隨著化石能源的減少、環(huán)境惡化、金融危機(jī)和低碳發(fā)展, 世界許多國家都調(diào)整了各自的能源發(fā)展方向。他們紛紛尋找和選擇綠色低碳的能源, 采用了以風(fēng)能、光能、核能等優(yōu)質(zhì)綠色能源為主, 逐步減少固體燃料的比例。由煤炭、石油為主轉(zhuǎn)向以環(huán)境為主的清潔能源, 進(jìn)而積極推動(dòng)了風(fēng)電、光伏發(fā)電、核電等安全清潔環(huán)保經(jīng)濟(jì)能源發(fā)展。
核電也在其中得到了較快發(fā)展,從上世紀(jì)50 年代商用二代反應(yīng)堆開始得到了較快發(fā)展。同時(shí)帶動(dòng)了核電中核石墨材料技術(shù)質(zhì)量的發(fā)展與提高, 核石墨做為核電材料之一也在核電的發(fā)展中得到了發(fā)展。
1 核石墨的應(yīng)用
核石墨材料在核反應(yīng)堆中, 作為中子減速材料和反射材料被廣泛應(yīng)用。早在1942 年世界上第一座核反應(yīng)堆就是選用石墨作為減速材料。石墨除用于減速和反射材料外, 還可用作核燃料套或核燃料被覆材料。
還有研究用石墨與碳化硅材料用作核聚變反應(yīng)堆的爐壁材料。但是如核石墨質(zhì)量不高也容易引發(fā)核事故,如: 1957 年位于英國坎伯蘭那附近的一個(gè)核反應(yīng)堆石墨堆芯起火, 大火導(dǎo)致大量放射性污染物外泄, 被列入世界10 大核事故之列。
核石墨在核反應(yīng)堆應(yīng)用中, 用量最多約是減速材料和反射材料。文獻(xiàn)顯示, 在天然鈾石墨減速的卡爾德一霍爾型核反應(yīng)堆中, 每10MW 電功率大約需要數(shù)百噸石果, 其中減速材料約占2/ 3, 反射材料約占1/3。目前建一座核電站需100-200 億元, 一座反應(yīng)堆大約進(jìn)口核石墨為2 億元人民幣。
2 核石墨的技術(shù)性能
為保證核石墨在核反應(yīng)堆中正常、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行, 對不同工作環(huán)境下的石墨技術(shù)性能有著不同的技術(shù)指標(biāo)。
在核反應(yīng)堆心臟部位的減速材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求最為苛刻。但由于鈾高富集技術(shù)的成功, 核純的要求有了裁剪的余地。但是核石墨的標(biāo)準(zhǔn)要求, 大部分標(biāo)準(zhǔn)與半導(dǎo)體材料與航空航天材料等高端科技用石墨的技術(shù)條件有相同和相近的部分。在基礎(chǔ)質(zhì)量要求方面: 如純度高、密度高、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、各向異性小等是高科技用石墨的共同特點(diǎn)。但核石墨也有它自身要求的特殊技術(shù)要求。
有專家對核石墨的技術(shù)要求, 歸納為“ 六高四低” 。六高: 高純度、高密度、高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、高輻照穩(wěn)定、高熱氧化性; 四低: 低各向異性度、低熱膨脹系數(shù)、低強(qiáng)性模量、低制造成本。
隨著核反應(yīng)堆技術(shù)的發(fā)展, 應(yīng)用在核反應(yīng)堆的石墨質(zhì)量要求也在不斷地變化。一些國家己有了自己國家核石墨設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則。核石墨其技術(shù)性能能滿足設(shè)計(jì)壽命3 0 年以上, 未來的第四代反應(yīng)堆用石墨可能根據(jù)反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)壽命提高到50~60 年。核石墨的技術(shù)要求性能參見表: 高溫氣冷堆用石墨性能參考。
