文簡(jiǎn)要地介紹7作為核反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu),慢化和反射材料的石墨的I作環(huán)境,中子輻照在石墨中發(fā)生的微觀過(guò)程及引起宏觀性質(zhì)的變化,由此提出對(duì)石墨的技術(shù)要求.分兩階段討論j樁石墨的發(fā)展:第一階段主要是利用石墨的慢化,反射功能,唯一要注意的是合理處置中子輻照引起的貯能問(wèn)題;第二階段,石墨被用于高溫氣冷堆,它既要完成慢化,反射功能,又要滿足在強(qiáng)輻照?qǐng)鲋?高溫長(zhǎng)期(3

2、040豐)使用的結(jié)構(gòu)功能,工作條件+分苛刻介紹了高溫氣冷堆石墨的研究和發(fā)展I作及取得的成就.指出1柱石墨發(fā)展中值得注意的問(wèn)題關(guān)鍵詞;核:墨!墾些咝塾皇一礅皈i2罐,1引言2堆芯材料的工作環(huán)境和要求核能的研究,開(kāi)發(fā)和應(yīng)用與炭素材料,特別是石墨有不解之緣.世界上第一座核反應(yīng)堆CP一1就是石墨慢化的反應(yīng)堆L1,它證宴了可控自持棱反應(yīng)是可以實(shí)現(xiàn)的.這一發(fā)現(xiàn)馬上被應(yīng)用于生產(chǎn)原子彈裂變材料钚,生產(chǎn)钚的反應(yīng)堆用石墨作慢化劑和結(jié)構(gòu)材料.五十年代核能進(jìn)入和平利用領(lǐng)域,氣冷反應(yīng)堆與水冷反應(yīng)堆并行發(fā)展,它的慢化劑和結(jié)構(gòu)材料也是石墨.盡管氣冷堆的經(jīng)濟(jì)性不如水冷堆,在競(jìng)爭(zhēng)中敗比,但在其基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的高溫氣冷堆,以

3、其優(yōu)越的固有安全性和其他堆型無(wú)法達(dá)到的冷卻劑出口溫度,展現(xiàn)出誘人的發(fā)展前景.高溫氣冷堆賴以建立的三大技術(shù)基礎(chǔ)是:全陶瓷.瞧8料元件f石墨堆芯結(jié)構(gòu)材料和氯冷卻劑,前兩項(xiàng)主要是炭素,石墨材料限于篇幅本文就國(guó)內(nèi)外核石墨的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀作一簡(jiǎn)單的介紹,重點(diǎn)是高溫氣玲堆石墨.核反應(yīng)堆堆芯材料包括核燃料,慢化和反射材料,結(jié)構(gòu)材料,冷卻材料和控制材料,石墨是慢化,反射材料和結(jié)構(gòu)材料.為了便于了解石墨的工作環(huán)境和對(duì)石墨的要求,這里簡(jiǎn)要地介紹一下核反應(yīng)堆的工作原理和結(jié)構(gòu)21核反應(yīng)堆原理自然界中只有占天然鈾約0.71的同位素鈾-235是易裂變材料,占99.28的同位素鈾一238和釷,可以在反應(yīng)堆中吸收中子,經(jīng)過(guò)核

4、衰變轉(zhuǎn)變成易裂變材料钚一239和鈾一233易裂變同位素吸收一個(gè)中子后,分裂成兩個(gè)碎片,產(chǎn)生23個(gè)中子,并釋放出巨大的能量:580U+一2,+23+200M易裂變同位素吸收各種能量的中子都可以發(fā)生上述反應(yīng),但其反應(yīng)的幾率(裂變截面)隨中子能量降低而增加,這就是為什么目前商堪氣跨堆技術(shù)頌?zāi)康母邷囟讶剂显芯亢桶l(fā)展工作.該課題于1994年通過(guò)國(guó)家教委主持的鑒定,獲1995年國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng).參加了(材料太辭典縮寫工作,任總縮會(huì)委員和能繇材料分縮委會(huì)主任.收梧13期1999-11-lO?2?炭索科技2000芷用核反應(yīng)堆都是熱中子反應(yīng)堆的理由.核裂變產(chǎn)生的中子也稱快中子,具有很高的能量,平說(shuō)在熱

