随着化石能源的减少、环境恶化、金融危机和低碳发展, 世界许多国家都调整了各自的能源发展方向。他们纷纷寻找和选择绿色低碳的能源, 采用了以风能、光能、核能等优质绿色能源为主, 逐步减少固体燃料的比例。由煤炭、石油为主转向以环境为主的清洁能源, 进而积极推动了风电、光伏发电、核电等安全清洁环保经济能源发展。
核电也在其中得到了较快发展,从上世纪50 年代商用二代反应堆开始得到了较快发展。同时带动了核电中核石墨材料技术质量的发展与提高, 核石墨做为核电材料之一也在核电的发展中得到了发展。
1 核石墨的应用
核石墨材料在核反应堆中, 作为中子减速材料和反射材料被广泛应用。早在1942 年世界上第一座核反应堆就是选用石墨作为减速材料。石墨除用于减速和反射材料外, 还可用作核燃料套或核燃料被覆材料。
还有研究用石墨与碳化硅材料用作核聚变反应堆的炉壁材料。但是如核石墨质量不高也容易引发核事故,如: 1957 年位于英国坎伯兰那附近的一个核反应堆石墨堆芯起火, 大火导致大量放射性污染物外泄, 被列入世界10 大核事故之列。
核石墨在核反应堆应用中, 用量最多约是减速材料和反射材料。文献显示, 在天然铀石墨减速的卡尔德一霍尔型核反应堆中, 每10MW 电功率大约需要数百吨石果, 其中减速材料约占2/ 3, 反射材料约占1/3。目前建一座核电站需100-200 亿元, 一座反应堆大约进口核石墨为2 亿元人民币。
2 核石墨的技术性能
为保证核石墨在核反应堆中正常、稳定、可靠的运行, 对不同工作环境下的石墨技术性能有着不同的技术指标。
在核反应堆心脏部位的减速材料技术标准要求最为苛刻。但由于铀高富集技术的成功, 核纯的要求有了裁剪的余地。但是核石墨的标准要求, 大部分标准与半导体材料与航空航天材料等高端科技用石墨的技术条件有相同和相近的部分。在基础质量要求方面: 如纯度高、密度高、强度高、热导率高、各向异性小等是高科技用石墨的共同特点。但核石墨也有它自身要求的特殊技术要求。
有专家对核石墨的技术要求, 归纳为“ 六高四低” 。六高: 高纯度、高密度、高强度、高导热、高辐照稳定、高热氧化性; 四低: 低各向异性度、低热膨胀系数、低强性模量、低制造成本。
随着核反应堆技术的发展, 应用在核反应堆的石墨质量要求也在不断地变化。一些国家己有了自己国家核石墨设计标准与准则。核石墨其技术性能能满足设计寿命3 0 年以上, 未来的第四代反应堆用石墨可能根据反应堆的设计寿命提高到50~60 年。核石墨的技术要求性能参见表: 高温气冷堆用石墨性能参考。
石墨的纯度, 在核反应堆的应用中石墨减速材料的纯度是被受重视特性之一, 杂质元素的中子吸收截面积因其种类的不同而有明显差异。在纯度方面不仅仅是灰分总量的问题。由于硼(B)、礼(Gd)、锰(Mn)、钛合(Ti)、钒(V) 和镍( Ni) 等存在着中子吸收截面非常大的原故, 所以在石墨中的含量是一个重要控制值标。例lppm B , 大体相关于增加lm b 的吸收截面积。
石墨与冷却材料的相容性。反应堆中的冷却材料会用到二氧化碳气体和氦气。石墨对氦气下性能较比稳定, 但二氧化碳在高温下对石墨有氧化作用。但在二氧化碳气体中添加一氧化碳和甲烷可以控制氧化反应, 其他特定杂质元素的存在也会起催化作用促进石墨氧化。
在液体冷却或液体燃料核反应堆中, 还要考虑的物质有熔融纳、钠一钾合金、锡和氟化物溶盐等。溶融纳的浸透性极强, 往往浸入到石墨的孔隙中使结构破坏, 其中微量杂质钾也是影响因素之一。
射线辐照的影响, 在核裂变过程中产生的高速中子一旦撞击到碳原子, 则碳原子就从其晶格结点的正规位置弹到层间中, 此晶格结点便成空穴。一般把这种变化称之为辐照损伤。
辐照损伤大小因辐照量和辐照温度及石墨材质的质异而有所不同。辐照损伤能引起物性变化, 如尺寸变化、物理性质的变化( 机械强度、弹性模量和硬度等)。
3 核石墨的制造
3.1 原料的选择与配比
