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核反应堆石墨板
发布时间:2016/9/27    文章来源:    点击:573

一、核反应堆使用的石墨板材料的概况

石墨板是建造核反应堆使用的减速材料及反射材料之一。早期的核反应堆主要是石墨板堆,前多数生产堆(核反应堆的一种,主要用于将铀238转变为钚239,作为核武器的装料)还是用石墨板为减速材料。

石墨板的熔点极高,在高温下具有很高的强度,能在1000附近长时期使用,这是比水及重水(水及重水都可作为减速材料)优越之处。它对热子的吸收几率不,但对热子的减速能力不如重水。因此,用石墨板为堆芯结构材料的核反应堆的体枳比较大。使用石墨板为堆芯结构材料的核反应堆有:石墨板水冷堆(石墨板为减速材料、永为载热剂),石墨板气冷堆(石墨板作减速材料、二氧化碳或氦气作载热剂),石墨板高温气冷堆(通常用氦气为载热剂,引出氦气的温度可达1000左右,石墨板-钠堆钠作为载热剂),石墨板慢中子增殖反 应堆(铀-钍转换)。目前发电用的力堆以轻水堆及重水堆为主,但国外预测本世纪九 十年代以后,石墨板高温气冷堆将大量发展,本世纪末石墨板慢中子增殖反应堆(袖-钍转换)将日趋成熟并得到发展,因此石墨板材料在今后的核反应堆工程中会得到进一步的视。

二、核反应堆用石墨板的性能

核反应堆用石墨板与一般冶金工业用石墨板制品的生产工艺基本相同,但对选用原料、艺控制、成品检验都要比普通石墨板严格得多,也昂贵得多。作为结构材料使用的核反应堆用石墨板必须具备下列性能对慢中的吸收量小:高温强度好;抗热震性好;对快中子的减速性能好在辐照下尺寸稳定;易于加工;含杂质元素极少,特别是硼镉等易于吸收中子的元素要严格限制其含量。

下面对核反应堆用石墨板必须具备的四个方面的性能(高纯度、高密度、足够的机械强 度、孔度与透气性)分别作扼要叙述。

1.  高纯度

作为核反应堆的减速材料,对中子的俘获截面要小,以便降低裂变反应的能量损失,节约核燃料——铀的用量。石墨板对子的有效俘获截面取决于石墨板中许多杂质元素的含。杂质元素有最人俘获截面的是硼、锂、镉和稀土元素,、铁、锰、钒、钛次之。 硼吸收中子的能力为纯炭的10万倍,只要在石墨板中棚含量增加0.5PPm石墨板的有效俘 获截面就增加10%,同时反应堆的反应性能损失0。5%,反应堆的铀用M必须相应增加。 如以杂质元素含量为lpplll,杂质元素的有效俘获截面为则俘获截面的增量为:

式中——杂质元素每ppm对碳原子俘获截而的增量;

12。01——碳的原子量:

——杂质元素每个原子对速度为2200米/秒的中子的俘获截面,以巴/原 子表示;

Mi-- 杂质元素的原子量。

 

反应堆用石墨板般规定总灰份及硼含量两项纯度指标,举例如下:

减速材料     反射材料

总灰份(%)  0.002以下    0。07以下

硼含量(ppm)   0.1以下       0.5以下

2.高密度石墨板对快中子的减速作用是依靠快中子对碳原子的互相碰撞而实现的。单位体积内碳原子越多,减速效果越好,因此石墨板的密度足缩小棕反应堆体积的主要指 标。在辐照肿胀允许的情况下,石墨板的密度越大对缩小反应堆体积越有利,核燃料的用量也吋相应减少。例如,有实验反应堆使用假比重为1.65克/厘米3的石墨板时,铀(天然铀)的临界用量为28吨,如使用天然石墨板经高压成型得到的密度为2.06/M3的 高密度石墨板,只要用13吨铀即够了。但高密度和高纯度又是互相影响的,般来说,密度越高的石墨板纯度越低,因此一般反应堆用石墨板的假比東为1.65 - 1.75克/3,用于气冷反应堆或慢中子增殖反应堆的石墨板其假比重有时要求达到1.80克/厘米²以上。

3. 机械强度

作为结构材料的机械强度是项重要质量指标。石墨板的机械强度与其密度人小直接联系在一起,只有高密度才能得到高强度,而高密度主耍靠浸渍来实现。现在经过一次浸渍和二次焙烧的石墨板制品基假比重为1.65 ~ 1。75克/厘米2。这样的石墨板的抗压机 械强度可达300 ~ 400公斤/厘米2,抗拉机械强度可达100公斤/厘米2左右。对于功率密度或运转温都不太高的反应堆来说也就可以了,但对功率密度较高或运转温度较商的高温反应堆及增殖反应堆来说则远远不够。高温气冷反应堆所用的石墨板材料,其抗压强度要达到700公斤/厘米2左右,抗拉强度要达到150公斤/厘米2左右。表3 - 6为国外儿种反应堆用石墨板的物理性能。

4.孔度与气体渗透率

石墨板的孔度与密度直接有关,假比重为1。7克/厘米3左右的石墨板,孔度一般在25% 以下,透气率为10-2厘米/秒左右。气冷反应堆或高温气冷反应堆用二氧化碳或氦气为载热剂,甚至用低熔点的金属钠为载热剂。如果采用石墨板为堆芯减速材料,就要求石墨板具有尽可能小的孔度及透气性,以免造成燃料损失及载热剂的损失,或者是核燃料裂变时产屯的有毒物质——氙135聚集在石墨板气孔内,给反应堆的运行带来不利的影响。如气 冷反堆堆芯石墨板的气体渗透率要小于1-3厘米/秒,而用于冷却管道或燃料元件包壳石墨板的气体渗透率应小于106厘米/)

三、各向同性石墨板

石墨板在辐照下会产化尺寸变化,而且一般石墨板都是各向异性的,个方向的尺变化不样。对挤压石墨板而言,垂直于挤压方向与平行于挤压方向辐照后的尺寸变化有时可相差一倍以上。为了稳定石墨板在辐照时的尺寸变化,不仅希望寸变化越小越好,还希望几个方向的线膨胀系数接近一致。对高温气冷反堆来说,这一点是很重要的,因为热膨胀系数是随度的上升而提高。为了适应高温气冷反应堆及热中子增殖反应堆的需要,研制了各向同性石墨板。现扼要介绍于下:

4。生产各向同性石墨板所用的原料及工艺与生产普通石墨板有所不同。就原料而言,一般的石油焦包括状焦在内都是只能制造各向异性石墨板,而一些难于石墨板化的原料,如硬沥青焦、氧化石油焦及炭黑之类则在石墨板化后,往往可以得到各向异性较小或接近于各向同性结构的石墨板。某些生石油焦不经煅烧并直接磨粉后无粘结剂成型,得到的石墨板也是接近各向同性的,但其热膨胀系数较高。

模压与挤压是生产石墨板制品的两种成型工艺。一般认为,生产各句同性石墨板以采用 模压艺较好。用各向性焦粒制成的模压石墨板是各向同性的,而用挤压方法得到的石墨板其平行方向(平行于挤压轴线)的收缩要比垂直方向的收缩大1 ~ 1.5%,也就是说,各向同性最好的焦粒用挤压成型也将产生1%的各向异性,用等静压方法成型得到的产品各向异性较小。

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