核工程中的石墨和炭素材料_第一讲_

1942 年 5 月 , 用这些石墨进行指数实验证明中子倍 堆就是因为退火失误 ,造成部分燃料元件被烧毁 ,反
增系数大于 1 的反应堆是可以建成的 。反应堆计划 应堆报废[5 ] 。反应堆运行温度高于 300 ℃时 ,由于退
加速进行 , 国家碳公司被要求承担高纯石墨的生产 火效应 ,贮能在反应堆运行过程中随时释放 ,不会积
2000 年第 1 期 总第 106 期
CA RBO N TECHNI QUES 炭素技术
2000 №1 S UM106
核工程中的石墨和炭素材料 (第一讲)
徐世江
(清华大学 核能技术设计研究院 , 北京 102201)
GRAP HITE A ND CA RBO NACEO US MATERIAL I N NUCL EA R ENGI NEERI NG
XU Shi2jiang
( Instit ute of N uclear Ener gy Technolo gy , Tsinghua U niversit y ,Beijing 102201 ,China)
1 石墨和炭素材料与核工程
1. 1 核工程在烽火中诞生[1 ] 1938 年底 、1940 年初 , 德国科学家 O . Hahn 和
燃料 , 自持可控核裂变链式反应是可以实现的 。 能) 会积累起来 , 达到危险的程度 。例如 , 反应堆在
1940 年末 , E. Fermi 提出对石墨的要求[2 ]是 : 高中 室温下运行时 ,积累的能量可达 2 720 J / g 。如果这
子吸收截面的杂质元素含量尽可能低 ; 密度尽可能 些能量瞬时释放出来的话 ,可使石墨温度升高 1 300
为曼哈顿工程 。为了更有效地进行原子弹的研制工
作 , 1942 年底美国政府决定由曼哈顿工程统领原子
弹研制的全部任务 。其建制也从工程兵转为直属美
国国防部领导 , 由国防部直接向总统负责 。原子弹
的研究制造工作开足马力进行 。
制造原子弹的核炸药有两种 : 一种是铀的易裂
变同位素铀 - 235 ,另一种是钚 - 239 。铀 - 235 在天
Wigner 效应 。西屋电器公司的 S. Siegel 用回旋加
1. 2 石墨是核工程的助产士
速器演示证实了 Wigner 的这一理论预测 。曾预测
如前所述 , 钚的生产研究与铀同位素的分离研 由于辐照效应 , Hanfo rd 的第一座生产堆只能无故
究是齐头并进的 , 当时没有富集铀 (即同位素铀 - 障运行 9 天 , 石墨辐照效应对反应堆安全运行的影
吸收中子后经两次β衰变得到 :
U 238 92
+n
β β U 239 92
N p 239 93
P u 239 94
铀和钚的化学性质不同 , 可以用化学的办法容 易地加以分离 。为了保证原子弹制造所需的核炸 药 , 钚的研究和生产与铀同位素分离工艺的研究齐 头并进 ,但对钚寄于更大的希望 ,给予优先考虑 。
电极的高温氯化处理工艺应用于大块石墨制备 , 国 司使之工业化 。
家炭公司和大湖炭公司很快把这一生产工艺工业
气冷堆核电站的运行温度比生产堆高 , 石墨的
化 ,解决高纯石墨的商业供应问题 。
氧化问题成为气冷堆最高运行温度的限制因素 。
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炭素技术
2000 年
1. 3. 3 高温气冷堆用石墨 商用核电站的另一技术路线是水慢化和冷却反应
然铀中含量只有 0. 71 % , 为了作为核炸药使用 , 必
须把它与占天然铀约 98. 2 %的不易裂变同位素铀
- 238 分开 。因为同位素的化学性质相同 ,不能用化
学的办法使之分离 , 只能利用它们之间的微小质量
差别 ,用物理的办法把它们分离开 ,这在技术上是十
分困难的 。自然界中不存在元素钚 ,它可由铀 - 238
第1期
徐世江 核工程中的石墨和炭素材料 (第一讲)
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意大利物理学家 E. Fermi 的领导下在哥伦比亚大
