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1、核 工 程 中 的 石 墨 和 炭 素 材 料 !第 三 讲 徐 世 江!清 华 大 学 核 能 技 术 设 计 研 究 院 # 北 京 $%&%$!#$%&( #)* +#,-)#+(-./ 0#( &).+1(# ()!&)(&)!( )*+,-+./0! 1/23+3435 67 849:5.; 59*/6:60=# 2+/0*4. (/+?5;2+3=，5+-+/0 $%&%$， A*+/.2 石 墨 和 炭 素 材 料 在 高 温 气 冷 堆 中 的 应 用23 4 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
2、反 应 堆 运 行 的 必 要 条 件 是 !577($， 热 中 子 利 用 系 数 是 !577 的 组 成 因 素 之 一 ， 为 了 达 到 相 同 的 !577， 如 果 增 大 ， 其 他 因 素 就 可 以 降 低 。 的 值 为B$C：#$D!.DD$D!.DD%$E!.EE%$F!.FF!$从 式 中 我 们 可 以 看 出 ： 在 其 他 条 件 相 同 下 ， !.D越 大 ， 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 & E5G， 易 裂变 同 位 素 的 裂 变 截 面
3、 与 其 原 子 核 的 几 何 截 面 相 当 ，约 为 几 个 H!巴 恩 ， $%I &JK&。 热 中 子 （ 能 量 为 %L %&M5G） 的 易 裂 变 同 位 素 的 裂 变 截 面 在MN% H 以 上（ 两 者之 差 达 几 百 倍 ） ， 所 以 中 子 利 用 系 数 远 比 快 中 子 引发 裂 变 时 要 大 ， 换 句 话 说 热 中 子 引 发 核 裂 变 比 快 中子 引 发 核 裂 变 要 经 济 ， 可 以 使 用 富 集 度 低 的 燃 料 。中 子 慢 化 的 机 制 是 中 子 与 慢 化 材 料 的 原 子 （ 核 ） 发生 弹 性 碰 撞 （ 散
4、 射 ） 。 每 次 撞 碰 时 ， 中 子 都 把 其 动 能的 一 部 分 传 递 给 被 碰 撞 的 原 子 ， 其 能 量 转 移 的 大 小可 以 用 下 式B&C表 示 ：&#&$ $I#&（962$I$ ） !&式 中 &$ 中 子 碰 撞 前 的 能 量 ， 5G；& 中 子 碰 撞 后 的 能 量 ， 5G；$ 在 质 心 系 统 中 的 散 射 角 ；# 常 数 ， # O P Q（ R $）&， 其 中 为靶 核 的 质 量 数 。从 式 （ &） 中 可 以 看 出 ， 越 小 ， 传 递 的 能 量 越大 ， 慢 化 越 有 效 。如 上 所 述 ， 中 子 慢 化
5、是 与 慢 化 剂 原 子 核 的 碰撞 ， 单 位 时 间 单 位 体 积 内 的 碰 撞 次 数 (2可 以 用 下式 表 示 ：(2 O (K %K2 O !K2 （N）式 中 (K 单 位 体 积 内 慢 化 剂 的 原 子 数 # KI NS%K2 慢 化 剂 的 微 观 散 射 截 面 # H!$%I &JK&S 中 子 注 量 率 ， $ Q !K& 2S!K2 慢 化 剂 的 宏 观 散 射 截 面 ， KI $。()#&(%， & 为 材 料 的 密 度 ， (% 为 阿 佛 加 得 罗常 数 。从 上 述 式 子 中 我 们 可 以 看 出 ， 除 质 量 数 低 外 ，慢
6、 化 材 料 的 散 射 截 面 %2应 该 大 ， 其 密 度 应 尽 可 能高 。 慢 化 材 料 吸 收 中 子 属 于 无 用 吸 收 ， 降 低 值 ， 因此 作 为 慢 化 材 料 的 另 一 个 必 要 条 件 是 其 吸 收 截 面%. 小 。几 种 慢 化 材 料 的 性 质 见 表 $B&C。 从 表 $ 可 以 看到 ， 尽 管 石 墨 每 次 碰 撞 的 平 均 对 数 能 量 变 化 和 慢5666 年 第 2 期总 第 467 期+#,-) (+%)&8.(/炭 素 技 术566692/.0467第 ! 期 #图 $ 高 温 气 冷 堆 柱 状 燃 料 元 件图 %
7、 高 温 气 冷 堆 球 形 燃 料 元 件徐 世 江 核 工 程 中 的 石 墨 和 炭 素 材 料 !第 三 讲 注 ： 表 中 !#是 按 表 列 密 度 计 算 出 来 的 值 $!（!%&!(!)） 是 每 次 碰 撞 的 平 均 对 数 能 量 变 化 。化 能 力 !#不 大 ， 但 其 慢 化 比 !# * +却 仅 次 于 重水 。 此 外 ， 作 为 工 程 材 料 ， 价 格 也 是 重 要 的 选 材 标准 ， 石 墨 的 价 格 在 常 用 的 慢 化 材 料 中 ， 是 除 水 以 外 最便 宜 的 一 种 。固 体 慢 化 材 料 也 是 反 应 堆 堆 芯 结
