[发明专利]含有作为主要成分的各向同性高结晶天然石墨和碳化硅或碳化锆的反射器用石墨及其制备

说明书

“反应堆用石墨”这个名称产生于1942年末，其时在石墨慢化核反应堆中实现了第一次核裂变。石墨在核技术中的意义主要在于它有利的核物理特性。其中包括它的低俘获截面、相对低的质量数和好的慢化剂效果和反射器效果。

在设计和建造气冷式核反应堆时，特别是设计和建造MK II高级气冷式反应堆(Mk II Advanced Gascooled Reactors，AGR)和氦气高温气冷式反应堆(HTGR)时，核纯(nuklearrein)的石墨成了最重要的反应堆材料之一。反应堆用石墨不仅用于制备燃料元件而且用作固定组件。固定组件主要指的是反射器(Reflektor)。反射器的作用是避免反应堆堆芯因迁移引起的中子损失。此处，堆芯被由石墨构成的顶部反射器、侧面反射器和底部反射器包围。用于构成反射器的反应堆用石墨称作反射器用石墨(Reflektorgraphit)。

对于反射器用石墨提出了以下一系列要求：

-石墨必须是核纯的。这是指，热中子的俘获截面应该小于4mbar；

-体积密度大；

-机械强度特性好；

-弹性模量低；

-热膨胀低；

-导热性好；

-针对水蒸汽和空气的耐腐蚀性好；

-快中子辐照时的稳定性好。

石墨在反应堆运行中暴露于高通量的快中子中。中子会引起石墨晶格的剧烈破坏。因为辐照引发的破坏对石墨的物理特性、机械特性和化学特性会产生强烈的负面影响，所以反应堆用石墨要求有满足反应堆设计标准的抗辐照性。

这些要求在反射器用石墨的情况下首先被提及，这是因为所述反射器用石墨的寿命应该至少有30年。在这个期间所述反射器用石墨接受大约3×10²²n/cm²个E＞0.1MeV的高积分通量(integrale Fluenz)的快中子。

相关文献中提到，在用快中子辐照、温度高于1000℃和高中子剂量的条件下，石墨只有当符合如下条件时才能保持所需的尺寸稳定性和机械完整性多晶的石墨成型体具有高石墨化度和具有在复合体存在的单个石墨晶体的各向同性的取向。

辐照行为和其相应的结果描述于GA-Report(1970年3月)Engel，G.B.：“Irradiation Behaviour of Nuclear Graphites at Elevated Temperatures”和BNWL-1056Report Pacific Northwest-Laboratory Richland，Washington(1969)，Helm，J.W.中，等。

到目前为止用于制备反射器部件的反应堆用石墨仅由人造石墨(Elektrographit)制备。

图1表示生产反应堆用石墨的示意图。

多晶的石墨成型体包含纯的单质碳(elementar Kohlenstoff)。从原材料到石墨成品都要求是纯的且是可石墨化的。

石油焦和沥青焦满足所述要求，该石油焦和沥青焦源自原油残渣和煤焦油沥青的焦化。优选焦油或沥青用作含碳的液体粘结剂。人造石墨的制备基于多个步骤。

在图1中图示描述了制备步骤和其时间上的顺序。

首先对经煅烧的石油焦和沥青焦进行研磨，筛分，并且在与液态焦油粘结剂和液态沥青粘结剂混合之后通过热混捏(Heiβkneten)均化，接着通过管线挤压(Strangpressen)或空腔挤压(Gesenkpressen)制备新制(grün)的成型体。粘结剂含量较高，计大约30重量％。接着，在气热圆炉或油热圆炉里于气封条件下进行的烧成过程中，通过焦化粘结剂生成了固体产品，所谓的硬燃烧炭(Hartbrandkohle)。用焦炭粉(Kokspulver)包覆该新制的炭成型体从而防止在圆炉里被烧损。焦化之后，对炭成型体进行最多达3100℃的温度处理。

这个过程发生在大型的电阻加热的石墨炉里，其中，具有焦炭粗粒(Koksgrieβ)包覆层的用料(Einsatzgut)用作加热电阻。

石墨化通过在长度长至30m的长炉中发生短路而进行。该炉的电流消耗最多达80000安培。在石油焦或沥青焦中焦化形成的直径约0.5nm的石墨晶体(初级热解))在该石墨化过程中生长至约60nm。在粘结剂焦化时形成的焦炭桥称作二次热解石墨化是物理结晶过程。石墨化程度主要取决于温度、焦炭的可石墨化性和初级与二次形成的焦炭的比例。

测量显示，在优化所述的参数时，初级焦炭和二次焦炭的石墨化程度随着温度的提高而提高，但是达不到天然石墨的石墨化程度。