在 CP - 1 堆达到临界前不久 , E. Wigner 就指
学进行 。1941 年 12 月 ,美国科学研究和发展办公室 出[3 ] : 核裂变产生的高能中子和石墨晶格结点上的
Baidu Nhomakorabea
全力支持对钚的生产和分离工艺研究 , 在芝加哥大 碳原子碰撞时 ,会使碳原子离位 ,形成空位和间隙原
高 ;易于加工堆积起来 ;易于商业获得 。由石油焦制 ℃[4 ] , 造成事故 。因此运行温度低于 200 ℃的反应
得的石墨成了唯一的选择 。当时缺乏含硼量低的石 堆 ,必须在运行过程中适时地进行退火 ,使其贮能可
墨 , 到 1942 年初 Speer 公司提供了较纯的石墨 。 控地释放 ,否则会造成事故 。英国的 Windscale 生产
235 的含量大于天然铀中铀 - 235 的含量的铀) 可以 响引起了严重的关注 。从 1943 年起 ,包括阿贡国家
提供 。理论计算表明 , 只有重水或石墨慢化的反应 实验室 、通用电气公司 、Hanfo rd 和北美航空公司的
堆才有可能使天然铀实现自持核裂变链式反应 。当 很多著名学者参与了对石墨辐照效应的研究 , 以认
得了大量的辐照试验数据 。俄罗斯和日本也进行了 相似的工作 。
堆 。在这两种反应堆堆型的竞争中 ,气冷堆败北 。但 在气冷堆基础上研究和发展出来的高温气冷堆 , 却 展现出诱人的发展前景 。高温气冷堆采用石墨堆芯
1. 3. 4 其他堆型用石墨 除上述反应堆外 ,前苏联发展建成了 11 座石墨
慢化 、轻水冷却压力管式核电站反应堆 。
结构材料 ;全陶瓷燃料元件和 He 冷却剂 。独特的材 料组合赋予这种堆以冷却剂出口温度高 (达 1 000 ℃) ,固有安全性好的特点 。冷却剂出口温度高 不仅可以大大地提高核能发电的效率 (由于水的临 界点的限制 , 水冷反应堆核电站的发电效率只能达 到 33 %左右 , 蒸汽循环高温气冷堆的发电效率在 40 %左右 , He 透平直接循环的发电效率可以达到 50 %左右) ,而且为核能在高品质热能应用领域的利 用创造了条件 , 如煤的液化 、汽化 , 甲烷重整制氢 等 。核安全是核能发展 、利用的头等重要的问题 ,高 温气冷模块堆的最高事故温度不超过 1 600 ℃, 而 在 1 600 ℃下 , 基于 UO2 、热解炭 、热解炭化硅和石 墨制成的全陶瓷燃料元件 ,在 500 h 之内 ,其阻挡放 射性裂变产物释放的能力没有什么变化 。除反应堆 压力容器上 、下同时出现大破口事故 , 形成烟囱效 应 ,导致大量空气侵入堆芯外 ,这是一种“傻瓜”堆 。
60 年代初 , 美国 、英国和德国几乎同时着手兴 建各自的高温气冷实验堆 。这三座实验堆的结构形 式虽然不同 , 但其原理是完全相同的 。由于石墨是 高温气冷堆的关键 , 各国都开展了对高温气冷堆用 石墨的全面研究 ,这些研究包括石墨的原料 、大尺寸 石墨的制造工艺 、石墨在高温气冷堆运行条件下的 行为等 。石墨原材料的研究要解决的重点是寻找新 的制备各向同性度好的石墨的焦炭原料 , 因为 Gilso nite 焦源有限 ,价格昂贵 ,且难于保证供应 。石 墨制造工艺研究的重点是用新的焦炭制备大尺寸各 向同性度好的石墨 。高温气冷堆运行条件下石墨行 为的研究主要是在高温条件下 , 石墨的性能和接受 的中子注量的关系 ,如石墨在中子照射下的尺寸 、显 微结构 、物理性能和化学性能变化的规律 ,为高温气 冷的设计和运行提供依据 。美国在 Hanfo rd 反应堆 基地进行了石墨高温辐照效应和辐照蠕变的研究 ; 在 GA 公司进行了石墨显微结构 、尺寸稳定性及改 进石墨性能方面的研究 ; O RNL 对不同原料与石墨 性能之间的关系进行了广泛的研究 ; 联合炭化物公 司和大湖炭素公司改进了生产工艺 , 用改性石油焦 生产出各向异性度低的石墨 。在德国 , 研技部组织 了生产和研究部门一起进行高温气冷堆石墨的全面 研究 , 开发出二次焦技术 、振动成型等生产工艺 , 取
能利用的新时代 。CP - 1 使用了除 A GO T 石墨以外 虑 。
的多种不同纯度的石墨 ,总计 385. 5 t 。
