第三讲核工程中的石墨和炭素解析

石墨基体材料除上述结构功能外，同时又是高温气冷 堆的慢化剂，中子慢化的功能由它来完成。核裂变能也通 过石墨基体传导出来。 石墨中，特别是天然鳞片石墨中通常含有大量杂质， 这些杂质吸收中子属于寄生吸收，降低中子利用系数f， 此外铀、钍和锂等杂质还造成放射性安全 问题。因此除 必须满足一定的物理要求外，天然鳞 片石墨的纯化是燃 料元件基体材料制备的关键技术之一。
从式中我们可以看出：在其他条件相同下，∑aF越大， f也越大。易裂变同位数的裂变截面随中子能量降低而增 加。裂变中子的平均能量为 2MeV，易裂变同位素的裂变 截面与其原子核的几何截面相当，约为几个 b(巴恩,1028m2)。热中子（能量为0. 0025eV）的易裂变同位素的裂 变截面在 530b以上（两者之差达几百倍），所以中子利 用系数f远比快中子引发裂变时要大，换句话说热中子引 发核裂变比快中子引发核裂变要经济，可以使用富集度低 的燃料。

3.2.2 反射层 石墨砌体既是高温气冷堆堆芯的容器，又是反射层。碳 的中子散射截面中等，吸收截面很小，中子在其中的扩散 长度比较大，达0.54m。这意味着用石墨做慢化剂时，中 子逃脱泄漏的几率比较小，所以必须用反射层把泄漏出去 的中子尽可能多地反射回来。反射回来的多少和反射层厚 度有关，究竟用多厚的反射层取决于经济核算，但一般都 大于扩散长度即0.54m 。根据其在反射层中位置不同，石 墨的工作负荷也不同。
几种慢化材料的性质见表1 。
从表 1可看到，尽管石墨每次碰撞的平均对数能量 变化ξ和慢化能力ξ∑s不大，但其慢化比ξ∑s/∑a却仅 次于重水。
固体慢化材料也是反应堆堆芯结构材料的一部分，因 此它必须具备结构材料的性质。石墨具有中等的力学性能， 特别出色的高温力学性能，其强度在2500℃以下随温度增 加而增加，是反应堆冷却剂温度超过700 ℃时唯一可以使 用的堆芯结构材料。石墨的导热系数大，线胀系数低，弹 性模量小，因而其抗热冲击（热震）的能力好。石墨的热 容量大，因而其热惯性大。石墨在氧化性气氛中不稳定 （但在惰性气氛中稳定）。石墨具有密集六方结构，高度 各向异性，因而其性能大多数也是高度各向异性，特别是 在辐照条件下，其变化的各向异性，在一定条件下，成为 其使用的限制因素。
如上所述，中子慢化是与慢化剂原子核的碰撞，单 位时间单位体积内的碰撞次数 NS可以用下式表示：
式中 Nm——— 单位体积内慢化剂的原子数,m-3 σms——— 慢化剂的微观散射截面,b(10-28m2); Φ——— 中子注量率，1/m2· s; ∑ms——— 慢化剂的宏观散射截面, m-1; Nm=ρN0/A, ρ为材料的密度，N0为阿佛加得罗常数。

致密热解炭层 分内外两层，内层主要是避免包覆热 解碳化硅层时产生的HCl对燃料核芯的侵蚀及由此而来的 对包覆层的污染，这种污染将使致密包覆层性能劣化。外 层的主要作用是保护热解碳化硅层在随后的燃料元件制造 过程中免受损伤；热解炭在辐照时的收缩比热解碳化硅大， 因此给热解碳化硅以压应力，有利于缓解裂变气态产物的 内压在热解碳化硅层中产生的张应力。在热解碳化硅层失 效后，内外致密热解炭层起约束放射性裂变产物的作用。 致密热解炭层的各向异性度对热解层的辐照稳定性有决定 性的影响，在高温气冷堆中其值应该小于或等于1.03,其密 度应大于1.80g/mm3。

3）石墨基体 包覆燃料颗粒虽然从物理上讲是一个微球形燃 料元件， 但从工程上来说，它的尺寸太小，无法独立使用，也无法 象其他反应堆燃料元件一样组装成组件使用，它需要用石 墨基体材料来定位和保护。由于碳化硅在 2100℃以上会 显著分解，此外铀在高 温下，通过包覆层向外扩散的速 度也会加速，造成污染，所以高温堆球形燃料元件的最终 热处理温度不能太高，一般不超过1950 ℃ ，即远远低于 石墨化处理的温度。辐照试验表明，石墨的辐照稳定性比 炭素材料好，石墨的结晶程度越高，辐照稳定性也越好。 这就是说高温气冷堆球形燃烧元件要求其基体材料不经石 墨化处理而具有石墨的性能。
中子慢化的机制是中子与慢化材料的原子 （核）发生 弹性碰撞 （散射）。每次撞碰时，中子都把其动能的一 部分传递给被碰撞的原子，其能量转移的大小可以用下式 表示：
式中 E1——— 中子碰撞前的能量，eV； E2——— 中子碰撞后的能量， eV ； θ ——— 在质心系统中的散射角； α——— 常数， α=4A/(A+1)2其中A为靶核的 质量数。
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3.2 高温气冷堆与石墨和炭素材料 上一讲中我们已经介绍过高温气冷堆的结构从图中可 以看到，反应堆压力壳里面几乎都是石墨和炭素材料，下 面将具体地讨论一下各种石墨和炭素材料构件的功能，工 作环境和负荷。 3.2.1高温气冷堆燃料元件 高温气冷堆燃料元件由包覆燃料颗粒和石墨组 成，曾 经研究过多种结构形式，具有应用前景的主要有球形燃料 元件和柱状燃料元件两种，其示意图如图 1和图 2。
第三讲 核工程中的石墨 和炭素材料

3 石墨和炭素材料在高温气冷堆中的应用 3.1中子慢化和慢化材料 上一讲中我们讨论了核反应堆的中子平衡，核反应堆 运行的必要条件是keff≥1，热中子利用系数f是keff的组成 因素之一，为了达到相同的keff ，如果f增大，其他因素就 可以降低。f的值为：



下面以球形燃料为例作进一步说明。 1）包覆燃料颗粒 包覆燃料颗粒的结构如图 1，其组成和功能如下： 燃料核芯 通常是二氧化铀，也可以是铀的其他难 熔化合物，它是直径为0.5mm的球形颗粒，核裂变在其中 发生，因而是核反应堆能量和放射性裂变产物的源泉。 疏松热解炭层 紧挨燃料核芯，其密度约为1g/mm3， 其孔隙提供贮存气态裂变产物的空间。疏松层的另外功能 是：吸收在燃料核芯表面的燃料原子裂变时产生的反冲核， 以免其损伤外面的致密包覆层；吸收致密包覆层和燃料核 芯因热和辐照引起的尺寸变化差，避免造成应力。

图3是大型球床高温气冷 堆石墨砌体的结构工作负 荷示意图。从核应用的观 点看，最关键的是高注量 区石墨，因为对低注量区 用石墨的要求低于高注量 区的石墨，而主要承受机 械负荷的石墨，其要求和 常规高温石墨结构的要求 没有什么区别。