核工程中的石墨和炭素
1石墨生产的相关技术
1石墨生产的相关技术：中国基本上都是采用浮选方法进行选矿石墨选矿与加工(一) 石墨选矿加工方法1.晶质石墨的选矿加工方法晶质石墨天然可浮性较好，在中国基本上都是采用浮选方法进行选矿。
由于石墨鳞片的大小是其最重要的质量指标之一，因此在选别方法上采用多段磨矿、多次选别的工艺以便尽早选出大鳞片石墨。
浮选常用捕收剂为煤油、柴油等，起泡剂为二号油、四号油等，调整剂为石灰、碳酸钠，抑制剂为水玻璃。
2.隐晶质石墨选矿加工方法隐晶质石墨晶体极小，故也叫微晶石墨，石墨颗粒常常嵌布在粘土中，分离很困难。
由于原矿品位高(一般含碳60%～80%)，因此许多石墨矿山将采出的矿石直接进行粉碎加工，出售石墨粉产品。
湖南鲁塘石墨矿曾于50年代建立浮选厂浮选微晶石墨，但因成本太高而停产。
目前一些单位仍在进行微晶石墨浮选新工艺(如油团聚浮选等)的研究。
3.石墨产品的提纯加工现代工业对石墨产品要求向两方面发展：一是要求晶体大鳞片达到高纯，二是要求石墨产品颗粒达到超微细(如小于1μm或0.5μm)。
中国已在南墅、北墅、柳毛、兴和等石墨选厂建立了石墨提纯和微细粉加工生产线，提纯方法主要是化学提纯。
石墨化学提纯最成熟的工艺是利用苛性碱与石墨在700℃下熔融后，经洗涤到中性，再加盐酸处理、洗涤，使石墨含碳量达到98%～99%。
也有厂家采用氢氟酸处理生产高纯石墨。
(二) 工艺流程1.晶质石墨选矿流程由于石墨矿石的硬度一般为中硬或中硬偏软，品位一般在2%～10%之间，破碎流程比较简单，常采用三段开路、两段开路或一段破碎流程。
以加工风化矿为主的中小矿山，则不经破碎而直接送入球磨。
浮选工艺流程一般为多段磨矿、多段选别、中矿顺序(或集中)返回的闭路流程。
多段流程有三种形式，即精矿再磨、中矿再磨和尾矿再磨。
晶质石墨多采用精矿再磨流程，正常情况下选矿作业回收率可达80%左右。
有些矿山也曾尝试中矿再磨流程，但效果不明显。
个别小厂也有采用开路或半开路浮选流程，因丢弃尾矿点过多。
新型碳材料
新型碳材料一．碳材料基础碳作为生命组织的基本组成之一存在于所有有机材料和所有碳基高分子中。
纯的碳很早以前就是重要的无机材料之一。
碳有4种同素异形体：石墨、金刚石、富勒烯、卡宾碳，它们各有各自不同的特点及应用，总的来说它们几乎涵盖所有科学家及工程师所需要的特点。
例如：石墨是最软的材料之一（显微硬度1GPa），通常用来作为固体润滑剂；金刚石是最硬的材料（显微硬度100GPa），通常作为切割工具；碳纳米管拥有与铜或硅相媲美的导电性。
传统碳材料(Classic Carbons) •木炭，竹炭(Charcoals)•活性炭(Activated carbons) •炭黑(Carbon blacks)•焦炭(Coke)•天然石墨（Natural graphite）•石墨电极，炭刷•炭棒，铅笔新型碳材料(New Carbons) •金刚石(Diamond)•炭纤维(carbon fibers)•石墨层间化合物(Graphite Intercalation compounds)•柔性石墨(Flexible graphite) •核石墨（Nuclear graphite）•储能用炭材料•玻璃炭（Glass-like carbons）其中新型碳材料包含纳米碳材料：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯。
二．新型碳材料1.金刚石2.碳纤维导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X 射线透过性好。
