石墨材料在高溫氣冷堆的使用現(xiàn)狀及今后的詳解

高溫氣冷堆非常安全這一特征，使人們提出了模塊化高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)理念。下一代超高溫核反應(yīng)堆( UHTR) ，朝著高功率密度、高溫化方向邁進(jìn)。技術(shù)上的這些發(fā)展進(jìn)步，對(duì)新一代石墨材料的特性提出了更高的要求，比如，更高的輻照損傷耐受力，產(chǎn)品均質(zhì)化，物美價(jià)廉，長(zhǎng)期供貨等。

美國(guó)在下一代核反應(yīng)堆( NGNP)研發(fā)計(jì)劃中，把日本東洋炭素的IG－430和羅蘭石墨美國(guó)分公司的2020兩種牌號(hào)的等靜壓石墨作為備選的堆芯材料進(jìn)行研究。這2種石墨的性能指標(biāo)見表1。

核聚變反應(yīng)堆

核聚變反應(yīng)堆的工作原理是氫的同位素氘和氚的原子核在高溫下結(jié)合，形成氦原子和中子的同時(shí)，釋放出巨大的能量。

核聚變反應(yīng)堆的研究開始于1950年，直到超高溫等離子體吸收材料的開發(fā)成功，才有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。石墨用于核聚變反應(yīng)堆的等離子體面對(duì)材料，很大程度上減少了等離 子體中的金屬雜質(zhì)，并表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性，因此極大地提高了等離子體的能量約束特性。

現(xiàn)在大型的核聚變反應(yīng)堆JT－60U和JET的內(nèi)壁幾乎都包覆了石墨。2007年10月，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)發(fā)起由7個(gè)國(guó)家( 日本、EU、俄羅斯、美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、印度) 聯(lián)手執(zhí)行的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃預(yù)計(jì)于2016年在法國(guó)卡達(dá)拉什完成。

核聚變堆第一壁材料的要求和問題點(diǎn)

等離子體的特性與核聚變裝置中等離子體的面對(duì)材料有關(guān)。如果等離子體中混有高原子序數(shù)Z的雜質(zhì)時(shí)，一旦這些雜質(zhì)被加熱為高價(jià)離子與電子結(jié)合，就會(huì)增加輻照損失。

因?yàn)檩椛鋸?qiáng)度與原子序數(shù)的3～4次方成正比，原子序數(shù)越大，輻照損失越大，所以原子序數(shù)Z必須小。

一方面，從等離子體逃逸出的入射高能粒子、光、熱會(huì)強(qiáng)烈損傷面對(duì)等離子體第一壁材料;

另一方面，石墨材料的升華、濺射及從中脫出的氣體等混入等離子體中成為雜質(zhì)。

高能中子對(duì)面對(duì)材料產(chǎn)生的體損傷，以及高能離子產(chǎn)生的表面損傷等是對(duì)面對(duì)材料的新挑戰(zhàn)。離子體放電脈沖時(shí)，嵌入第一壁的燃料粒子飛濺出來，進(jìn)入等離子體中，并在壁和等離子體間來回循環(huán)。這個(gè) 過程對(duì)保持燃燒很有必要。

隨著核聚變裝置逐漸大型化，為了生成高溫等離子體，導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高的石墨材料被用做面對(duì)等離子體的第一壁材料，且表現(xiàn)出了良好的放電脈沖效果。

此外，即使它們混入等離子體中，因原子序數(shù)低，引起的輻照損失小，所以能使高溫等離子體保持穩(wěn)定。石墨邦，國(guó)內(nèi)首家碳石墨全產(chǎn)業(yè)鏈電商平臺(tái)----www.shimobang.cn欲交流請(qǐng)加微信號(hào)：shimobang 但是，氫的同位素入射會(huì)導(dǎo)致石墨材料生成CH4氣體的消耗性化學(xué)飛濺現(xiàn)象以及輻射增強(qiáng)升華損耗現(xiàn)象(輻射增強(qiáng)升華是指等離子體粒子處于輻照環(huán)境下，即使當(dāng)前溫度未達(dá)到石墨的正常熱升華溫度，石墨材料也會(huì)升華損耗的現(xiàn)象) 。

因此，采用石墨材料做等離子體的面對(duì)材料時(shí)，必須注意石墨的使用條件，特別是溫度。

下一代核聚變裝置( ITER)

ITER裝置中的偏濾器位于等離子體出口處，承受了極高的粒子負(fù)荷以及等離子體破裂過程中所產(chǎn)生的極高的熱負(fù)荷。

為了及時(shí)有效地除去偏濾器承載的高熱負(fù)荷，ITER裝置的偏濾器部件采用了和JT－60U裝置具有相同熱導(dǎo)率的C /C復(fù)合材料。偏濾器部件的制造采用了冷卻水管和熱沉焊接的技術(shù)。此外，高原子序數(shù)Z的鎢，因?yàn)R射率低，傾向于用作面對(duì)等離子體材料。

核聚變堆用的石墨材料

日本原子能研究所正在研發(fā)的臨界等離子體裝置JT－60U的等離子體面對(duì)材料和偏濾器板就采用了石墨材料所做的部件。

其中，等離子體出口處的偏濾器板采用了一種具有高熱導(dǎo)率、高耐熱沖擊力、以炭纖維為原料的特殊C /C復(fù)合材料，熱負(fù)荷相對(duì)較低的第一壁采用了各向同性石墨材料。

其他核石墨(反應(yīng)控制材料)

不管核反應(yīng)堆中的核分裂物質(zhì)是否增減，核反應(yīng)堆必須設(shè)置控制棒以及時(shí)補(bǔ)償和調(diào)節(jié)原子反應(yīng)堆中的中子數(shù)。高溫氣冷堆使用碳與B4C結(jié)合制成的圓柱體為控制棒。這要求石墨材料在所使用的溫度環(huán)境中必須保持穩(wěn)定，而且能耐中子輻照。

總之，世界原子能工業(yè)正經(jīng)歷著各種各樣的發(fā)展變化。在高溫氣冷堆領(lǐng)域，南非和中國(guó)的商用高溫氣冷堆正在推進(jìn)中。在核聚變反應(yīng)堆領(lǐng)域，有實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆( ITER)計(jì)劃開展的同時(shí)，日本的JT－60裝置改造也在先期進(jìn)行中。