核石墨

1942年埃利克？費米(Enrico Fermi)帶領他的研究小組，以天然鈾及其氧化物為原料，用石墨做慢化劑，實現了世界上第一次自維持鏈式反應，也是世界上第一座核反應堆，被稱為“CP-1”堆。當時用了385t石墨作慢化材料，其中用得最多的是AGOT石墨。從此石墨作為重要的核材料得到各國的普遍重視，對其工藝製造、物理性能、輻照效應等進行了大量的研究。

石墨用於熱中子反應堆，也有希望用於聚變堆，在熱中子反應堆中可作為燃料區的中子慢化劑、燃料區周圍的反射層材料，以及堆芯內部的結構材料。

石墨作為反應堆材料的優缺點如下：

(1)石墨具有較高的散射截面和極低的熱中子吸收截面，較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，使得核反應堆能夠利用少量燃料達到臨界或正常運行。

(2)石墨是耐高溫材料，它的三相點，15MPa時為4024℃，因此不能採用熔化、鑄造、鍛造等熱加工方法製造而只能採用類似粉末冶金的方法。它不像金屬那樣強度隨溫度而下降，而是略有增加，在2000℃以下應用，不會出現問題。

(3)石墨有良好的導熱性能，在堆內可以有效地降低溫度梯度，不致產生太大的熱應力。

(4)石墨化學性質非常穩定。除了高溫下的氧化、水蒸氣外，可以耐酸、鹼、鹽的腐蝕，因而可以用作熔鹽核反應堆和鈾鉍核反應堆的堆芯構件。

(5)石墨抗輻照性能極好，能長期在堆內服役30～40年。

(6)石墨可加工性好，可以加工成各種形狀的構件。

(7)石墨原料豐富，價格便宜，容易製成純度高、強度大、不同密度要求的各種核石墨，但石墨也有缺點，它是各向異性晶體結構，成層狀分佈，原子密集於a、b晶面，同層原子最近距離為0.141nm，相互為共價結合，具有較強的結合力；而層距離為0.335nm，層間結合力為范德瓦爾力，結合力較弱。這種各向異性在石墨的物理、強度、輻照等行為中都會強烈地表現出來。

分類用於核反應堆炭素材料，按材料分有石墨類、炭質類、熱解石墨和各向同性石墨、含硼石墨等。按用途分有減速材料(慢化劑)、反射材料、包殼、熔煉鈾鹽坩堝等。

減速材料在核反應堆內U等核分裂物質在分裂時，放出的中子速度秒速約3萬km(能量平均約為2MeV)，很難命中原子核，所以為提高核分裂的幾率，繼續維持連鎖反應，則必須減緩中子速度，使之變為秒速2000m的低速中子即所謂熱中子(能量約為0.025ev)。減速材料的用途就是把這種高速中子減緩成慢中子。

核石墨生產 目前核石墨生產基本上是在普通人造石墨生產工藝基礎上開展起來的。針對核石墨需要高純度、高密度、各向異性小的特點，對現行的石墨生產工藝、原料和設備加以改進，使之達到生產核石墨的要求。

核石墨生產有4個主要問題，即高純度、高密度、各向異性和機械加工。

(1)高純度。核石墨減速劑的純度是最被重視的特性之一。首先選用純度高、雜質含量少的石油焦和煤瀝青作原料。原料雜質中硼含量要低，因1×10的硼含量相當於增加lmb的截面，高溫石墨化大多數金屬雜質在2800～3000℃揮發，而硼高於3000℃亦難除去，因硼與碳形成B4C3。對原料中硼含量要求極其嚴格，除原料外在生產中先後經10多道工序減少外來的雜質和合理工藝制度也是十分重要的。

(2)高密度。核石墨應有較高的密度，一般控制在1.79/cm左右，基本上能滿足石墨堆運行要求，石墨的體積密度表示慢化劑的有效慢化率，密度降低則單位體積內的原子數減少，慢化率也就降低。

(3)各向異性小。石墨用於核反應堆時，由於溫度上升產生熱膨脹和輻照引起的維格納(Wigner)生長。這種現象在垂直於擠壓方向表現甚大，而平行於擠壓方向表現較小，則石墨塊不能按原始形狀同樣比例膨脹。因而石墨這種各向異性膨脹在由許多石墨塊堆積而成的慢化層的結構是不能忽視的。石墨各向異性主要是由於石墨晶體結構具有極度的各向異性性質所致。另一方面在擠壓成型時焦炭顆粒的排列對製品的各向異性也具有決定性的影響，因此要在成型過程中採取措施減少各向異性度。

(4)機械加工。石墨減速層和反射層是由經過精加工的塊狀堆砌而成的。石墨砌體中有供燃料棒、控制棒、儀器和試驗用的各種孔道，這些孔道均有準確的尺寸，此外所有的石墨塊砌體能防止中子流和冷卻氣體的泄漏。為此核石墨加工比任何石墨製品加工要求有更高的精密度。實際上要求精度在幾絲之內。為保證產品加工精度設有專用高精度加工機床。

20世紀40年代以來，石墨曾用於鈾——石墨堆、氣冷堆、改進型氣冷堆、生產堆、熔鹽堆、液態金屬堆、高溫氣冷堆……等堆型。各國在發展反應堆的同時，都在大力發展自己的核石墨工業。

60年代各國先後用天然瀝青砂熔燒成球形各向同性焦為原料製造氣冷堆用石墨。

採用了“二次焦”焦粉為原料(瀝青焦粉先粉碎至數微米或120μm用瀝青或樹脂混捏后焙燒，再破碎至數百微米，成為具有各向同性的二次焦)。製成各向同性或接近各向同性的石墨製品用於高溫氣冷堆。

在原料中摻入石墨粉控制焙燒和石墨化中的膨脹、收縮，防止大規格坯料開裂。

在成型工藝中除採用擠壓工藝外，還採用了模壓成型、振動成型、等靜壓成型等。

石墨在核反應堆中除用於減速材、反射材外，還應用了大量其他炭素材料，如熔煉鈾鹽的石墨坩堝，高溫堆中燃料顆粒熱解石墨包覆層，燒結炭塊，大球球殼等。