5、中子堆中,裂變中子必須慢化下來(lái).使中子慢化的材料稱之為慢化劑,常用的慢化劑有水,重水和石墨.中子慢化過(guò)程中,可能因被其他材料吸收或泄漏而損失掉,要使核裂變能可控自持進(jìn)行的前提是裂變產(chǎn)生的中子中,至少有一個(gè)參與下一代核裂變反應(yīng).核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)建造的目的和要求是創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件,最經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)可控自持核裂變反應(yīng);最有效地導(dǎo)出核裂變釋放出來(lái)的巨大能量;最大限度地約束放射性裂變產(chǎn)物以保證工作人員和環(huán)境的安全.2.2核反應(yīng)堆堆芯材料的工作環(huán)境和對(duì)它的要求核反應(yīng)堆的堆芯就象常規(guī)電廠的鍋爐.堆芯材料除開(kāi)承受和常規(guī)鍋爐材料承受的機(jī)械和熱負(fù)荷外,還承受輻照負(fù)荷,即中子等高能粒子的轟擊.堆芯材料應(yīng)能在機(jī)械,熱和輻照負(fù)荷

6、的聯(lián)合作用下,在反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)壽期內(nèi)(長(zhǎng)達(dá)幾十年)不失效.反應(yīng)堆堆芯材料除開(kāi)應(yīng)滿足常規(guī)鍋爐材料的要求外,還必須滿足下列要求;(1)高純度核反應(yīng)堆堆芯材料應(yīng)達(dá)到核純,即高吸收截面的核素的含量越低越好,以提高中子經(jīng)濟(jì)性,減少核燃料的消耗.(2)輻照穩(wěn)定性好堆芯材料在強(qiáng)輻照?qǐng)鲋泄ぷ?承受各種高能粒子,特別是高能中子的轟擊,結(jié)晶格架結(jié)點(diǎn)上的原子可能被擊出其平衡位置,產(chǎn)生間隙原子,空位和其他缺陷.這些微觀缺陷導(dǎo)致材料宏觀性質(zhì)的改變,導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯構(gòu)件的失效.輻照損傷是堆芯材料所特有的問(wèn)題,是反應(yīng)堆設(shè)計(jì),運(yùn)行和維護(hù)中必須加以考慮和解決的問(wèn)題,是反應(yīng)堆材料研究和發(fā)展的重要課題.3核石墨的研究和發(fā)展3.1早期核

7、石墨的研究和發(fā)展早期核石墨的研究和發(fā)展所關(guān)注和解決的問(wèn)題,主要是充分利用元素碳吸收截面低,散射截面高的特性實(shí)現(xiàn)中子慢化功能.自從核裂變現(xiàn)象在1939年被發(fā)現(xiàn)后,實(shí)現(xiàn)可控自持核裂變的探索立即展開(kāi).當(dāng)時(shí)只有天然鈾供應(yīng),熱中子堆是唯一可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的堆型,石墨是當(dāng)時(shí)唯一可以大量供應(yīng)的慢化材料.當(dāng)時(shí)對(duì)石墨的主要要求是純度和密度,美國(guó)speer炭公司提供了由石油焦用Acheson法制造的石墨,費(fèi)米用這批石墨建成了cP一1反應(yīng)堆(1942),證實(shí)了可控自持核裂變是可以實(shí)現(xiàn)的.接著國(guó)家炭公司被指定為軍用堆提供石墨,該公司研制的高純石墨AGOT被用于ORNL的x一1O堆和HaMord四座軍用堆的建造.194

