[发明专利]高纯度核石墨

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本发明涉及用于从针状焦基底中制备石墨的方法，所述石墨 适用于核反应堆。更具体地说，本发明涉及制备用于核应用、不需要石 墨化后纯化步骤并且具有高纯度的高各向同性石墨的方法。“高各向同 性”是指各向同性比小于约1.5的石墨，所述各向同性比被定义为两个 方向上的CTE比，具体而言，横切纹理方向上的CTE(against-grain CTE) 除以沿纹理方向上的CTE(with-grain CTE)。本发明也包括这样制备的新 型高纯度核石墨。

尺寸范围从通常直径至多约450mm和长度至多约900mm的 “圆形物”(即圆柱形坯料)到体积超过0.6立方米的矩形块的石墨部 件用于新一代核裂变高温和极高温反应堆中的燃料元件、减速剂挡块和 反射体挡块。从本质上讲，这些反应堆源于两个主要设计：棱柱设计 (prismatic desigh)和球床设计(pebble bed design)。对于这两种核反 应堆设计而言，石墨可用作减速剂以使中子热能化，也用作中子反射体 (neutron reflector)。此外，用于核反应堆的石墨也可用作结构燃料元 件，该燃料元件可提供用于燃料和反应堆周围的冷却剂气体的通道网 络。

核反应堆的运转产生了将接触用于构建和维持核反应堆的 石墨制品的大量的辐射。辐射后的石墨制品将常常经历物理和结构特性 的变化，所述物理和结构特性的变化可导致石墨制品性能不足，并且在 更坏的情况下，可导致石墨部件失效。而且，反应堆石墨中的杂质可导 致两种不理想的效果。一些特定杂质吸收需要用来维持核链式反应的中 子。作为杂质的其他元素可嬗变成危害性同位素，当最终将石墨从反应 堆移除并且作为废物处理时，该同位素呈现出很大的健康危害性。因此， 用于核石墨材料的传统的制备工艺需要大量的纯化步骤以减少或除去 杂质诸如灰分和硼。

用于核石墨材料的传统的制备方法包括使用具有中等晶粒 特征的高CTE煅烧焦炭，以及挤压、单轴模塑、振动模塑或均匀模塑以 形成石墨制品所期望的形状。然而，在达到用于核应用的石墨所需的纯 度水平方面存在的重要问题是采用的高CTE煅烧焦炭得自煤或原油精 炼的固有不纯的残渣。通常，从煤焦油中制备的高CTE煅烧焦炭的杂质 水平包括大量的灰分。此外，从原油残渣中制备的高CTE煅烧焦炭的杂 质水平最通常包括得自最初原油的高浓度的灰分。

通常，制备核石墨的现有技术工艺首先包括选择煅烧焦炭的 类型，随后将焦炭破碎成更小的颗粒并且在加工成石墨之前压碎或磨 碎。最常见的是，压碎的煅烧焦炭和某类型的粘结剂(最普遍的是沥青) 混合。沥青是多核芳族化合物的复杂混合物，所述多核芳族化合物得自 煤焦油或石油焦的热处理。在环境温度下，沥青看来似乎是固体，但实 际上它是具有极为缓慢的流速的液体。将沥青与压碎的焦炭混合以形成 相对坚固的产品，该产品在石墨产业中通常称为毛坯制品(green article)。

在现有技术工艺的这一点上，所述毛坯制品被成形成最终核 石墨制品理想的构造。最常见的，在石墨化之前利用挤压形成一般形状 的该毛坯制品。

根据已知的技术，挤压是其中将粘结剂和焦炭混合物推动通 过模头以制成具有固定横截面的制品的工艺。在形成石墨制品中，加热 毛坯制品以使其更容易流过该模头，从而需要较少的压力和力量制备所 述一般形状。

使用于形成核石墨的现有技术毛坯制品成形的另外的方法 包括模塑和压制，其中压力典型地被从一个或两个方向提供以使毛坯制 品成为所需要的构造。另外，可加热该混合物以使其更容易被模塑成所 需的形状。

在制备石墨的现有技术工艺中下一个步骤通常要焙烧毛坯 制品以除去挥发性组分，更重要的是使粘结剂沥青转变成能够支持和维 持刚性形状的固体含碳材料。在焙烧期间，从毛坯制品中释放的气体常 常会在制品内造成小的通道和孔，从而遍及该碳体提供延伸的和开放的 孔隙。同样，另外的沥青被浸渍到该焙烧制品中以填充逸出的挥发性气 体留下的空间，因此，增加了焙烧碳体的密度。通常，浸渍沥青在室温 下是固体，并且必须预先加热至使它们转变成适于浸渍的低粘度液体的 高温。惯常的做法是在添加该沥青浸渍剂之前也预先加热碳体至升高的 温度。