核石墨——核反应堆的“超级材料”-沈阳佳美机械-贾工18540392125

石墨具有优异的中子物理特性，其热中子吸收截面仅为0.0045barn，而散射截面可达4.7barn。此外，石墨还具有良好的抗辐照性能、机械强度、化学稳定性以及较高的经济性。因此，它被广泛应用于水冷堆、高温气冷堆、熔盐堆等多种反应堆类型中。

核石墨是一种具有复杂微观结构的准脆性复合材料，由骨料颗粒（如石油焦、沥青焦或天然沥青等）和黏结剂组成，作为反应堆堆芯中的关键减速材料，核石墨需满足以下基本质量要求：高纯度、高密度、高强度、高热导率、优良的辐照稳定性和抗氧化性能、低各向异性、低热膨胀系数、适宜的弹性模量以及较低的制造成本。此外，在核电工程中使用的石墨材料对纯度要求极高，需通过优化提纯工艺将石墨纯度控制在99%~99.99%以上。同时需严格限制氟、氯、溴、硫、铅、汞、锌、砷、硼、钴、钛等杂质元素的含量，以防止其在辐照环境下引发不良反应。

反应堆堆体结构比较复杂，反射层由石墨砖通过键、榫、销、槽等连接而成。此外，堆芯内装载的球形燃料元件由石墨外壳和含燃料的石墨基体球芯组成，包覆燃料颗粒弥散在石墨基体中，因此球形燃料元件也由核石墨制成。

核工业用石墨材料的优缺点

（1）石墨具有较高的散射截面和极低的热中子吸收截面，较高的散射截面用以慢化中子，低的吸收截面防止中子被吸收，使得核反应堆能够利用少量燃料达到临界或正常运行。

（2）石墨是耐高温材料，它的三相点在15MPa时为4024℃，因此不能采用熔化、铸造、锻造等热加工方法制造而只能采用类似粉末冶金的方法。它不像金属那样强度随温度而下降，而是略有增加，在2000℃以下应用，不会出现问题。

（3）石墨有良好的导热性能，在堆内可以有效地降低温度梯度，不致产生太大的热应力。

（4）石墨化学性质非常稳定。除了高温下的氧化、水蒸气外，可以耐酸、碱、盐的腐蚀，因而可以用作熔盐核反应堆和铀铋核反应堆的堆芯构件。

（5）石墨抗辐照性能极好，能长期在堆内服役30～40年。

（6）石墨可加工性好，可以加工成各种形状的构件。

（7）石墨原料丰富，价格便宜，容易制成纯度高、强度大、不同密度要求的各种核石墨，但石墨也有缺点，它是各向异性晶体结构，呈层状分布，原子密集于a、b晶面，同层原子最近距离为0.141nm，相互为共价结合，具有较强的结合力；而层距离为0.335nm，层间结合力为范德华力，结合力较弱。这种各向异性在石墨的物理、强度、辐照等行为中都会强烈地表现出来。

石墨在核反应堆中的应用

石墨反应堆利用石墨的机械性能、热稳定性以及中子减速作用，将其应用于各种组件中。

石墨块核反应堆

在许多石墨慢化反应堆中，石墨块兼具慢化剂与燃料结构支撑的双重功能：一方面能够降低核裂变产生的快中子动能，为持续链式反应创造条件；另一方面为燃料组件提供稳定支撑。

在先进气冷反应堆中，石墨块构成堆芯结构主体，不仅用于容纳冷却剂通道和燃料棒，其出色的导热性还能促进整个反应堆的热量均匀分布，提升运行效率。

核反应堆石墨芯

部分反应堆的整个堆芯由石墨组件构成，同时承担支撑结构与中子减速器的双重职责。先进气冷反应堆所采用的石墨芯，凭借卓越的热效率支持反应堆实现高温运行，进一步提升核电转化效率。

核反应堆石墨棒

石墨棒在反应堆中主要用作控制棒、慢化棒、结构部件或反射器：作为控制棒或慢化棒插入堆芯时，可通过进一步减慢中子速度优化裂变过程；作为反射器时，能将逃逸的中子反射回堆芯，提高中子经济性以维持链式反应；作为结构部件时，则为堆芯提供可靠的机械结构支撑。

石墨球核反应堆

以球形石墨作为燃料元件是高温气冷堆（球床反应堆）的典型设计，核燃料被嵌入石墨球内部，石墨在核裂变过程中发挥中子慢化作用。这种球形燃料设计支持反应堆连续加油：石墨球可在堆芯内自由移动，燃料耗尽后可直接移除并替换新球，无需关闭反应堆，大幅提升运行效率与灵活性。

核反应堆石墨容器

石墨容器用于容纳反应堆中的核燃料元件等关键材料，不仅能够有效散热、防止燃料元件遭受机械损坏，还能在反应堆运行期间可靠保留燃料。借助石墨优异的耐高温性能，容器可保护核燃料免受过热影响，实现热量在堆芯内的均匀分布，同时对中子慢化也能起到积极的辅助作用。

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