8、8年,聯(lián)合炭制品公司首次把光譜電極生產(chǎn)工藝的氯化提純應(yīng)用于大塊石墨的生產(chǎn),大湖炭公司和國(guó)家炭公司改善了這一工藝,把它發(fā)展成為工業(yè)生產(chǎn)的方法,解決了生產(chǎn)堆用石墨的商業(yè)供應(yīng)問(wèn)題.應(yīng)ep一1反應(yīng)堆還在建造時(shí),Wigner就指出輻照將在石墨中產(chǎn)生大量的缺陷,積累大量的能量,如果這些能量自發(fā)釋放出來(lái),足以使溫度陡升1000口,造成災(zāi)難性后果.這一預(yù)言對(duì)于當(dāng)時(shí)運(yùn)行溫度很低的反應(yīng)堆,確是問(wèn)題,必須在反應(yīng)堆運(yùn)行的過(guò)程中,有意識(shí)地,定時(shí)地提高溫度,使之可控釋放.3.2高溫氣冷堆石墨的研究和發(fā)展50年代起,歐洲致力發(fā)展商用氣冷堆.為了提高發(fā)電效率,反應(yīng)堆冷卻劑出口溫度從Magnox堆的350左右,提高到AGR堆的

9、600左右.盡管如此,其經(jīng)濟(jì)性仍比不上水冷反應(yīng)堆,為了提高氣冷堆的經(jīng)濟(jì)性,5O年代中后期,首先是英國(guó)提出用氦氣做冷卻荊,石墨作堆芯結(jié)構(gòu)材料的高溫氣冷堆的概念.當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的冷卻劑出口溫度是750C,其產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)可以與現(xiàn)代先進(jìn)化石燃料鍋爐產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)相當(dāng).英國(guó),美國(guó)和德國(guó)分別于5O年代末,60年代初著手興建高溫氣冷實(shí)驗(yàn)堆,并于第1期椽世江核石墨的研究和發(fā)展-3-1967年和68年建成.三座實(shí)驗(yàn)堆的成功運(yùn)行,使美國(guó)和德國(guó)立即看手興建原型堆,還在原型堆建造的同時(shí),公司事業(yè)公司就紛紛向核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)建造公司提出訂貨.高溫氣冷堆的堆芯幾乎全部由炭素和石墨材料組成,不同部位的石墨構(gòu)件的功能不同,限于篇幅,

10、本文重點(diǎn)討論高溫,高中子通量區(qū)石墨的有關(guān)問(wèn)題.這一區(qū)域的石墨工作溫度可高達(dá)1000C,快中子注量達(dá)1O量級(jí),又要承擔(dān)結(jié)構(gòu)功能,要求使用壽命長(zhǎng)達(dá)40年,這樣苛刻的工作條件是前所未有的.在反應(yīng)堆建造前必須對(duì)石墨的生產(chǎn)工藝,性能和輻照行為進(jìn)行深入的研究,發(fā)展出滿足高溫氣拎堆需要的石墨.在氣冷堆發(fā)展過(guò)程中,理論研究和反應(yīng)堆運(yùn)行實(shí)踐已表明各向同性石墨比各向異性石墨的輻照穩(wěn)定性好,并已著手進(jìn)行各向同性石墨制造工藝的研究.高溫氣冷堆的發(fā)展對(duì)各向同性石墨的商業(yè)供應(yīng)提出了要求,各向同性石墨可以用各向同性焦炭或用各向異性焦炭通過(guò)適當(dāng)?shù)闹圃旃に噥?lái)制取.目前只有美國(guó)Calonado州一些地區(qū)出產(chǎn)的瀝青生產(chǎn)的Gilso

11、nite焦,具有球狀各向同性結(jié)構(gòu),但其貯量不大,價(jià)格高,且為美國(guó)公司所壟斷.研嗣人造各向同性焦也不經(jīng)濟(jì),所以歐洲各國(guó)都致力于立足本國(guó)資源,研究,發(fā)展用各向異性骨料,生產(chǎn)宏觀各向同性石墨的工藝,如原西德就采用二次焦技術(shù),解決各向同性石墨的制造問(wèn)題,首先把焦炭顆粒粉碎到0.12mm以下,然后用高速混捏機(jī)和煤焦油瀝青混捏在一起,壓制成塊,于1100以上焙燒后,再磨成小于ram的粉料,由此獲得高密度,低灰份,機(jī)械性能好,近乎各向同性的等軸焦炭顆粒.以這種焦炭顆粒為骨料,混以20磨碎的各向同性石墨,制得各向同性石墨.高溫氣玲堆的反射層,特別是頂反射層,尺寸大(長(zhǎng)達(dá)2m以上),要求密度均勻,物性一致,這給

