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核石墨材料在核反应堆中的应用

时间:2019-04-08 15:30:01 

[CN]粉体技术网/文龙)炭材料具有质量轻、韧性高、比强高、模量高、稳定性高、耐腐蚀性强、无毒等优异性能,成为重要的结构材料、功能材料和生物医用材料,在航空、航天、工业生产等领域有着广泛的应用前景。因为低热膨胀系数、优异的抗热冲击性、低中子活化性能,炭材料成为核反应堆中重要的慢化材料。而高纯石墨是核反应堆优异的中子减速材料,其减速比仅次于重水,成本低且能使天然U被利用。通常,将用于核反应堆的炭石墨材料称为核反应堆石墨,简称核石墨。
       核石墨是多晶材料,石墨化度高。它对纯度的要求也很高,这是为了防止热中子吸附在慢化块上,它还具有各向同性,可以使其在高中子辐射条件下,能够在三维空间保持一定的稳定性。核石墨材料可以用来制作热结构部件,如:支承柱、热气导管、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、电极等核石墨产品。



1. 高温气冷堆用石墨堆芯材料 
       高温气冷堆石墨堆芯材料暴露在极端环境条件下,需要承受中子辐射、高温(大约1273K),以及Pb-Bi共熔合金体系冷却剂的腐蚀环境。高温气冷堆内部堆芯材料由BeO慢化块、反射块、石墨燃料管及石墨反射块组成。


       这类石墨堆芯材料一般需要经过核辐射实验,它具有高强度、脆性小、良好的各向异性,同时还具有很高的热导性能。通常,高温气冷堆用石墨堆芯材料可采用热等静压技术挤压、振动成型技术进行制备。可以加工、抛光制成各种制品,要求加工精度高,以并保证其纯度。


2. 高温气冷堆用石墨反射块  
  高温气冷堆是由菱形BeO慢化块组成,每个慢化块中心包含核燃料的石墨管,核燃料包裹在1SiC3层热解炭缓冲层内,3个热解炭层分别起到吸附、屏蔽和化学保护等功能,与石墨粉装在燃料盒中,与石墨慢化材料一起,组装成包含核燃料的石墨管(图1),与BeO一起,构成菱形BeO慢化块。


   石墨反射块是高温气冷堆的重要组成部分,它围绕在BeO慢化块周围,构成高温气冷堆核部。石墨反射块形状不规则,约1.15m长,石墨燃料管是1.4m长的圆柱形管,内有12个直径0.010m、长1.05m的燃料盒。


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1 高温反应堆核部的炭石墨慢化、反射材料示意图

 

3.支承柱、热气导管、燃料元件等热结构部件
       /炭复合材料是核石墨材料中很重要的一类,它可制成各种形状的制品(图2),主要用作高温反应堆用热结构部件。作为结构材料,炭/炭复合材料可用在高温反应堆的内部,主要提供其高温条件下的高强度。炭/炭复合材料也可制成热气导管,插在出口管上,作卸料管,大幅度提高了其使用温度,这样就允许出口温度远高于金属管衬的极限。


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2  核反应堆用炭/炭复合材料示意图

   /炭复合材料具有耐高温、气固性好、耐摩擦等优异性能。在核反应堆中,还可用作支承柱、燃料元件等热结构部件。


4. 高温气冷堆球状反应堆用石墨球
   高温气冷堆球状反应堆核部,除了使用核燃料球外,也包含不含核燃料的石墨球。高温气冷堆球状反应堆用石墨球需要有足够大的尺寸和重量,同时需要耐高温耐磨擦,需要精密加工和可靠的质量保障。



5. 高温气冷堆用电极石墨粉  
       高温气冷堆用电极石墨粉是高温气冷堆的燃料基质不可缺少的组成部分,对其质量要求很高,需要进行一系列的质量检测。


      大多数核石墨需要在28003000摄氏度左右进行高温石墨化处理,以提高其石墨化度,保证核石墨块体在中子辐射中的稳定性。对于采用热等静压工艺技术和振动成型制备的各向同性石墨材料和核石墨块,高温石墨化处理必不可少。为了防止各向同性炭制品在石墨化过程中开裂,可以在混合料中加入同牌号15%-20%的石墨粉末。即使是在炭/炭复合材料的制备过程中,也可以填加石墨粉末。这些石墨粉末可以起到雏晶作用,以促进石墨化过程,使制品容易实现石墨化,同时使石墨化需要的热处理温度降低,比较节约能源。


6.  结语
       作为清洁能源的核能一直以来都受到各国的高度重视,核电站成为解决能源问题的重要途径。作为核电站建设的重要材料,核石墨材料由于其热膨胀系数低、抗热冲击性好、中子活化性能低等优异的性能,越来越多的得到应用,成为核电站建设的重要结构和功能材料。可以预见,随着核石墨材料的开发和研制的不断深入,它必将在核电站建设中发挥越来越重要的作用。


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