核石墨的制造与炭素生产中的高纯石墨生产相近, 最早的反应堆用石墨就是采用炭电极生产方法挤压成型的。首先在原材料选择上, 焦炭的选择: 非针状焦、沥青焦、石油焦等用于提高密度、减小材料异性, 并以沥青为粘结剂。由于核石墨经常处于强射线的辐照还必须控制焦炭的杂质, 尤其是B 含量的控制, 因为杂质对中子吸收截面积大小对核纯十分重要。焦炭中B、V 等杂质元素含量大, 对以后工序中纯化处理有一定的难度。
从制品密度方面考虑, 采用各向异性小的焦炭为好。因为这种焦炭有助于提高制品密度
。为提高密度原料中还可添加炭黑增密。文献显示一般可添加10%一3 0%热裂炭黑。
在热导率提高方面在原料配比中适量添加炭黑,同时选择适宜的成型方法可提高制品热导率。
3.2 制品的成型
炭制品的成型方式有挤压、模压、振动成型和等静压。成型方式的不同对炭制品的材料结构和技术性能有很大影响。由于核石墨材料在反应堆中的部位不同应用作用各异, 不同堆型对核石墨的要声也有所不同。堆芯中的减速材料多用等静压成型, 反射材料有用等静压成型也有用挤压成型的。
在考虑经济成本时, 为降低成本和石墨的连接结构也有采用振动成型工艺, 同时减少了机械加工量和加工时的原料消耗
3.3 核纯处理
核石墨纯化( 核纯) 主要采用高温石墨化和高温卤气处理。经高温石墨化处理的核石墨一般可达到反射的技术要求。
若用于减速材料, 通常还需要用卤气进行纯化。对核石墨要求的纯度标准因核反应堆使用的浓缩铀的浓缩度的不同而各不相同。文献介绍, 核反应堆的设计者在选用石墨材料用于反应堆时,也根据石墨在反应堆中的不同, 不同部位和不同技术要求选用不同纯度、不同标准的石墨材料。在保证石墨产品的可靠性的同时还要考虑反应堆建设成本和经济性。
3.4 机械加工
核石墨所需几何尺寸和形状主要是靠机械加工达到最终的精密尺寸。核反庆堆用石墨多为空心棒形。截面尺寸为100mm*100 mm ( 最大一般不超过200 mm ), 长度为l m 左右。据悉为堆芯结构与拼装的要求, 在石墨成形时也有采用振动成型, 十分接近要求的几何形状和尺寸, 只需作少量精加工就可。在机械加工过程中, 重点要防止作业、作业环境、机械工夹具、操作和人体等方面带来的二次污染。
4 我国核电与核石墨需共同发展
目前, 世界上核电的发展最突出的问题是安全,自切尔若贝利之后, 今年日本地震引发的福岛核泄漏事件的不断升级, 或多或少给核电发展笼罩了一丝暗影, 核能公众接受度将受影响。
但是随着核技术的发展和安全性的提高, 安全利用核电仍然是今后发展的方向。我国《核电中长期发展规划( 2005-2020 )} 己明确了到2020 年我国核电发展的目标。到2020 年我国将有4000万kw 核电运行发电, 1800 万kw 在建。
中国核工业建设集团公司和中国广东核电集团公司,一次签订8 台核电机组土建工程合同, 是目前我国最大核电工程合同。我国核电的管理由国防科工委纳入国家能源局统一管理。核电建设与配套设备成立了“ 中广核核电设备国产化联合研发中心” , 都说明了我国核电的发展又上了一个新台阶。
以上核电发展的积极因素, 都是促进核石墨研发、国产化的促进剂和催化剂。国内核石墨也在较早就开始了研究,
2006 年对核石墨研发与国产化就召开了研讨论会。核电发展应注意技术安全、设备安全、环境安全。在设备安全方面核电的配套应立足国内生产配套。核石墨的配套供应还需国家政府扶持, 生产、设计单位努力, 共同研发高质量的国产核石墨。
当前, 国内核石墨的研发缓慢, 不能完全满足核电的发展需求, 可能是受到多方面的影响。
面对我国核电的快速发展, 炭材料行业核石墨研究、制造的院校、企业更要积极行动起来, 依托原有炭素生产企业,进行必要的技术引进和改造, 研发有自己知识产权的核石墨。通过对核石墨的进一步研发, 满足我国新时期核电发展的需要, 缩小与国际先进核石墨的技术差距, 促进我国核石墨和高端炭材料的发展。
作者：李平 哈尔滨电碳研究所, 曲春浴,鲍彬,张启彪 黑龙江省科学技术情报研究所
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