12、制造工藝帶來(lái)很大困難.盡管二次焦原則上可以用任何方法成型,但傳統(tǒng)的擠壓和模壓工藝粘結(jié)劑用量高,工藝時(shí)間長(zhǎng),不經(jīng)濟(jì)德國(guó)Sigri公司發(fā)展,使用了振動(dòng)成型工藝,它包括振動(dòng)臺(tái),模子,帶導(dǎo)向捧的加重蓋和真空系統(tǒng).熱的混合料直接從混捏機(jī)倒入模腔,加好加重蓋,抽真空,開(kāi)振動(dòng)臺(tái),籍助于模子相對(duì)于加重蓋的振動(dòng)來(lái)使粉末壓實(shí).振動(dòng)成型的優(yōu)化與很多因素有關(guān),最佳振動(dòng)頻率取決于混合料的成份和工件高度,在20至35周/分之間:最佳振幅視工件的高度而定,一般在1.54mm之間;加重塊的重量與混合料的成份,工件高度及橫截面積的比傭有關(guān),一般在100150g/cm之間;振動(dòng)時(shí)間在一分鐘左右.3.22高溫氣冷堆石墨特性表征技術(shù)

13、的研究對(duì)石墨特性的準(zhǔn)確,定量的了解是高溫氣冷堆設(shè)計(jì)的先決條件.高溫氣冷堆石墨的特性表征技術(shù)與一般陶瓷結(jié)構(gòu)材料的沒(méi)有什么區(qū)別,本文不擬討論具體的測(cè)試技術(shù),只指出有關(guān)特性參數(shù)在核工程中的意義和要求.(1)化學(xué)成份分析石墨結(jié)構(gòu),特別是燃料元件基體石墨要求核純,因此對(duì)中子吸收截面大的元素,如Sm,Eu,Gd,Dy,B,CA;核反應(yīng)后生成難于防護(hù)的放射性元素,如Li,其含量要求在ppb至ppm量級(jí).FC1:等元素易和包覆燃料顆粒碳化硅層反應(yīng),導(dǎo)致包覆燃料顆粒破損,失去阻擋放射性裂變產(chǎn)物釋放的能力,其含量也要求在ppm量級(jí).有些元素的微量測(cè)定是很困難的,如Li,F:,CI.等.(2)密度密度是石墨的一個(gè)重

14、要特性,石墨很多其他性質(zhì)都與它有關(guān),如強(qiáng)度,抗氧化能力.在核反應(yīng)堆中,石墨的密度決定了它的慢化和反射性能,進(jìn)而影響反應(yīng)堆的中子經(jīng)濟(jì)性.為研究石墨輻照穩(wěn)定性,往往需要測(cè)量石墨材料的真密度,這是必不可少的技術(shù)指標(biāo).(3)孔隙度石墨在制造過(guò)程中形成發(fā)達(dá)的孔隙,其尺度分布從nm級(jí)至mm級(jí)之間.孔隙的大小和分布影響石墨的輻照穩(wěn)定性,抗炭素科技2000正氧化性,裂變產(chǎn)物的擴(kuò)散和吸附等特性.(4)石墨的抗氧化能力盡管核石墨在反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下.不存在氧化的環(huán)境,但冷卻劑中的氧化性雜質(zhì),如O.,HO,COz等仍使石墨受到不同程度的氧化.在事故工況下,如水和空氣侵入事故,石墨可能發(fā)生嚴(yán)重的氧化.石墨的氧化導(dǎo)致

