用于高温气冷堆的陶瓷材料.pdf

第二期新型碳材料

用于高温气冷堆的陶瓷材料

R苏尔顿(德)

摘要工作温度达1000℃的核反应堆只有通过应用陶瓷材料才能实现，陶瓷材料的应用使高
温堆的发展成为可能。最重要的材料是石墨，它以不同种类和形式应用于高温堆。作为被覆材料，
碳化硅也起重要作用。由于陶瓷材料的应用而得到的高温，将扩大核技术的应用领域，即不仅用
于发电，也用于各种工艺供热。反应堆陶瓷部件的设计必须推用新的准则。陶瓷材料的应用在
高温堆燃料元件的发展中特别富有成果，它在很高的事故温度下，仍然保持很高的滞留裂变产
物的能力。燃料颗粒的燃耗可达，乃至高于1O0oooMWd／t，这也是十分有意义的．从中子物
理角度看，陶瓷材料的应用要求反应堆的功率密度低，堆芯体积大，但这对反应堆事故条件是有
利的。未来反应堆的发展，应扩大碳化硅的应用。
山于应用了陶瓷材料，高温堆在中子物理，动力学行为，应用领域和安全概念等方面，和
其他反应堆都有重大差别。

应用陶瓷材料时，人们考虑到这种材料

一的脆性。因此，在联邦德国，燃料元件选用
一、高向温堆简介夕r_
了球形结构(图1略)。球形燃料元件之块
高温堆发展的基本目标是使冷却剂出口状和棒状燃料元件具有一个额外的优点，即
温度达到700～1000oc，并在这一温区利用它可以在反应堆运行过程巾连续更换。山此
核能，由于高温，一方面可以大大地提高核而来的直接后果是反应堆所需要的后备反应
电站的效率，另一方面可以实现核能在非电性小，反应堆内只需保持反应堆正常运行所
力生产领域的应用。高温要求反应堆应用陶需要的燃料。此外，反应堆内的功率分布可
瓷材料。以通过向予定的堆芯区域添加燃料元件来连
对包括核性质在内的材料性质的全面分续地加以控制。因此得到比较均匀的功率和
析表明，已知反应堆材料中，只有石墨和氧温度的径向分布。
化铍适用于高温堆。经过于利希核研究中心
多年工作后发现，氧化铍既昂贵，辐照稳定二
、高温堆和新技术
性也不好。应当被排除在高温堆材料之外。
因此，石墨成为高温堆主要材料。石墨优良的为提高效率而获得高温的奋斗目标是达
核性能基于碳原子的质量数低，中子慢化能到或超过常规电站的效率，节约燃料，同时
力好，中子俘获截面小。使用石墨时，冷却降低装置的成本。
剂应对它没有腐蚀作用。在所有可能供应的在核动力装置中实现高温的可能性，如
气体rfJ(包括l不11二氧化碳相比)，氦气是最：于利希的AVR堆所成功地显示的那样，为
好的冷却剂。它的流体力学的性能特别有核能在其他领域应用的巨大潜力打开了道
利．路。化石能源材料的获得和转化工艺需要高

新型碳材料第二期

品质热能，高温堆技术可提供这种热能．从沉积层的形式把燃料颗粒包封起来，从而把
长远观点看，为了降低大气中的氧化碳质放射性裂变产物，密封、滞留在颗粒内部。
量，迫切地希望在这种工艺qI，不仅电力生对这三种不同石墨的研究和制造，进行了广
产，而且在非电领域里也利用核能。泛的、不同的工作。研究不同的碳素材料因
朱来石油，特别是稠油开采，通过注核块中子辐射照引起的尺寸变化具有特别重要
蒸汽采和核热进一步加工处理，是改善环境的意义。其他性质，如热膨胀，蠕变行为和
和油资源利用的非常有前途的措施。【}1于中子辐照引起的内应力也进行了研究．
利用高温堆的热能把煤和天然气转化成这些内负荷，以及叠加的外负荷，使得石墨在
质的清洁燃料时，CO。的排放量较迄今反应堆运行条件下的行为复杂化。己发展出
所使用的办法要减少一半。未来氢技术可以石墨构件的设计和计算方法，这些方法完全
从高温找到经济的、和环境相容的基础。不同于金属材料，而更类似于陶瓷材料的设
核反堆t}1的高温，使燃气轮机和蒸汽透计计算。：芷所有作用于石墨的载荷巾，内应

l、联合生产电力成为可能。高温对将来热能力心f{l此引起的蠕变具有重要的意义。相形
远距离输送也具有重要的意义．之下，外部机械负荷的重要性较低．H前，
这些目标的实现基于陶瓷材料的应J}j，设计工作者都知道应当怎样考虑石墨的长期
I为。住反应堆ii：及相关部件里的应尺寸变化，如反射层石墨的尺寸变化．1{I子
川，才能使所需要的高温得以实现。的动制作用仅发生在直接环绕周围1o一15厘
米厚的反射层内，并在这一区域内因辐照损
高温堆用石墨材料伤引起内应力，石墨眨射层的其他部份，并
不受这一应力的作用．为了消除由于尺寸变
墨是高温堆的基本材料(1·z】．它刚化引起的应力的损伤作用，可以采取特殊的
不同的C艺制造，为了不同的目的，以不同予防措施，如不使在反射层内发生裂变，减
的形式应用于反应堆中。首先，_伍燃料元件小石墨块的尺寸，以及在石墨块向着堆芯的
r}1作为慢化剂和燃料颗粒的裁体，这种石墨面上切出沟槽等．
纯l800℃下制得；其次，作为环境反应堆芯
的【}I子