核石墨

新型碳材料,核石墨,李福龙 梁泽鹏李一林 靳春文李中华 焦提忠,Content,1. 核石墨的概念,随着国民经济的发展，我国能源供求矛盾突出。核能对环境污染小!能源材料需求量低，是解决我国能源问题的有效手段。高温气冷堆具有安全性好、发电效率高、冷却剂出口温度高、中子经济性好、燃料循环灵活等优点，成为公认的先进堆型 !有可能成为我国偏远地区、东南沿海等能源紧缺区域的有异的抗热冲击性、低中子活化性能，炭材料是核反应堆重要的慢化材料。高纯石墨是核反应堆用优异中子减速材料，其减速比仅次于重水，但成本低并使天然U能被利用。通常，将用于核反应堆的炭石墨材料称为核反应堆石墨，简称核石墨。核石墨是多晶材料，石墨化度高，要求纯度高，以防止热中子吸附在慢化块上，并具有各向同性使其在高中子辐射条件下，在三维空间上具有稳定性。,2. 核石墨的种类及制备,1962年出版的核石墨曾经详细介绍过核石 墨的制造工艺。近年来，随着炭材料科学的发展， 炭材料的制备工艺已经有了很大的飞跃。根据使用位置和所处环境的差异，核反应堆需要多种不同的炭材料，主要包括炭/炭复合材料、热解炭、各向同性炭素制品、石墨粉等。根据制备工艺的差别，分别介绍以下几种炭材料。,2.1 炭 / 炭复合材料,炭/炭 复合材料具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸振性好、高温下强度保持率高等优异性能 。在高温气冷堆中用作热结构件。 复合材料在高温下，尤其是在 2000 度以上高温时仍能保持室温强度，甚至比室温时还高，而且在 2300 2600*C （图 1）时是其强度最高的区间。,2.1.1 炭 / 炭复合材料的制备工艺,这种性能开辟了人类太空探索的新纪元，使得 1981 年人类首架航天飞机成功地进入太空。炭 / 炭复合材料兼具功能特性和结构特性，在航空、航天、航海等领域 得到广泛应用。在高温核反应堆也有重要的应用前景。 高温反应堆用炭 /炭 复合材料热结构件需要炭纤维编织技术、化学气相沉积、液相浸渍设备技术、 涂层、后期加工等。 通过增强体炭纤维、基体前驱体、复合致密工艺等获得高性能的高温反应堆用 炭/炭 复合材料。 炭 /炭 复合材料的制备包括纤维坯体的制备及致密化过程 （图 2），如果需要还有石墨化工艺。包括：CF 及其结构的选择；基体炭先驱物的选择；炭/炭 复合材料坯体的成型工艺；坯体的致密化工艺以及工序间和最终产品的加工、检测等。,* 纤维坯体的制备及致密化过程,制备工艺,（1）增强体炭纤维的选择 增强体炭纤维的选择主要基于所设计复合材料的应用和工作环境。纤维的选择主要依赖于成本、织物结 构、性能及纤维的工艺稳定性。（2）炭 / 炭复合材料的坯体的成型 根据设计的性能及使用要求，将纤维预先按照 一定方法进行成型，制成预制体，以便进一步进行 炭/炭 复合材料的致密化工艺。（3）致密化工艺 化学气相沉积（CVD）、化学气相渗透（CVI）、低压浸渍炭化（LIPC）、高压浸渍 炭化（HIPC）、多法交叉重复使用的混合法、压力热梯度 、液相浸渍工艺、超高温模压工艺、自烧结工艺等。其中常用的致密化工艺为液相浸渍工艺(CLI)、化学气相渗透工艺(CVI)。,2.2 各向同性碳材料,核石墨在微结构上是多相材料，是由石油焦 和 煤 沥 青 黏合 剂 组 成。通过28003000*C 的高温热处理，因为孔结构，其密度通常在1.51.8g/cm3，低于理想单晶石墨。 核石墨主要采用各向同性石墨制造工艺，根据 英、法、德等国研究经验，认为可以通过等静压成型 和振动成型工艺技术制备各向同性石墨材料和核石墨块 。目前，各向同性炭素材料主要是通过采用热等静压技术、振动成型技术制备。其中，有代表性的是二次焦技术和振动成型技术。,2.2 各向同性碳材料制备方法,2.2.1 二次焦技术制备同性碳材料 在核反应堆里 ，各向同性石墨的辐照稳定性大于各向异性石墨 。德国采用二次焦技术制造各向同性石墨。首先将焦炭颗粒粉碎到 0.12mm 以下，然后用高速混捏机和煤焦油混捏、压制成块， 1100*C 以上焙烧后 ，再粉碎磨成小于 1mm 的粉料以这种高密度 、低灰分 、高机械性能、近乎各向同性的等轴焦炭颗粒为骨料，混以 20%磨碎的各向同性石 墨，即制得各向同性石墨。,2.1.2 对于大块制件的成型工艺技术制备。 （1）振动成型，对于大块的各向同性石墨块体，如高温气冷堆顶反射层核石墨块，长达 2m 以上 ，采用振动成型工艺具有明显的优势，将热的混合料直接从混捏机倒入模子，加好加重盖、 抽真空、开动振动台，借助模子相对于加重盖的振动使物料压紧，制造均匀、高密度的核石墨块。 （2）等静压成型，可以采用沥青焦为原料进行等静压成型制造核石墨制品 ，等静压成型