第一讲 核工程中的石墨和炭素.ppt

第一讲 核工程中的石墨 和炭素材料 1 石墨和炭素材料与核工程 1.1 核工程在烽火中诞生 1938年底到1940年初,德国科学家O.Hahn和L.Meitner发现铀原子吸收中子后发生分裂并释放出巨大的能量;这一发现有两种应用前景:用于和平的目的生产能量;用于战争,制造超级武器(即原子弹). 制造原子弹的核炸药有两种:一种是铀的易裂变同位素铀-235,另一种是钚-239,铀-235在天然铀中含量只有0.71%,为了作为核炸药使用,必须把它与占天然铀约98.2%的不易裂变同位素铀-238分开.因为同位素的化学性质相同,不能用化学的办法使之分离,只能利用它们之间的微小质量差别,用物理的办法把它们分离开,这在技术上是十分困难的. 1.2 石墨是核工程的助产士 如前所述,钚的生产研究与铀同位素的分离研究是齐头并进的,当时没有富集铀(即同位素铀-235的含量大于天然铀中铀-235的含量的铀)可以提供,理论计算表明,只有重水或石墨慢化的反应堆才有可能使天然铀实现自持核裂变链式反应.当时重水生产技术也处在研究阶段,价格昂贵,因此唯一现实的途径是用石墨做慢化剂,经过反复实验表明,如果能得到足够纯度和密度的石墨,用天然铀作燃料,自持可控核裂变链式反应是可以实现的. 1.3 石墨在裂变反应堆中的应用 1.3.1生产堆用核石墨 生产堆指以生产钚-239为主要目的的核反应堆.CP-1堆建成后,立即在OakRidge建造了原型堆X-10,以便为几乎同时在Hanford兴建的多座生产堆提供经验和指导,Hanford的生产堆是水冷却石墨慢化反应堆. 在CP-1堆达到临界前不久,E.Wigner就指出核裂变产生的高能中子和石墨晶格结点上的碳原子碰撞时,会使碳原子离位,形成空位和间隙原子,进而形成各种缺陷,增加石墨的内能,改变石墨的性质,这种现象称之为辐照损伤、辐照效应或Winer效应. 研究结果表明,反应堆运行温度低于200℃时,石墨的内能(也称贮能或潜能)会积累起来,达到危险的程度.例如,反应堆在室温下运行时,积累的能量可达2720J/g.如果这些能量瞬时释放出来的话,可使石墨温度升高1300 ℃,造成事故.因此运行温度低于200 ℃的反应堆,必须在运行过程中适时地进行退火,使其贮能可控地释放,否则会造成事故. 在生产堆中,也发现石墨因辐照而膨胀的现象,因此在反应堆堆芯结构设计中,必须予以必要的考虑. 1.3.2 高温气冷堆用石墨 商用核电站的另一技术路线是水慢化和冷却反应堆.在这两种反应堆堆型的竞争中,气冷堆败北,但在气冷堆基础上研究和发展出来的高温气冷堆,却展现出诱人的发展前景.高温气冷堆采用石墨堆芯结构材料;全陶瓷燃料元件和He冷却剂,独特的材料组合赋予这种堆以冷却剂出口温度高(达1000℃),固有安全性好的特点.冷却剂出口温度高可以大大地提高核能发电的效率(由于水的临界点的限制,水冷反应堆核电站的发电效率只能达到33%左右,蒸汽循环高温气冷堆的发电效率在40%左右,He透平直接循环的发电效率可以达到50%左右). 1.3.3 其他堆型用石墨 除上述反应堆外,前苏联发展建成了11座石墨慢化、轻水冷却压力管式核电站反应堆.液态燃料反应堆便于及时地从燃料中清除引起反应堆中毒和结渣的裂变产物,从而改善反应堆的中子经济性;可以及时地取出从铀-238生产钚-239或从钍-232生产铀-233的中间产物,以避免这些中间产物因吸收中子转变成不可裂变的核素,降低增殖比、转化比. 曾经研究过的这种堆型有两种:液体金属反应堆和熔盐堆,石墨是唯一可供使用的慢化剂和堆芯结构材料.用于液体燃料反应堆的石墨除必须满足气冷堆对石墨的要求外,还必须有低的渗透性,以隔离燃料流和增殖材料流;降低石墨的辐照损伤.由于液体燃料的腐蚀性,特别是其放射性裂变产物分布于整个一回路中,增加了运行和维修的难度,尤其是一回路压力边界是防止裂变物释放的唯一屏障,目前材料科学与工程的发展水平还不能保证反应堆一回路这样复杂的系统不发生破损事故.一旦一回路压力边界失效,大量放射性物质向环境排放,其后果将是灾难性的.在目前科学技术的发展水平下,建造这样的核电站是不现实的. 1.4核聚变反应堆用石墨 作为和平利用的可控核聚变的研究已经取得很大的进展,但达到商业应用,还有很长一段路程.材料,特别是面向等离子体材料是实现核聚变的技术难点之一.以托克马克装置为例,面向等离子体材料经受高温和强辐照场的作用中子注量率达1015中子/(cm2.s),中子能量达14.1MeV的强中子流和从等离子体中溅漏出来的