【原创】揭开核石墨的“神秘面纱”

中国粉体网讯 高温气冷堆（HTR）是第四代核能系统重点发展的６种堆型之一，亦是其中最具发展潜力的优选堆型，主要特点为冷却剂出口温度高（可达900～1000℃）、固有安全性好。冷却剂出口温度高可以大幅提升核能发电效率，产生的高温蒸汽还可用于化工、冶金、热电联产等，并且有望实现大规模绿色高温制氢。

气冷反应堆内景模型

图源：华能石岛湾核电公司

1、耐高温球形燃料元件

燃料元件是HTR的能量源泉，通过其中的包覆燃料颗粒发生核裂变释放出的巨大能量供能。燃料元件按照形状可分为柱状燃料元件和球形燃料元件，但都由基体石墨和包覆燃料颗粒组成。

球形燃料元件结构示意图

基体石墨占球形燃料元件体积的90%以上，以64%天然石墨粉、16%人造石墨粉和20%酚醛树脂为原材料，经过混捏、挤条、干燥、粉碎等工艺制得基体石墨粉，再经过压制、炭化和纯化等热处理工艺后，制得基体石墨及球形燃料元件。基体石墨经过热处理后由于酚醛树脂炭化，其组成也发生变化，由约71%天然石墨粉、18%人造石墨粉和11%酚醛树脂炭组成。

核燃料被耐高温材料层层包裹，这套“盔甲”最高可承受1620℃的高温，而反应堆在任何事故下，堆芯内部的最高温度都不会高于1620℃，因此能保证包覆燃料颗粒的完整性不受影响，可有效防止放射性物质外泄。

一种高温/超高温气冷堆燃料元件用基体石墨粉及其制备方法

2、球形燃料元件中基体石墨的作用

结构支撑作用。基体石墨作为包覆燃料颗粒的载体，使其均匀弥散在其中。基体石墨还赋予燃料元件足够的机械强度，使燃料元件能有效承受施加的负荷，保证在堆芯中安全循环。

中子慢化作用。核裂变反应产生的快中子与碳原子发生碰撞后，被慢化为热中子，继续引发链式反应。

导热作用。核裂变产生的热能需要通过基体石墨及时向外传导给氦冷却剂，良好的导热性能可以保障热能充分利用。

3、球形燃料元件用石墨粉特性

（1）颗粒形貌

颗粒形貌对粉体工艺特性如松装密度、粉体流动性和压制性能等均会产生影响。

（2）粒度及粒度分布

天然石墨和人造石墨粉的粒度及粒度分布深刻影响球形燃料元件的体积密度、电阻率和机械强度等性能。

（3）比表面积

比表面积受到颗粒形貌、粒径和孔隙结构等因素的影响。石墨粉的比表面积会影响球形燃料元件压制、热处理过程中的尺寸收缩，同时也对球形燃料元件的应用性能如耐磨性、抗氧化腐蚀性能产生影响。HTR-PM球形燃料元件用天然石墨粉的比表面积要求为4～8m²/g，人造石墨粉的比表面积为1～2m²/g。

（4）导热性能

热导率可用于表征材料的导热性能，也是衡量石墨材料抗热震性能的重要参数。导热性能会对基体石墨的温度和温度分布产生影响，同时还会影响核裂变能的导出效率。导热性能与石墨的提纯温度、密度、晶粒结构等因素有关。

HP-PM球形燃料元件用天然石墨粉和人造石墨粉技术指标

（5）杂质元素

高温气冷堆基体石墨对纯度要求较高，需达到核纯级别，核纯是指除了石墨粉的纯度要达到高纯（固定碳含量大于等于99.90%），中子吸收截面较大和核反应过程中产生“核反应毒物”的元素含量也要严格控制。此类元素有Li、B、Cd、Sm、Eu、Gd、Dy、Cl、Rh、Co、Ag、In、Hg等。

球形燃料元件用天然石墨粉和人造石墨粉的杂质元素

4、球形燃料元件中石墨应用案例

目前我国已建成的10MW高温气冷堆实验堆（HTR-10）和高温气冷堆示范工程（HTR-PM）均采用球形燃料元件。球形燃料元件按照结构可分为直径50mm的燃料区（芯球）和厚度5mm的无燃料区（外壳），按照组成可分为基体石墨和包覆燃料颗粒（均匀弥散于50mm燃料区内）。燃料元件用基体石墨由约71wt%核级天然石墨粉、18wt%核级人造石墨粉和11wt%酚醛树脂炭组成。基体石墨在球形燃料元件中无论是体积还是质量，占比均在95%以上，深刻决定着球形燃料元件的热力学性能、抗氧化和耐磨性等堆内服役性能。

华能石岛湾高温气冷堆核电站示范工程厂区

2023年12月6日，国家重大科技专项标志性成果、全球首座第四代核电站——山东荣成石岛湾高温气冷堆核电站商业示范工程圆满完成168小时连续运行考验，正式投入商业运行，标志着中国在第四代核电技术研发和应用领域达到世界领先水平。

华能石岛湾核电公司球形燃料元件产品

超高温气冷堆不仅固有安全性好，发电效率更高，其堆芯出口温度也将进一步提高，预计将达到750～950℃。更高的堆芯出口温度及运行温度对基体石墨的综合性能提出了更高要求，尤其是导热性、热膨胀性和耐磨性等。

参考文献

童曦,高温气冷堆球形燃料元件用核级石墨粉的特性、微观结构及制备,清华大学

冯欲晓,高温气冷堆燃料元件用天然石墨粉体制备研究,内蒙古金彩矿业有限公司

兰天宝，高温堆石墨反射层在高温及辐照下应力响应的分析与数值研究,中国核电工程有限公司

专利之星

(中国粉体网编辑整理/昧光)

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