核石墨简史

1942年埃利克?费米(Enrico Fermi)带领他的研究小组，以天然铀及其氧化物为原料，用石墨做慢化剂，实现了世界上第一次自维持链式反应，也是世界上第一座核反应堆，被称为"CP-1"堆。当时用了385t石墨作慢化材料，其中用得最多的是AGOT石墨。从此石墨作为重要的核材料得到各国的普遍重视，对其工艺制造、物理性能、辐照效应等进行了大量的研究。

石墨用于热中子反应堆，也有希望用于聚变堆，在热中子反应堆中可作为燃料区的中子慢化剂、燃料区周围的反射层材料，以及堆芯内部的结构材料。

石墨作为反应堆材料的优缺点如下:

(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，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，成层状分布，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，层间结合力为范德瓦尔力，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。

分类用于核反应堆炭素材料，按材料分有石墨类、炭质类、热解石墨和各向同性石墨、含硼石墨等。按用途分有减速材料(慢化剂)、反射材料、包壳、熔炼铀盐坩埚等。

减速材料在核反应堆内U等核分裂物质在分裂时，放出的中子速度秒速约3万km(能量平均约为2MeV)，很难命中原子核，所以为提高核分裂的几率，继续维持连锁反应，则必须减缓中子速度，使之变为秒速2000m的低速中子即所谓热中子(能量约为0.025ev)。减速材料的用途就是把这种高速中子减缓成慢中子。

核石墨生产 目前核石墨生产基本上是在普通人造石墨生产工艺基础上开展起来的。针对核石墨需要高纯度、高密度、各向异性小的特点，对现行的石墨生产工艺、原料和设备加以改进，使之达到生产核石墨的要求。

核石墨生产有4个主要问题，即高纯度、高密度、各向异性和机械加工。

(1)高纯度。核石墨减速剂的纯度是最被重视的特性之一。首先选用纯度高、杂质含量少的石油焦和煤沥青作原料。原料杂质中硼含量要低，因1×10的硼含量相当于增加lmb的截面，高温石墨化大多数金属杂质在2800~3000℃挥发，而硼高于3000℃亦难除去，因硼与碳形成B4C3。对原料中硼含量要求极其严格，除原料外在生产中先后经10多道工序减少外来的杂质和合理工艺制度也是十分重要的。

(2)高密度。核石墨应有较高的密度，一般控制在1.79/cm左右，基本上能满足石墨堆运行要求，石墨的体积密度表示慢化剂的有效慢化率，密度降低则单位体积内的原子数减少，慢化率也就降低。

(3)各向异性小。石墨用于核反应堆时，由于温度上升产生热膨胀和辐照引起的维格纳(Wigner)生长。这种现象在垂直于挤压方向表现甚大，而平行于挤压方向表现较小，则石墨块不能按原始形状同样比例膨胀。因而石墨这种各向异性膨胀在由许多石墨块堆积而成的慢化层的结构是不能忽视的。石墨各向异性主要是由于石墨晶体结构具有极度的各向异性性质所致。另一方面在挤压成型时焦炭颗粒的排列对制品的各向异性也具有决定性的影响，因此要在成型过程中采取措施减少各向异性度。

(4)机械加工。石墨减速层和反射层是由经过精加工的块状堆砌而成的。石墨砌体中有供燃料棒、控制棒、仪器和试验用的各种孔道，这些孔道均有准确的尺寸，此外所有的石墨块砌体能防止中子流和冷却气体的泄漏。为此核石墨加工比任何石墨制品加工要求有更高的精密度。实际上要求精度在几丝之内。为保证产品加工精度设有专用高精度加工机床。

20世纪40年代以来，石墨曾用于铀--石墨堆、气冷堆、改进型气冷堆、生产堆、熔盐堆、液态金属堆、高温气冷堆……等堆型。各国在发展反应堆的同时，都在大力发展自己的核石墨工业。

60年代各国先后用天然沥青砂熔烧成球形各向同性焦为原料制造气冷堆用石墨。

采用了"二次焦"焦粉为原料(沥青焦粉先粉碎至数微米或120μm用沥青或树脂混捏后焙烧，再破碎至数百微米，成为具有各向同性的二次焦)。制成各向同性或接近各向同性的石墨制品用于高温气冷堆。

在原料中掺入石墨粉控制焙烧和石墨化中的膨胀、收缩，防止大规格坯料开裂。

在成型工艺中除采用挤压工艺外，还采用了模压成型、振动成型、等静压成型等。

石墨在核反应堆中除用于减速材、反射材外，还应用了大量其他炭素材料，如熔炼铀盐的石墨坩埚，高温堆中燃料颗粒热解石墨包覆层，烧结炭块，大球球壳等。