8、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) ,- .以 下 随 温 度 增 加 而 增 加 ， 是 反 应 堆 冷 却 剂温 度 超 过 /- .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
9、 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 。总 的 说 来 ， 石 墨 不 仅 是 好 的 慢 化 材 料 ， 也 是 出 色的 高 温 结 构 材 料 。!& $ 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
10、 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 。01 )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 ( 和 图 )。 从 图 上 可 以 看 出 ， 不 管 燃
11、 料 元 件 结 构 如何 变 化 ， 包 覆 燃 料 颗 粒 的 结 构 是 相 同 的 。 下 面 以 球表 % 几 种 常 用 慢 化 材 料 的 性 质慢 化 材 料 ! !# ! # * +密 度 * !2 * 340石 墨 -1 (,5 -1 -60 )- (1 6,78 -1 )-6 -1 (6 (,- (1 5978: -1 (/- -1 ( (5- )1 5-;): -1 -1 ,( -1 (5 )( - (1 (- ! #$ 年炭 素 技 术形 燃 料 为 例 作 进 一 步 说 明 。!） 包 覆 燃 料 颗 粒包 覆 燃 料 颗 粒 的 结 构 如 图 !， 其 组 成
12、 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 # $ % 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 !& (%)， 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
13、 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 。 疏 松 热 解 炭 层 的 引 入是 （ 现 代 概 念 ） 包 覆 燃 料 颗 粒 研 究 发 展 成 功 的 关 键 。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 *+, 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
14、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
15、 堆 中 其 值 应该 小 于 或 等 于 !# )， 其 密 度 应 大 于 !# - & (%)。热 解 碳 化 硅 层 热 解 碳 化 硅 阻 挡 固 态 裂 变 产 物铯 、 锶 、 钡 扩 散 的 能 力 比 热 解 炭 高 ! . ) 个 量 级 。 尤 其是 固 态 裂 变 产 物 钯 ， 热 解 炭 几 乎 是 透 明 的 。 碳 化 硅辐 照 稳 定 性 好 ， 弹 性 模 量 比 热 解 炭 几 乎 高 一 个 量 级 ，强 度 也 大 好 几 倍 。 因 而 它 是 包 覆 燃 料 颗 粒 约 束 放 射性 裂 变 产 物 的 主 要 组 元 ， 是 现 代 包 覆 燃
16、料 颗 粒 包 覆层 不 可 缺 少 的 组 分 。 如 前 所 述 ， 它 的 内 外 必 须 有 热解 炭 层 保 护 / 热 解 碳 化 硅 层 的 密 度 应 大 于 )# !- & (%)。热 解 炭 和 热 解 碳 化 硅 层 组 成 的 微 球 形 压 力 容器 ， 其 作 用 如 同 常 规 燃 料 元 件 的 金 属 包 壳 ， 包 覆 燃 料颗 粒 实 质 上 是 一 个 微 球 形 燃 料 元 件 ， 由 于 包 覆 燃 料颗 粒 中 没 有 金 属 组 分 ， 其 使 用 温 度 只 决 定 于 放 射 性裂 变 产 物 通 过 包 覆 层 的 扩 散 速 度 。 研 究 和 发 展 工 作目 前 达 到 的 水 平 是 ： 包 覆 颗 粒 在 ! 0 1下 运 行 $2， 其 阻 挡 放
