百科：核石墨——核反應(yīng)堆的“超級材料”

石墨具有優(yōu)異的中子物理特性，其熱中子吸收截面僅為0.0045barn，而散射截面可達(dá)4.7barn。此外，石墨還具有良好的抗輻照性能、機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性以及較高的經(jīng)濟(jì)性。因此，它被廣泛應(yīng)用于水冷堆、高溫氣冷堆、熔鹽堆等多種反應(yīng)堆類型中。

來源：EastCarbon

核石墨是一種具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)脆性復(fù)合材料，由骨料顆粒（如石油焦、瀝青焦或天然瀝青等）和黏結(jié)劑組成，作為反應(yīng)堆堆芯中的關(guān)鍵減速材料，核石墨需滿足以下基本質(zhì)量要求：高純度、高密度、高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、優(yōu)良的輻照穩(wěn)定性和抗氧化性能、低各向異性、低熱膨脹系數(shù)、適宜的彈性模量以及較低的制造成本。此外，在核電工程中使用的石墨材料對純度要求極高，需通過優(yōu)化提純工藝將石墨純度控制在99%~99.99%以上。同時需嚴(yán)格限制氟、氯、溴、硫、鉛、汞、鋅、砷、硼、鈷、鈦等雜質(zhì)元素的含量，以防止其在輻照環(huán)境下引發(fā)不良反應(yīng)。

反應(yīng)堆堆體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，反射層由石墨磚通過鍵、榫、銷、槽等連接而成。此外，堆芯內(nèi)裝載的球形燃料元件由石墨外殼和含燃料的石墨基體球芯組成，包覆燃料顆粒彌散在石墨基體中，因此球形燃料元件也由核石墨制成。

核工業(yè)用石墨材料的優(yōu)缺點

（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(yīng)堆能夠利用少量燃料達(dá)到臨界或正常運(yùn)行。

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

（3）石墨有良好的導(dǎo)熱性能，在堆內(nèi)可以有效地降低溫度梯度，不致產(chǎn)生太大的熱應(yīng)力。

（4）石墨化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。除了高溫下的氧化、水蒸氣外，可以耐酸、堿、鹽的腐蝕，因而可以用作熔鹽核反應(yīng)堆和鈾鉍核反應(yīng)堆的堆芯構(gòu)件。

（5）石墨抗輻照性能極好，能長期在堆內(nèi)服役30～40年。

（6）石墨可加工性好，可以加工成各種形狀的構(gòu)件。

（7）石墨原料豐富，價格便宜，容易制成純度高、強(qiáng)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(jié)構(gòu)，呈層狀分布，原子密集于a、b晶面，同層原子最近距離為0.141nm，相互為共價結(jié)合，具有較強(qiáng)的結(jié)合力；而層距離為0.335nm，層間結(jié)合力為范德華力，結(jié)合力較弱。這種各向異性在石墨的物理、強(qiáng)度、輻照等行為中都會強(qiáng)烈地表現(xiàn)出來。

石墨在核反應(yīng)堆中的應(yīng)用

石墨反應(yīng)堆利用石墨的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性以及中子減速作用，將其應(yīng)用于各種組件中。

石墨塊核反應(yīng)堆

在許多石墨慢化反應(yīng)堆中，石墨塊兼具慢化劑與燃料結(jié)構(gòu)支撐的雙重功能：一方面能夠降低核裂變產(chǎn)生的快中子動能，為持續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)創(chuàng)造條件；另一方面為燃料組件提供穩(wěn)定支撐。

在先進(jìn)氣冷反應(yīng)堆中，石墨塊構(gòu)成堆芯結(jié)構(gòu)主體，不僅用于容納冷卻劑通道和燃料棒，其出色的導(dǎo)熱性還能促進(jìn)整個反應(yīng)堆的熱量均勻分布，提升運(yùn)行效率。

核反應(yīng)堆石墨芯

部分反應(yīng)堆的整個堆芯由石墨組件構(gòu)成，同時承擔(dān)支撐結(jié)構(gòu)與中子減速器的雙重職責(zé)。先進(jìn)氣冷反應(yīng)堆所采用的石墨芯，憑借卓越的熱效率支持反應(yīng)堆實現(xiàn)高溫運(yùn)行，進(jìn)一步提升核電轉(zhuǎn)化效率。

來源：EastCarbon

核反應(yīng)堆石墨棒

石墨棒在反應(yīng)堆中主要用作控制棒、慢化棒、結(jié)構(gòu)部件或反射器：作為控制棒或慢化棒插入堆芯時，可通過進(jìn)一步減慢中子速度優(yōu)化裂變過程；作為反射器時，能將逃逸的中子反射回堆芯，提高中子經(jīng)濟(jì)性以維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；作為結(jié)構(gòu)部件時，則為堆芯提供可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐。

石墨球核反應(yīng)堆

以球形石墨作為燃料元件是高溫氣冷堆（球床反應(yīng)堆）的典型設(shè)計，核燃料被嵌入石墨球內(nèi)部，石墨在核裂變過程中發(fā)揮中子慢化作用。這種球形燃料設(shè)計支持反應(yīng)堆連續(xù)加油：石墨球可在堆芯內(nèi)自由移動，燃料耗盡后可直接移除并替換新球，無需關(guān)閉反應(yīng)堆，大幅提升運(yùn)行效率與靈活性。

核反應(yīng)堆石墨容器

石墨容器用于容納反應(yīng)堆中的核燃料元件等關(guān)鍵材料，不僅能夠有效散熱、防止燃料元件遭受機(jī)械損壞，還能在反應(yīng)堆運(yùn)行期間可靠保留燃料。借助石墨優(yōu)異的耐高溫性能，容器可保護(hù)核燃料免受過熱影響，實現(xiàn)熱量在堆芯內(nèi)的均勻分布，同時對中子慢化也能起到積極的輔助作用。

參考來源：

王文東等.核電工程用石墨的性能與應(yīng)用研究進(jìn)展

沈杰等.核工程石墨斷裂力學(xué)研究進(jìn)展

EastCarbon、金順碳素