石墨的純度, 在核反應(yīng)堆的應(yīng)用中石墨減速材料的純度是被受重視特性之一, 雜質(zhì)元素的中子吸收截面積因其種類的不同而有明顯差異。在純度方面不僅僅是灰分總量的問題。由于硼(B)、禮(Gd)、錳(Mn)、鈦合(Ti)、釩(V) 和鎳( Ni) 等存在著中子吸收截面非常大的原故, 所以在石墨中的含量是一個(gè)重要控制值標(biāo)。例lppm B , 大體相關(guān)于增加lm b 的吸收截面積。
石墨與冷卻材料的相容性。反應(yīng)堆中的冷卻材料會用到二氧化碳?xì)怏w和氦氣。石墨對氦氣下性能較比穩(wěn)定, 但二氧化碳在高溫下對石墨有氧化作用。但在二氧化碳?xì)怏w中添加一氧化碳和甲烷可以控制氧化反應(yīng), 其他特定雜質(zhì)元素的存在也會起催化作用促進(jìn)石墨氧化。
在液體冷卻或液體燃料核反應(yīng)堆中, 還要考慮的物質(zhì)有熔融納、鈉一鉀合金、錫和氟化物溶鹽等。溶融納的浸透性極強(qiáng), 往往浸入到石墨的孔隙中使結(jié)構(gòu)破壞, 其中微量雜質(zhì)鉀也是影響因素之一。
射線輻照的影響, 在核裂變過程中產(chǎn)生的高速中子一旦撞擊到碳原子, 則碳原子就從其晶格結(jié)點(diǎn)的正規(guī)位置彈到層間中, 此晶格結(jié)點(diǎn)便成空穴。一般把這種變化稱之為輻照損傷。
輻照損傷大小因輻照量和輻照溫度及石墨材質(zhì)的質(zhì)異而有所不同。輻照損傷能引起物性變化, 如尺寸變化、物理性質(zhì)的變化( 機(jī)械強(qiáng)度、彈性模量和硬度等)。
3 核石墨的制造
3.1 原料的選擇與配比
核石墨的制造與炭素生產(chǎn)中的高純石墨生產(chǎn)相近, 最早的反應(yīng)堆用石墨就是采用炭電極生產(chǎn)方法擠壓成型的。首先在原材料選擇上, 焦炭的選擇: 非針狀焦、瀝青焦、石油焦等用于提高密度、減小材料異性, 并以瀝青為粘結(jié)劑。由于核石墨經(jīng)常處于強(qiáng)射線的輻照還必須控制焦炭的雜質(zhì), 尤其是B 含量的控制, 因?yàn)殡s質(zhì)對中子吸收截面積大小對核純十分重要。焦炭中B、V 等雜質(zhì)元素含量大, 對以后工序中純化處理有一定的難度。
從制品密度方面考慮, 采用各向異性小的焦炭為好。因?yàn)檫@種焦炭有助于提高制品密度
。為提高密度原料中還可添加炭黑增密。文獻(xiàn)顯示一般可添加10%一3 0%熱裂炭黑。
在熱導(dǎo)率提高方面在原料配比中適量添加炭黑,同時(shí)選擇適宜的成型方法可提高制品熱導(dǎo)率。
3.2 制品的成型
炭制品的成型方式有擠壓、模壓、振動(dòng)成型和等靜壓。成型方式的不同對炭制品的材料結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能有很大影響。由于核石墨材料在反應(yīng)堆中的部位不同應(yīng)用作用各異, 不同堆型對核石墨的要聲也有所不同。堆芯中的減速材料多用等靜壓成型, 反射材料有用等靜壓成型也有用擠壓成型的。
在考慮經(jīng)濟(jì)成本時(shí), 為降低成本和石墨的連接結(jié)構(gòu)也有采用振動(dòng)成型工藝, 同時(shí)減少了機(jī)械加工量和加工時(shí)的原料消耗
3.3 核純處理
核石墨純化( 核純) 主要采用高溫石墨化和高溫鹵氣處理。經(jīng)高溫石墨化處理的核石墨一般可達(dá)到反射的技術(shù)要求。