但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。
因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。
3.石墨层间化合物石墨层间化合物（GIC）是通式为XCy的化合物，它是由金属原子插入在石墨层间形成的。
这种化合物导电性通常比石墨要强。
若插入原子与石墨形成共价键，则导电性降低，这是由于共轭sp系统破坏造成的。
石墨层间化合物通常具有超导性能。
核工程中的石墨和炭素材料_第五讲_
核工程中的石墨和炭素材料(第五讲)徐世江(清华大学核能技术设计研究院,北京102201)GRAPHITE AN D CARBONACEOUS MATERIALIN NUCL EAR ENGINEEFINGXU Shi 2jiang(Institute of Nuclear Energy Technology ,Tsinghua University ,Beijing 102202,China )5 石墨的辐照损伤(二)511 石墨的潜能影响石墨潜能积聚的主要因素是辐照剂量和辐照温度。
图1是石墨潜能与辐照剂量及辐照温度的关系[1]。
从图1可以看出:随着辐照剂量的增加,潜能增加并趋向饱和;随着辐照温度的增加,潜能积累的速度降低,潜能饱和值减小,达到饱和值的辐照剂量增加。
从第4讲中我们知道,裂变中子在慢化成热中子的过程中,平均每个中子约产生20000个离位原子。
辐照温度越低,原子的活动能力越差,离位原子大部分形成间隙原子———空位对型缺陷,这种缺陷的能量为10eV/对,中子的能量大部分以间隙原子图1 石墨的潜能与辐照剂量和辐照温度的关系———空位对缺陷能的形式固定在石墨中。
实际上即使在极低温度下辐照,由于中子和击出原子在其行程的末端形成的离位峰和热峰的作用,有相当部分间隙原子和空位会复合,从而降低缺陷密度和潜能。
随着温度的增加,原子活动性增加,间隙原子与空位复合的几率增加;间隙原子扩散聚集成原子簇;间隙原子扩散到晶界等缺陷等过程,降低了缺陷的密度和单位离位原子的能量,从而降低了潜能积聚速度和饱和值(温度足够高时空位也会发生间隙原子相应的过程)。
图2 CSF 石墨、炭黑和树脂炭辐照到530MWd/At后加热到600℃时释出的潜能 2000年第5期总第110期 CARB ON TECHNIQUES 炭 素 技 术 2000№5SUM110从第4讲中我们也知道,高度辐照后的石墨的有序结构被破坏和石墨中非晶质辐照时收缩(有序化程度增加)的事实,人们不难想象,辐照时潜能的积聚也受石墨组分石墨化程度的影响。
核反应堆中石墨的作用
核反应堆中石墨的作用
一、前言
核反应堆是将核能转化为电能的设备，其中石墨作为反应堆中的重要
材料之一，扮演着重要的角色。
本文将详细介绍石墨在核反应堆中的
作用。
二、石墨的特性
石墨是一种碳素材料，具有良好的导电性和导热性。
此外，石墨还具
有高强度、高温稳定性和较低的中子吸收截面等特点。
三、石墨在核反应堆中的作用
1. 作为反应堆中的结构材料
在核反应堆中，石墨主要用于制造反应堆芯和反应堆壳体等结构部件。
由于其高强度和较低的中子吸收截面，使得其成为理想的结构材料。
2. 作为减慢剂
在核反应过程中，快速中子会与原子核相撞并释放出大量能量。
为了
让这些快速中子被更多地吸收并产生裂变，需要使用减慢剂来减缓它
们的速度。
而石墨正是一种常用的减慢剂。
3. 作为反应堆中的冷却剂
核反应堆中产生的热量需要及时散发，否则会导致反应堆温度过高而
引起事故。
因此，反应堆中需要使用冷却剂来吸收和带走这些热量。
而石墨也可以作为一种冷却剂使用。
4. 作为反应堆中的辐射屏蔽材料
