核工程中的石墨和炭素材料_第三讲_.pdf

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1、5666年第2期+#",-)’(+%)&8.(/566692总第467期炭素技术/.0467核工程中的石墨和炭素材料!第三讲"徐世江!清华大学核能技术设计研究院#北京$%&&%$"!"#$%&’(#)*+#",-)#+(-./0#’("
&)).+1(#"()!&)(("&)!’()*+,-+./0!1/23+343567849:5.;59*/6:60=#>2+/0*4.(/+?5;2+3=，@5+-+/0$%&&%$，A*+/."式中&$———中子碰撞前的能量，5G；2石墨和炭素材料在高

2、温气冷堆中的应用&&———中子碰撞后的能量，5G；$———在质心系统中的散射角；&，其中’为234中子慢化和慢化材料#———常数，#OP’Q（’R$）上一讲中我们讨论了核反应堆的中子平衡，核靶核的质量数。反应堆运行的必要条件是!577($，热中子利用系数从式（&）中可以看出，’越小，传递的能量越"是!577的组成因素之一，为了达到相同的!577，如果大，慢化越有效。"增大，其他因素就可以降低。"的值为B$C：如上所述，中子慢化是与慢化剂原子核的碰$D!.D"D撞，单位时间单位体积内的碰撞次数(2可以用下"#

3、!$"$D!.D"D%$E!.E"E%$F!.F"F式表示：从式中我们可以看出：在其他条件相同下，!.D(2O(K%K2"O!K2"（N）越大，"也越大。易裂变同位数的裂变截面随中子能式中(K———单位体积内慢化剂的原子数#KINS量降低而增加。裂变中子的平均能量为&E5G，易裂%K2———慢化剂的微观散射截面#H!$%I&JK&"S变同位素的裂变截面与其原子核的几何截面相当，"———中子注量率，$Q!K&·2"S约为几个H!巴恩，$%I&JK&"。热中子（能量为%L%%&MI$。!K2———慢化剂的宏观散

4、射截面，K5G）的易裂变同位素的裂变截面在MN%H以上（两者&()#(%，&为材料的密度，(%为阿佛加得罗之差达几百倍），所以中子利用系数"远比快中子引’发裂变时要大，换句话说热中子引发核裂变比快中常数。子引发核裂变要经济，可以使用富集度低的燃料。从上述式子中我们可以看出，除质量数低外，中子慢化的机制是中子与慢化材料的原子（核）发慢化材料的散射截面%2应该大，其密度应尽可能生弹性碰撞（散射）。每次撞碰时，中子都把其动能高。慢化材料吸收中子属于无用吸收，降低"值，因的一部分传递给被碰撞的原子，其能量转移的大小

5、此作为慢化材料的另一个必要条件是其吸收截面可以用下式B&C表示：%.小。B&C#几种慢化材料的性质见表$。从表$可以看&&#&$[$I（962$I$）]!&"&到，尽管石墨每次碰撞的平均对数能量变化’和慢第!期徐世江核工程中的石墨和炭素材料!第三讲"·"#·表%几种常用慢化材料的性质总的说来，石墨不仅是好的慢化材料，也是出色的高温结构材料。慢化材料!!"密度*!2*340"#!"#*"+!&$高温气冷堆与石墨和炭素材料石墨-1(,5-1-60)--(16,上一讲中我们已经介绍过高温气冷堆的结构，78-1)-

6、6-1(6(,-(159从图中可以看到，反应堆压力壳里面几乎都是石墨78:-1(/--1(((5-)15-和炭素材料，下面将具体地讨论一下各种石墨和炭;):-1<0(1,/-(1--素材料构件的功能，工作环境和负荷。=):!<<1/,>"-1,(-1(5)(---(1(-01)1(高温气冷堆燃料元件注：表中!"#是按表列密度计算出来的值$高温气冷堆燃料元件由包覆燃料颗粒和石墨组!（!%&’!(）是每次碰撞的平均对数能量变化。成，曾经研究过多种结构形式，具有应用前景的主要!)有球形燃料元件和柱状燃料元件两种，

7、其示意图如化能力!"#不大，但其慢化比!"#*"+却仅次于重图(和图)。从图上可以看出，不管燃料元件结构如水。此外，作为工程材料，价格也是重要的选材标何变化，包覆燃料颗粒的结构是相同的。下面以球准，石墨的价格在常用的慢化材料中，是除水以外最便宜的一种。固体慢化材料也是反应堆堆芯结构材料的一部分，因此它必须具备结构材料的性质。石墨具有中等的力学性能，特别出色的高温力学性能，其强度在),--.以下随温度增加而增加，是反应堆冷却剂温度超过/--.时唯一可以使用的堆芯结构材料。石墨的导热系数大，线胀系数低，弹性模量

8、小，因而其抗热冲击（热震）的能力好。石墨的热容量大，因而其热惯性大。石墨在氧化性气氛中不稳定（但在惰性气氛中稳定）。石墨具有密集六方结构，高度各向异性，因而其性能大多数也是高度各向异性，特别是在辐照条件下，其变化的各向异性，在一定条件下，成为其使用的限制因素。图%高温气冷堆球形燃料元件图$高温气冷堆柱状燃料元件·!"·炭素技术#$$$年形燃料为例作进一步说明。变化。包覆层都是应用化学气相沉积的原理在流化!）包覆燃