15、強(qiáng)度的降低,強(qiáng)度降低的程度取決于石墨的氧化機(jī)制.如果氧化發(fā)生在化學(xué)反應(yīng)速度是控制機(jī)制的區(qū)域,后果可能是災(zāi)難性的.石墨氧化也使其所含的放射性物質(zhì)釋放出來(lái).這也是核石墨的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)(5)石墨的透氣性曾經(jīng)設(shè)想過(guò)制造不滲石墨用于核燃料元件包殼,阻擋裂變產(chǎn)物釋放用于液態(tài)金屬增殖堆的堆芯慢化和結(jié)構(gòu)材料,隔離燃料流和增殖材料流.但由于石墨的性質(zhì),工藝和輻照損傷問(wèn)題,這一企圖沒(méi)能實(shí)現(xiàn).如果研究工作能有突破,懈決不滲石墨的工藝和輻照穩(wěn)定性問(wèn)題,將對(duì)核能的發(fā)展起很大的促進(jìn)作用.(6)擴(kuò)散,吸附和吸收在高溫氣冷堆中,包覆燃料顆粒的污染,失效,石墨基體材料本身的污染,都會(huì)在石墨中積聚放射性裂變產(chǎn)物,這些裂變產(chǎn)物一部

16、分被石墨吸附,吸留,一部分通過(guò)石墨擴(kuò)散到石墨表面,解吸進(jìn)入冷卻劑,造成冷卻劑的污染.研究裂變產(chǎn)物,特別是Cs一134,Cs一137,Sr一90和Ag一110在高溫氣冷堆工況下,在石墨中的擴(kuò)散,吸附,吸留情況,對(duì)高溫氣冷堆的維護(hù)和維修時(shí),工作人員的安全,有十分重要的意義.(7)熱膨脹石墨晶體具有高度各向異性,多晶石墨存在不同程度的織構(gòu),在強(qiáng)輻照?qǐng)鲋?中子輻照加劇了尺寸變化的各向異性,造成結(jié)構(gòu)部件的內(nèi)應(yīng)力,嚴(yán)重時(shí)可以使部件破損.核石墨的線脹系數(shù)應(yīng)小于510/K(20500).石墨的各向異性度用垂直于顆粒方向的線膨脹系數(shù)與平行于顆粒方向的線膨脹系數(shù)的比值來(lái)表示,這是石墨的非常重要的工程技術(shù)指標(biāo).(8

17、)導(dǎo)熱率作為燃料元件基體材料,導(dǎo)熱率決定了熱傳輸效率和溫度梯度,影響燃料元件中的物理化學(xué)過(guò)程和運(yùn)行特性.對(duì)于反射層材料,影響其熱應(yīng)力和耐熱振性能,這是核石墨的又一重要技術(shù)指標(biāo).(9)比熱比熱決定了石墨的熱容量,影響反應(yīng)堆升,降溫速度此外,比熱也是用激光法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)需要的物性數(shù)據(jù),這對(duì)石墨輻照后導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量,具有重要的意義,因?yàn)檩椪諛悠沸?不便于用常規(guī)的辦法測(cè)量.(10)比電阻在核工程中,比電阻本身沒(méi)有什么直接意義,但它與石墨的石墨化程度和導(dǎo)熱率有一定的聯(lián)系,往往用測(cè)量比電阻的辦法,來(lái)判斷它們.特別是比電阻對(duì)輻照敏感,用它進(jìn)行其他性能輻照效應(yīng)的間接測(cè)量,簡(jiǎn)便易行.(11)機(jī)械性能材料在工作

18、溫區(qū)內(nèi)的各種機(jī)械性能的數(shù)據(jù),是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).在高溫氣冷堆中,由于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),溫度場(chǎng)和輻照?qǐng)?核石墨承受各種應(yīng)力,應(yīng)對(duì)石墨承受各種應(yīng)力的強(qiáng)度特性有全面的了懈.由于輻照試驗(yàn)昂貴,樣品的尺寸大小通常由輻照試驗(yàn)孔道的尺小決定,而不是根據(jù)樣品的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)孔道的大小.也就是說(shuō)樣品尺寸往往遠(yuǎn)小于陶瓷材料的標(biāo)準(zhǔn)樣品尺寸,以致必須設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)量,并建立起這種測(cè)量結(jié)果和常規(guī)測(cè)量結(jié)果之間的關(guān)系.用壓環(huán)法測(cè)量包覆燃料顆粒熱解碳包覆層強(qiáng)度特性是一個(gè)極端的例子,樣品是從直徑為80090m,厚度為40pm的球殼上取下來(lái)的寬度為30pm左右的炭環(huán).(12)石墨斷裂力學(xué)研究由于核安全的重要性,反應(yīng)堆構(gòu)

