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核石墨材料在核反应堆中的应用

时间:2023-10-27 16:02:29 点击:423次

(中国粉体技术网/文龙)碳材料具有轻质、高韧性、高比强度、高模量、高稳定性、耐腐蚀性强、无毒等优异性能,已成为重要的结构和功能材料。 和生物医用材料,在航空、航天、工业生产等领域具有广阔的应用前景。 碳材料由于具有较低的热膨胀系数、优良的抗热震性能和较低的中子活化性能,已成为核反应堆中重要的慢化材料。 高纯石墨是核反应堆优良的中子减速材料。 其减速比仅次于重水。 它成本低廉并且可以利用天然U。 通常,核反应堆使用的碳石墨材料称为核反应堆石墨,简称核石墨。

核石墨是一种石墨化程度较高的多晶材料。 对纯度也有很高的要求,就是为了防止热中子吸附在慢化剂块上。 它还具有各向同性,这使得它在高中子辐射条件下在三维空间中保持一定的稳定性。 核石墨材料可用于制造热结构部件,如支撑柱、热气管道、燃料元件等。各向同性碳石墨材料还可用于制造石墨球、芯材、电极等核石墨制品

1、高温气冷堆石墨芯材

高温气冷堆的石墨堆芯材料暴露在极端的环境条件下,需要承受中子辐射、高温(大约)以及Pb-Bi共晶合金系统冷却剂的腐蚀环境。 高温气冷堆的内部堆芯材料由BeO慢化器块、反射器块、石墨燃料管和石墨反射器块组成。

这类石墨芯材一般需要进行核辐射实验。 它具有高强度、低脆性、良好的各向异性、高导热性。 高温气冷堆用石墨芯材一般可采用热等静压技术、挤压技术、振动成型技术制备。 可加工抛光成各种产品,要求加工精度高,并保证其纯度。

2、高温气冷反应堆用石墨反光块

高温气冷反应堆由菱形 BeO 慢化剂块组成。 每个慢化块的中心包含一根核燃料石墨管。 核燃料被1层SiC和3层热解碳缓冲层包裹。 3层热解炭层分别发挥各自的作用。 具有吸附、屏蔽、化学防护等功能,燃料箱内填充石墨粉。 它与石墨慢化材料一起组装成装有核燃料的石墨管(图 1)。 它与 BeO 一起形成菱形 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 BeO 慢化剂块,形成高温气冷反应堆的核心。 石墨反射块形状不规则,长约1.15m。 石墨燃料管是一根1.4m长的圆柱形管,内含12个燃料箱,直径为0.010m,长度为1.05m。

图1 高温反应堆堆芯碳石墨慢化反射材料示意图

3、支撑柱、热气管道、燃料元件等热结构部件

碳/碳复合材料是核石墨材料中非常重要的一类。 它们可以制成各种形状的产品(图2),主要用作高温反应堆的热结构部件。 作为结构材料,碳/碳复合材料可用于高温反应堆内部,以在高温条件下提供高强度。 碳/碳复合材料还可以制成热气管道,插入出口管作为排放管,大大提高其工作温度,从而使出口温度远高于金属管道内衬的极限。

图2 核反应堆用碳/碳复合材料示意图

碳/碳复合材料具有耐高温、气体稳定性好、耐摩擦等优异性能。 在核反应堆中,还可用作支撑柱、燃料元件等热结构部件。

4、高温气冷球形反应堆用石墨球

高温气冷堆球形反应堆的堆芯不仅采用核燃料球,还含有不含核燃料的石墨球。 高温气冷球形反应堆使用的石墨球需要足够大的尺寸和重量,并且必须耐高温和耐摩擦,以及精密加工和可靠的质量保证。

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燃料基体中不可缺少的组成部分。 其质量要求非常高,需要进行一系列的质量检验。

大多数核石墨需要在2800~3000摄氏度左右进行高温石墨化处理,以提高其石墨化程度,保证核石墨块在中子辐射下的稳定性。 对于采用热等静压技术和振动成型制备的各向同性石墨材料和核石墨块,高温石墨化处理是必不可少的。 为了防止各向同性碳制品在石墨化过程中产生裂纹,可在混合物中添加15%-20%的同牌号石墨粉。 即使在碳/碳复合材料的制备过程中,也可以添加石墨粉。 这些石墨粉可以作为微晶促进石墨化过程,使产品更容易实现石墨化。 同时,它们可以降低石墨化所需的热处理温度,更加节能。

六,结论

核能作为清洁能源,历来受到各国高度重视,核电站已成为解决能源问题的重要途径。 作为核电站建设中的重要材料,核石墨材料因其热膨胀系数低、抗热震性能好、中子活化性能低等优异性能而得到越来越多的应用,成为核电站重要的结构和功能材料。核电站的建设。 可以预见,随着核石墨材料开发研究的不断深入,它将在核电站建设中发挥越来越重要的作用。