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1、2000年第5期CARBONTECHNIQUES2000№5总第110期炭素技术SUM110核工程中的石墨和炭素材料(第五讲)徐世江(清华大学核能技术设计研究院,北京102201)GRAPHITEANDCARBONACEOUSMATERIALINNUCLEARENGINEEFINGXUShi2jiang(InstituteofNuclearEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing102202,China)———空位对缺陷能的形式固定在石墨中。实际上即5石墨的辐照损伤(二)使在极低温度下辐照,由于中子和击出原子在其行程的末端形
2、成的离位峰和热峰的作用,有相当部分511石墨的潜能间隙原子和空位会复合,从而降低缺陷密度和潜能。影响石墨潜能积聚的主要因素是辐照剂量和辐随着温度的增加,原子活动性增加,间隙原子与空位照温度。图1是石墨潜能与辐照剂量及辐照温度的复合的几率增加;间隙原子扩散聚集成原子簇;间隙[1]关系。原子扩散到晶界等缺陷等过程,降低了缺陷的密度从图1可以看出:随着辐照剂量的增加,潜能增和单位离位原子的能量,从而降低了潜能积聚速度加并趋向饱和;随着辐照温度的增加,潜能积累的速和饱和值(温度足够高时空位也会发生间隙原子相度降低,潜能饱和值减小,达到饱和值的辐照剂量增应的过程)。加。从第4讲中
3、我们知道,裂变中子在慢化成热中子的过程中,平均每个中子约产生20000个离位原子。辐照温度越低,原子的活动能力越差,离位原子大部分形成间隙原子———空位对型缺陷,这种缺陷的能量为10eV/对,中子的能量大部分以间隙原子图2CSF石墨、炭黑和树脂炭辐照到530MWd/At图1石墨的潜能与辐照剂量和辐照温度的关系后加热到600℃时释出的潜能第5期徐世江核工程中的石墨和炭素材料(第五讲)·43·从第4讲中我们也知道,高度辐照后的石墨的有序结构被破坏和石墨中非晶质辐照时收缩(有序化程度增加)的事实,人们不难想象,辐照时潜能的积聚也受石墨组分石墨化程度的影响。图2是CSF、炭黑和
4、树脂炭辐照剂量达530MWd/At后,加[1]热到600℃时释放出来的潜能。从图2可以看出,结晶程度越差,潜能越低。辐照后的石墨加热到辐照温度以上时,原来固定在石墨中的间隙原子和空位的复合几率增加,原子和空位簇长大和消失的几率也增加,其结果是石墨释出潜能。如果温度增加到某一定值,其潜能释出的值大于石墨的比热,这时石墨被加热,引起潜能[2]自我释放。图3就是这种释放的一个例子,它是图4辐照对等静压石油焦石墨线胀系数的影响石墨样品在30℃下辐照到400MWd/At后,把样热膨胀系数变化的因素主要有石墨的组织结构、石品加热到t1时潜能的释放曲线。从图3可以看出,墨化程度和辐照
5、温度。通常石墨都是由石墨化程度石墨样品由于潜能释放被绝热加热到t2。当潜能较好的骨料颗粒和石墨化程度较差的粘结剂炭组足够大时,会引起巨大的温升,造成事故,为了避免成。骨料颗粒及组成颗粒的微晶的尺寸,骨料和粘石墨潜能造成事故,必须对反应堆石墨部件的辐照结剂的相对含量及分布都影响石墨的热膨胀行为。负荷及其所处的温度进行分析研究,对有可能因潜[2]图4是辐照剂量和辐照温度对线胀系数的影响。能自发释放形成过高温升的石墨部件,进行控制退从图4可以看出:随着辐照剂量的增加线胀系火,以消除隐患。数先是增加,达到一极大值,随后下降;辐照温度越低,达到极值的辐照剂量越低,极值的数值越大。
6、这是由于辐照开始时,辐照引起微晶c方向的长大,使缓冲热膨胀的微孔和微裂纹封闭,从而使线胀系数增加。达到最大值后,由于辐照在晶体中引起的空位积聚,形成空位簇和微孔,产生新的微裂缝,重新使热膨胀得到吸纳的结果。温度越高,石墨中的微裂缝和微孔闭合得越多,其缓冲作用减小,达到最大值的剂量越低。温升高,空位的活动性增加,形成空位簇和微孔增加,所以线胀系数的最大值下降。石图3辐照后加热时石墨潜能释放过程[2]墨化程度对辐照引起的线胀系数的变化见图5。512石墨的热膨胀系数从图5可以看出:石墨化温度越高,随辐照剂量增加石墨的膨胀系数及辐照引起的变化,对反应堆热膨胀系数增加得越快,极值
7、越高,这是由于骨料颗石墨部件,特别是大型石墨部件(如反应堆顶反射层粒的有序化程度越高,其中用以吸纳热膨胀的微裂部件,其尺寸可达215m)的设计有重要的影响。为纹越多。至于达到极值的辐照剂量随石墨化温度降了合理设计反应堆石墨构件,避免因温度变化引起低而增加的原因则是由于粘结剂炭组分的作用。经过高的热应力,必须对石墨的热膨胀行为及其影响2300℃石墨化的石墨,其有序化程度很低,辐照诱因素进行研究。从石墨构件的设计来说,石墨的线发石墨化过程提供大量的微孔和缺陷,使得其线胀胀系数越小,各向异性度越小越好。众所周知,石墨系数变成负值。的有序化程度越