19、件力學(xué)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的確定具有重要意義.過(guò)分保守意味著巨大的浪費(fèi),反之安全難以保證,迄今為止,高溫氣冷堆石墨構(gòu)件通常根據(jù)石墨的拉伸強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)的,這一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)看來(lái)過(guò)于保守.例如AVR堆使用的石墨的各向異性度高達(dá)1.8左第l期徐世江核石墨的研究和發(fā)展右,設(shè)計(jì)壽命為20年.近2o年運(yùn)行后,可視檢查的結(jié)果表明,高中子注量區(qū)的石墨沒(méi)發(fā)生任何變化,據(jù)估計(jì),還可以使用2o年應(yīng)用斷裂力學(xué)原理制定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,并加驗(yàn)證,對(duì)未來(lái)高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)具有重要意義.高溫氣冷堆石墨在強(qiáng)輻照?qǐng)鲋泄ぷ?其功能之一是慢化,反射中子.慢化和反射中子的微觀機(jī)制都是材料對(duì)中子的散射,即中子在慢化劑材料中運(yùn)動(dòng)時(shí),和慢化劑晶格中的原

20、子發(fā)生碰撞,把一部分能量傳遞給c原子.當(dāng)晶格結(jié)點(diǎn)上的C原子獲得足夠的能量時(shí),就會(huì)被擊出晶格,形成空位和間隙原子,并由此形成各種缺陷,中子與c原子每次碰撞時(shí)傳遞的能量為=2En7鼉=O.1420Ea坍一十州f一這樣裂變中子大約經(jīng)過(guò)104次碰撞才能慢化成熱中子,具有能量足以產(chǎn)生離位原子的碰撞次數(shù)為62次.被中子轟擊出來(lái)的離位原子能量足夠高時(shí),也能使其他C原子離位,形成級(jí)聯(lián)效應(yīng).中子在石墨中約1m范圍內(nèi)使1O10個(gè)原子處于強(qiáng)烈擾動(dòng)的高能狀態(tài),這就是中子輻照損傷過(guò)程的物理基礎(chǔ).高溫氣冷堆反射層石墨在其壽期內(nèi),接受的快中子注量可高達(dá)1O量級(jí).快中子注量為1O時(shí),足使反射層石墨中的每一個(gè)原子都離位一次,也

21、就是說(shuō)在其壽期內(nèi).每個(gè)c原子將離位幾十次,這也是石墨的各種性能都會(huì)因輻照而變化,光有輻照前的性能數(shù)據(jù),不足以判定石墨在不同輻照?qǐng)鲋械倪m用性,必須進(jìn)行輻照試驗(yàn),最后制定其適用性的理由,盡管輻照試驗(yàn)昂貴,耗時(shí).熱中子堆的快中子通量在10/cm.量級(jí),要使注量達(dá)到10量級(jí),將需要幾十年,因此輻照試驗(yàn)一般都在專門建造的材料試驗(yàn)堆中進(jìn)行材料試驗(yàn)堆的快中子通量要高一個(gè)量級(jí),即使如此,試驗(yàn)時(shí)間也需要幾年,如撼國(guó)高溫氣玲堆石墨輻照試驗(yàn)(快中子注量2.510zz)就用了8年時(shí)間.輻照試驗(yàn)在材料試驗(yàn)堆的專用試驗(yàn)孔道中進(jìn)行.樣品裝在專門設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)架中,臺(tái)架內(nèi)的環(huán)境應(yīng)盡可能接近材料在未來(lái)反應(yīng)堆中應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境由于輻