1. 3. 2 商用气冷堆石墨
1. 3 石墨在裂变反应堆中的应用
50 年代初 , 欧洲对发展气冷堆核电站感兴趣 。
1. 3. 1 生产堆用核石墨
气冷堆核电站的运行温度比生产堆高 , 为了弄清石
生产堆指以生产钚 - 239 为主要目的的核反应 墨在气冷堆运行温度下的使用行为 , 英国在 Har2
堆 。CP - 1 堆建成后 , 立即在 Oak Ridge 建造了原 well 和 Cambridge 建立了研究石墨辐照效应的机
型堆 X - 10 , 以便为几乎同时在 Hanfo rd 兴建的多 构 , 还在 Harwell 设立了专门生产试验用石墨的试
生产钚的必要条件是提供强大的中子源 , 只有 铀的自持可控核裂变链式反应装置 ———核反应堆才 能提供这样的中子源 。建造核反应堆的研究工作在
作者简介 :徐世江 男 研究员 ,1958 年毕业于清华大学机械制造系 ,现主要从事核材料和工程研究工作 。 收稿日期 :2000 - 01 - 17
编辑 谷丽萍
堆 , 进行武器用钚的生产 。一座大型生产堆的石墨 也在石墨上进行了研究 , 采用近各向同性石墨克服
用量达几千吨 。
石墨各向异性尺寸变化带来的结构稳定性问题 。
40 年代石墨工艺的发展主要在化学纯化以降
各向同性石墨是基于一种天然沥青生产的
低硼含量上 。联合炭制品公司于 1948 年把提纯光谱 Gilso nite 焦 , 英国大湖炭素公司和 Acheso n 电极公
L . Meit ner 发现铀原子吸收中子后发生分裂并释放 出巨大的能量 。这一发现有两种应用前景 : 用于和 平的目的生产能量 ;用于战争 ,制造超级武器 。当时 正处在第二次世界大战的前夕 , 受到希特勒迫害流 亡到美国的欧洲原子科学家感到十分焦虑 , 他们害 怕希特勒会迫使他们的德国同行研制原子弹 , 如果 希特勒先于其他国家掌握原子弹 , 其后果将是灾难 性的 。他们竭力推动美国研制原子弹 。几经周折 ,终 于得到美国政府的支持 。1939 年 10 月 ,美国总统罗 斯福下令组建一个铀咨询委员会 , 向他报告铀研究 的情况 。1940 年 6 月 ,国防研究委员会成立后 ,铀委 员会隶属于它 ,到 1941 年罗斯福成立了最高政策委 员会 ,这个委员会包括他本人 、副总统 、国防部长 、参 谋长联席会议主席和科学研究办公室及国防研究委 员会负责人 , 领导原子弹研制的决策工作 。铀研究 委员会升格为科学研究办公室下与国防研究委员会 平级的组织 。最高政策委员会于 1941 年 12 月开会 决定由工程兵来负责有关设施的建造工作 , 其代号
任务 , 研制生产出了 A GO T 石墨 , 用于世界上第一 累 ,不会形成影响反应堆安全运行的因素 。
座反应堆 CP - 1 。CP - 1 于 1942 年 12 月 2 日达到
在生产堆中 ,也发现石墨因辐照而膨胀的现象 ,
临界 ,人类首次从原子核获取巨大的能量 ,开辟了核 因此在反应堆堆芯结构设计中 , 必须予以必要的考
学 设 立 了 “冶 金 实 验 室 ”, 由 诺 贝 尔 奖 金 得 主 子 , 进而形成各种缺陷 , 增加石墨的内能 , 改变石墨
A . Co mp to n 领导钚生产和分离的研究 ,把 E. Fermi 的性质 。这种现象称之为辐照损伤 、辐照效应或
的建造核反应堆的研究基地也搬到芝加哥大学 。
时重水生产技术也处在研究阶段 ,价格昂贵 ,因此唯 识和评价石墨在反应堆运行过程中发生的变化及其
一现实的途径是用石墨做慢化剂 。经过反复实验表 对反应堆安全运行的影响 。研究结果表明 , 反应堆
明 ,如果能得到足够纯度和密度的石墨 ,用天然铀作 运行温度低于 200 ℃时 ,石墨的内能 (也称贮能或潜
座生产堆提供经验和指导 。Hanfo rd 的生产堆是水 验工厂 , 对气冷堆用石墨进行了全面的研究 。英国
冷却 、石墨慢化反应堆 。40 年代末 、50 年代初 , 英 学者的主要成就是研究发展出近各向同性石墨 , 应
国 、法国和前苏联也基于石墨作慢化剂建造了生产 用于后续的 Magno x 堆和 A GR 堆 。美国 GA 公司