核反应过程会产生大量的辐射，对人体和设备都有很大的危害。
因此，在核反应堆周围需要设置辐射屏蔽材料来保护人员和设备。
而石墨也
可以作为一种辐射屏蔽材料使用。
四、结语
总之，石墨在核反应堆中具有多种重要的作用，包括结构材料、减慢剂、冷却剂和辐射屏蔽材料等。
其优良的特性使得其成为理想的核能
材料之一。
热解炭
热解炭(石墨) (pyrolyticcarbon(graphite))碳氢化合物气体在热固体表面上发生热分解并在该固体表面上沉积的炭素材料，它不是真正的石墨而是炭素材料，一般说高于1800℃沉积的炭称为热解石墨，低于此温度的为热解炭。
早在1880年Sawyer等用碳氢化合物气体在灯丝上首次获得热解石墨。
20世纪40年代末至50年代初Brown等用直接通电法得到了小片热解石墨，测定了炭的一些性能，从而引起广泛的注意和兴趣。
在1960年前后美国已能制取尺寸较大和异形的部件，用于宇航领域。
流化床热解炭是颗粒状基体，在碳氢化合物及惰性载气的吹动下，在反应器内上下不断翻滚，碳氢化合物热解而沉积在颗粒表面的炭。
用于高温气冷反应堆核燃料颗粒涂层。
1957年，Huddle首先进行研究，到1962年美、英、德开始建立以热解炭包覆核燃料颗粒的实验性高温气冷反应堆。
1962年中国科学院金属研究所开始研究热解石墨的制取、性能及应用。
并先后在兰州炭素厂、上海炭素厂、抚顺炭素厂建立生产基地，并在20世纪70年代成功地应用于导弹、电子管栅极及人造心脏瓣膜，并已批量生产。
热解炭(石墨)的制造原料气态或液态的碳氢化合物。
如甲烷、乙炔、丙烷、天然气、苯、甲苯等，均可用作沉积炭的原料。
载气或稀释气体有氮、氩等惰性气体。
基体为难熔金属及其化合物，人造石墨，通常使用后者。
工艺参数沉积温度：1750～2250℃，炉膛压力：0.67～67hPa，气体流量：根据沉积炉之大小，经实验而定。
上述沉积温度，炉膛压力及气体流量，对产品的质量有决定性影响，必须严格保持在下列波动范围内即压力±0.6hPa，流量±5％，温度±20℃。
沉积速度取决于上述工艺参数。
温度高，炉压大，流量多，沉积速度快，具体参数要根据沉积炉大小，经实验而定。
加热方式可分为直接加热法和间接加热法。
直接加热法基体本身通电产生高温。
此法适宜于沉积体较薄，形状简单而体积较小的部件。
2024年核级石墨市场发展现状
2024年核级石墨市场发展现状引言核级石墨是一种高纯度的石墨材料，广泛应用于核工业中的石墨反应堆。
随着核能的发展和应用范围的扩大，核级石墨市场也日益增长。
本文将对核级石墨市场的发展现状进行分析。
1. 核级石墨的定义和特性核级石墨是一种具有高度结晶性和高温稳定性的石墨材料，其碳含量通常在99%以上。
它具有优良的导热性、机械性能和化学稳定性，适用于高温和辐射环境下的应用。
2. 核级石墨市场规模目前，核级石墨市场规模已经达到了数十亿元人民币。
随着核能行业的快速发展，核级石墨市场有望进一步扩大。
3. 核级石墨市场主要应用领域核级石墨主要应用于核工业中的石墨反应堆。
石墨反应堆是一种重要的核能装置，用于核能发电、核燃料再处理等领域。
核级石墨在石墨反应堆中用于制造燃料元件、堆芯支撑结构等部件。
4. 核级石墨市场发展动态4.1 核电产业的快速发展随着全球对清洁能源的需求增加，核能作为一种高效稳定的能源形式得到了广泛应用。
核级石墨市场也随之受益，因为核级石墨是核能装置的重要材料。
4.2 技术进步带动市场需求随着科技的进步，核级石墨的制备工艺和性能得到不断改进。
传统的石墨反应堆对核级石墨的需求量大，而新型的核能装置对核级石墨的品质和性能要求更高，这促使了核级石墨市场的发展。