22、照試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng),為了研究材料在不同中子注量下的性能變化,一般都在吸收一定中子注量后,從反應(yīng)堆中取出,冷卻一定時(shí)間后,在溫室或熱室中進(jìn)行非破壞性的物性測(cè)量,推斷其破壞性測(cè)量時(shí)可能的性能,然后送回反應(yīng)堆中繼續(xù)輻照,反復(fù)循環(huán),直至試驗(yàn)預(yù)定的最終注量如強(qiáng)度隨快中子注量的變化,就是從彈性模量隨快中子注量變化的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的.只有達(dá)到最終快中子注量后,樣品才進(jìn)行最有價(jià)值的性能的破壞性試驗(yàn),當(dāng)然這也是一次校驗(yàn).在要控制的輻照參數(shù)中,溫度是昂關(guān)鍵的,因?yàn)槭蠧原子發(fā)生這么多次的離位和產(chǎn)生這么多缺陷,其回復(fù)過(guò)程的機(jī)制和速度都與溫度有關(guān).如前所述,中子輻照在石墨中引起晶格原子離位,產(chǎn)生缺陷和擾動(dòng),各種性能都發(fā)生

23、變化.由于中子激活的結(jié)果,石墨在常規(guī)使用時(shí)不會(huì)發(fā)生的過(guò)程,如在2000以下石墨不會(huì)發(fā)生蠕變,在輻照?qǐng)鲋?在300左右,就可以觀察到蠕變現(xiàn)象.4核石墨現(xiàn)狀經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的研究和發(fā)展工作,德國(guó),美國(guó)和日本都已研制出適用于本國(guó)高溫氣冷堆的核石墨.我國(guó)核石墨的研究工作早在70年代初也曾開(kāi)展過(guò),當(dāng)時(shí)其對(duì)核石墨的某些主要技術(shù)指標(biāo)提出過(guò)要求,即高純度,高密度和高強(qiáng)度,上海炭素廠,吉林炭素廠,喑爾濱電碳廠和太原煤化所都進(jìn)行過(guò)大量努力我國(guó)已能小批量生產(chǎn)冷態(tài)性能滿足高溫氣冷堆要求的石墨,但由于主客觀條件的限制,這些石墨都?6?炭素科技2000正沒(méi)有經(jīng)過(guò)輻照考驗(yàn).國(guó)家高技術(shù)計(jì)劃的實(shí)施,促使我們對(duì)國(guó)產(chǎn)石墨進(jìn)行輻照試驗(yàn),

24、但由于經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題,輻照試驗(yàn)沒(méi)有能充分進(jìn)行.在德國(guó)于利希研究中心進(jìn)行的初步試驗(yàn)表明,上海炭素廠的等靜壓各向同性石墨具有和德國(guó)類似石墨的性能,我國(guó)具有研制和生產(chǎn)高溫氣冷堆用石墨的能力.德國(guó)高溫氣垮堆石墨的使用要求最高,可代表目前國(guó)際上高溫氣冷堆石墨的水平.限于篇幅,本文只給出德國(guó)生產(chǎn)高溫氣冷堆用石墨的技術(shù)能力和產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù),見(jiàn)表1和表2表1堆芯不同區(qū)域用的石墨品種使用石墨骨料制造工藝可提供區(qū)域牌號(hào)種類的尺寸mm高注量區(qū)ATR一2E特種焦4502100瀝青焦振動(dòng)成型5001000低注量區(qū)倒反射層ATR一2E特種焦擠壓成型4502100ASR一1R5瀝青焦振動(dòng)成型5001000ASR一2R5瀝青焦振

25、動(dòng)成型5001000底反射層ASR一1RS瀝青焦振動(dòng)成型5001000ASR一2RS瀝青焦振動(dòng)成型5001000ATR一2E特種焦擠壓成型500150O熱氣導(dǎo)營(yíng)熱氣通道ARS一1R瀝青焦振動(dòng)成型120OOO燃料元件ASR一1R瀝青焦振動(dòng)成型120O90O卸料管支承柱V483T/T2瀝青焦等靜壓成型160180130O1500其他構(gòu)件ASR一1RG瀝青焦振動(dòng)成型50020090O2000表2各種石墨的性質(zhì)ATR一2EASR一1RSASR一2RSASR一1RGV483T2性質(zhì)XSXSXSXSXS彈性模量KN/mm彎曲強(qiáng)度Nn抗壓強(qiáng)度N/ram.拉伸強(qiáng)度N/ram熱導(dǎo)w/(m?K)繞雕系數(shù)10_/K(Z050U)上4,5一42一4.1一3,9一37一各向異性度第1期徐世江核石墨的研究和發(fā)展?75核