核工程中的石墨和炭素

➢ 4.1.3 核石墨和中子散射
从第三讲中我们知道中子在慢化剂介质中运动时会和 慢化剂原子核发生碰撞，把其所携带的能量的一部分传递 给靶核，直到达到与介质原子热平衡为止。中子散射根据 其作用机制分散弹性散射和非弹性散射两种。后者是靶核 与中子相互作用，靶核吸收中子，形成激发复合核，复合 核旋即释放出一个能量比原中子低的中子，并放出一个 γ-光子，回到稳态。对于中等质量数或高质量数的原子 ， 最低的活化能，即靶核的最低激发态通常在约0.1-1 MeV， 因此只有能量大于最低激发能的中子才能发生非弹性散射。
中子与介质中的原子核发生弹性散射时，把其携带的 能量的一部分传递给靶核，系统的动能和动量守恒，就像 两个刚性球相互碰撞。碰撞前后的速度和能量关系，可以 用传统的经典力学来处理。如前所述，中子碰撞前后的能 量关系为：
每次碰撞的平均对数能量变化ξ为：
式中A——— 介质原子的质量数。
当传递的能量大于介质原子在其结晶节点上的离位能 量（通常为25eV）时，受碰撞的原子会被击出其平衡位 置，产生空位和间隙原子。经弹性散射后的中子仍具有足 够的能量时，它继续与介质原子发生碰撞，并相应地产生 空位和间隙原子，直到其能量降低到每次碰撞传递的能量 小于介质原子的离位能为止。
辐照引起的石墨宏观尺寸变化，尤其是因织构引起的 各向异性变化，对核反应堆堆芯的结构稳定性和使用寿命 具有极其主要的影响，这种影响在高温气冷球床堆中表现 得尤其突出。
尽管堆芯材料经受辐射作
用的种类很多，但从反应堆工 程结构观点来看，只有裂变中 子或快中子的散射对材料的性 能产生显著的影响，因为裂变 碎片虽然带有巨大的能量（比 快中子大几十倍），但它的质 量数大且处于高度电离状态， 它在介质中的射程非常短，通 常只对核燃料及直接与核燃料 接触的材料发生损伤作用。γ射线和 β- 粒子主要对半导体 材料和绝缘材料产生破坏作用。 所以在堆芯结构材料和慢化剂 中，只需考虑中子引起的辐照 损伤。
➢ 4.1.2中子与物质的相互作用
中子与物质的相互作用主要有：裂变反应；辐射俘获 （吸收中子后复合核被激发，处于高能态，放射出 γ- ， 回到低能态，变成质量数比原来的原子大1的同位素）； 核嬗变（原子与中子相互作用后，放出α- 、β-或正电 子，元素本身也变成别的元素）和散射，对于核石墨来说， 我们感兴趣的是散射。
➢ 4.1.4 离位原子与介质的相互作用
由中子碰撞产生的离位原子称之为一次击出原 子。一
次击出原子通常都处于电离状态，当它在介质（通常是自 身介质）中运动时，其能量通过电子激发和碰撞两种形式 释放而降低。当一次击出原子和介质的晶格原子碰撞时， 如果传递的能量足够大，它也可以造成晶格原子离位，产 生二次击出原子和空位。碰撞后的一次击出原子和新产生 的二次击出原子的能量足够大时，它们还会产生二次击出 原子和三次击出原子，直至其能量不足以击出与其碰撞的 原子为止，即一次击出原子在介质中产生级联碰撞。级联 碰撞能量传递关系和碰撞次数的计算原理与中子引起的相 应计算相似，这里不再赘述。
（a）中Ⅰ为未辐照石墨的 衍射图；Ⅱ-Ⅵ为随辐照剂
量增加，c膨胀到不同百分 数时的衍射图；图上的箭 头是未辐照石墨（004） 和（006）峰的位置；(b) 为辐照对（002 ）衍射峰 的影响（辐照温度为
300℃）。
➢ 4.3 辐照引起的石墨宏观尺寸变化
石墨材料由骨料和粘结剂组成，这些材料的可石墨化 程度不同，尽管石墨材料的组分在热处理时经历相同的工 艺条件，石墨制品中仍然存在不同石墨化程度的组分。这 些组分的含量及其分布，决定了石墨制品辐照时的宏观尺 寸变化。
➢ 4.2 辐照对石墨结构的影响
研究结果表明：辐照使石墨X射线衍射峰的强度位置 和宽度发生变化，图3是这种变化的一个例子。从图上可 以看出，高度辐照的石墨的衍射图形类似于石墨化程度很 低的炭的图形。辐照破坏了石墨晶体的有序结构，这是由 于离位原子进入石墨晶体层间形成间隙原子，间隙原子可 以通过扩散聚集成间隙原子簇，两者都使层间距变大。
➢ 4.1.5 石墨的辐照损伤
慢化剂石墨和反射层石墨在反应堆强中子场中工作， 接受的中子注量可高达 3x1022/cm2，每个裂变中子在其慢 化成热中子的过程中可引起约 (20 000个原子离位) 。这 样密度为1.7g/cm3) 的石墨中，每个原子在其寿期内可发 生离位几十次。离位原子和空位的命运有3种：彼此复合、 聚集成缺陷或扩散到现存缺陷中。空位与缺陷复合对材料 的结构和性质不发生影响，后两种都改变材料的结构和性 质，造成辐照损伤。辐照损伤的程度决定于形成缺陷的类 型、密度及其分布。而缺陷类型、密度及其分布则取决于 接受的中子注量、注量率和能谱，辐照温度和材料本身的 结构特性。
第四讲ຫໍສະໝຸດ Baidu核工程中的石墨 和炭素材料
➢ 4 石墨的辐照损伤(一) ➢ 4.1 石墨辐照损伤概述 ➢ 4.1.1 核反应堆材料的辐照负荷
反应堆中核裂变产生的核辐射及其与物质的相互作用 见图1。从图上可以看出，核辐射和物质的相互作用很复 杂，这些作用在材料中引起各种物理化学过程，使材料的 性质发生变化，即辐照损伤。核反应堆材料，特别是堆芯 材料在强辐照场中工作，除承受与其他动力工程材料相应 的负荷外还承受辐照负荷。在某种意义上来说，核材料的 研究和发展，就是耐辐照损伤材料的研究发展，即在常规 动力工程材料研究和发展的基础上，加上耐辐照损伤的因 素。当然核纯也是核材料的另一个特殊要求，但这和高纯 材料的制备没有什么本质上的差别，只是对某些高吸收截 面元素要求苛刻一些。
➢ 裂变中子慢化到热中 子的整个过程可以用图2 形象地描述。中子和一次 击出原子与介质原子碰撞 的距离随其能量的降低而 缩短，在碰撞的末端，离 位原子之间的距离非常短， 在介质材料中形成离位原 子高度密集的区域，称之 为离位峰，材料的晶体结 构被严重地破坏。低于激 出阈能的中子和击出原子 与介质晶格原子的碰撞距 离比离位碰撞更短，它们 通过碰撞，把所携带的能 量迅速地传递给晶格原子， 使其热运动加剧，温度升 高，形成热峰。