若用于減速材料, 通常還需要用鹵氣進(jìn)行純化。對核石墨要求的純度標(biāo)準(zhǔn)因核反應(yīng)堆使用的濃縮鈾的濃縮度的不同而各不相同。文獻(xiàn)介紹, 核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)者在選用石墨材料用于反應(yīng)堆時(shí),也根據(jù)石墨在反應(yīng)堆中的不同, 不同部位和不同技術(shù)要求選用不同純度、不同標(biāo)準(zhǔn)的石墨材料。在保證石墨產(chǎn)品的可靠性的同時(shí)還要考慮反應(yīng)堆建設(shè)成本和經(jīng)濟(jì)性。
3.4 機(jī)械加工
核石墨所需幾何尺寸和形狀主要是靠機(jī)械加工達(dá)到最終的精密尺寸。核反慶堆用石墨多為空心棒形。截面尺寸為100mm*100 mm ( 最大一般不超過200 mm ), 長度為l m 左右。據(jù)悉為堆芯結(jié)構(gòu)與拼裝的要求, 在石墨成形時(shí)也有采用振動(dòng)成型, 十分接近要求的幾何形狀和尺寸, 只需作少量精加工就可。在機(jī)械加工過程中, 重點(diǎn)要防止作業(yè)、作業(yè)環(huán)境、機(jī)械工夾具、操作和人體等方面帶來的二次污染。
4 我國核電與核石墨需共同發(fā)展
目前, 世界上核電的發(fā)展最突出的問題是安全,自切爾若貝利之后, 今年日本地震引發(fā)的福島核泄漏事件的不斷升級, 或多或少給核電發(fā)展籠罩了一絲暗影, 核能公眾接受度將受影響。
但是隨著核技術(shù)的發(fā)展和安全性的提高, 安全利用核電仍然是今后發(fā)展的方向。我國《核電中長期發(fā)展規(guī)劃( 2005-2020 )} 己明確了到2020 年我國核電發(fā)展的目標(biāo)。到2020 年我國將有4000萬kw 核電運(yùn)行發(fā)電, 1800 萬kw 在建。
中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司和中國廣東核電集團(tuán)公司,一次簽訂8 臺核電機(jī)組土建工程合同, 是目前我國最大核電工程合同。我國核電的管理由國防科工委納入國家能源局統(tǒng)一管理。核電建設(shè)與配套設(shè)備成立了“ 中廣核核電設(shè)備國產(chǎn)化聯(lián)合研發(fā)中心” , 都說明了我國核電的發(fā)展又上了一個(gè)新臺階。
以上核電發(fā)展的積極因素, 都是促進(jìn)核石墨研發(fā)、國產(chǎn)化的促進(jìn)劑和催化劑。國內(nèi)核石墨也在較早就開始了研究,
2006 年對核石墨研發(fā)與國產(chǎn)化就召開了研討論會。核電發(fā)展應(yīng)注意技術(shù)安全、設(shè)備安全、環(huán)境安全。在設(shè)備安全方面核電的配套應(yīng)立足國內(nèi)生產(chǎn)配套。核石墨的配套供應(yīng)還需國家政府扶持, 生產(chǎn)、設(shè)計(jì)單位努力, 共同研發(fā)高質(zhì)量的國產(chǎn)核石墨。
當(dāng)前, 國內(nèi)核石墨的研發(fā)緩慢, 不能完全滿足核電的發(fā)展需求, 可能是受到多方面的影響。
面對我國核電的快速發(fā)展, 炭材料行業(yè)核石墨研究、制造的院校、企業(yè)更要積極行動(dòng)起來, 依托原有炭素生產(chǎn)企業(yè),進(jìn)行必要的技術(shù)引進(jìn)和改造, 研發(fā)有自己知識產(chǎn)權(quán)的核石墨。通過對核石墨的進(jìn)一步研發(fā), 滿足我國新時(shí)期核電發(fā)展的需要, 縮小與國際先進(jìn)核石墨的技術(shù)差距, 促進(jìn)我國核石墨和高端炭材料的發(fā)展。
作者：李平 哈爾濱電碳研究所, 曲春浴,鮑彬,張啟彪 黑龍江省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所
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