4.3 国际市场竞争加剧随着核能行业的快速发展，国际上多个国家开始增加核电装机容量，并投入大量资源开发核级石墨市场。
国际市场竞争的加剧对中国核级石墨产业提出了更高的要求和挑战。
5. 核级石墨市场面临的问题5.1 供给压力目前，核级石墨市场供不应求的状况比较严重，供给压力较大。
这主要是由于核级石墨制备技术和设备的瓶颈所致。
5.2 技术壁垒核级石墨的制备工艺比较复杂，技术要求高。
目前，核级石墨制备技术仍然掌握在少数企业手中，形成了技术壁垒。
6. 核级石墨市场发展趋势6.1 技术创新驱动随着科技的不断进步，核级石墨的制备工艺和性能将会有所改进，这将推动核级石墨市场的发展。
碳科技：造就未来新材料明星
太空电梯概念。简单来说 ，太空电梯
就是一条从地 球表面 延伸 至太空 的长
２ 中国石油和化工 ２ ｌ 。 １ ４ｌ Ｏｌ １
子 元 器 件 的 天 下 ，集 成 电路 更 是 信 息 时代 名 副其 实 的 “ 心 ” 核 。但 随着 集 成 度 越 来 越 高 ， 晶体 管 的 体 积 面
想 的光 电二 极 管 。
墨在捕集核废料、 吸收核放射粒子等 方面具有极大应用潜力， 是核电站不
折 不扣 的 “ 安全 卫士 ” 。
石墨烯晶体管和碳纳米 管在替
代硅方 面 的应用 ， 或许有 朝一 日能让
临物理极限 ，内部 金属导线也难以 承受更高频率 的信号传送 ，传统硅 集成 电路发展遭遇瓶颈。未来出路 在哪里呢？ Ｉ Ｍ 的一项研究为人们 Ｂ
代。 作为新材料的中坚力量 ， 碳材料 在未来将有哪些优异表现？能否成 为新材料领域里的尖端部队？从科 学家们对 以碳纳米管 、石墨烯为代 表的碳 纳米材料和以核石墨为代表 的新型碳材料 的未来畅想 中，人们 看到了激动人心的前景 。
太空 电梯如果 能成为未来到达 外层太空的运输系统 ，科学 家面临 的首要 问题就是 电缆材质 的选择 。 该 电缆必须重量超轻 、 强度超高， 可 以承受地球大气层 内外所有 发射体 的撞击 。 日本太 空电梯协会会长大 野修一介绍 ， 经过研究， 科学家们已 开发 了一种 叫作碳纳米管 的纤维 ， 可达到所需强度的四分之一 ，这是 已知最接近标准强度 的物质 。 与此同时， 英国Ｎ ｎ ｃｍｐ ａ ｏ ｏ 技术 公司 日前制造出了世界最大 的碳纳
工技术领域起步较晚 ，但由于在研 究初期科研 单位就积极与产业界开
展 合 作 ，加 速 了我 国微 化 工技 术 的
石墨在核能领域的应用
石墨在核能领域的应用
石墨是一种由碳元素组成的矿物，具有高温耐性和强度，因此在核能领域有着广泛的应用。
本文将从石墨的物理特性、核反应堆中的应用、以及安全性等方面来介绍石墨在核能领域的应用。
一、石墨的物理特性
石墨是一种具有多种物理特性的矿物，其中最重要的特性是其热导率和热容量。
石墨具有高热导率和低热扩散系数，因此能够在高温条件下保持其强度和稳定性。
此外，石墨还具有高强度和高抗腐蚀性，这些特性使其成为核能领域中不可或缺的材料。
二、核反应堆中的应用
核反应堆是利用核反应产生能量的设备，石墨在核反应堆中有着广泛的应用。
首先，石墨被用作反应堆堆芯的包覆材料，起到隔绝和保护反应堆的作用。
其次，石墨还被用作反应堆的调制材料，可以调节中子通量分布，提高反应堆的效率和稳定性。
此外，石墨还被用作反应堆的热交换器材料，优化反应堆的热力学性能。
三、石墨在核能领域的安全性
石墨在核能领域中的应用与核能的安全性息息相关。
石墨的高温耐性和强度使其能够承受核反应堆中的高温和辐射，因此在核反应堆中的应用是安全的。
但是，石墨在长时间的高温和辐射下可能会发生氧化和膨胀，导致反应堆的性能下降。
因此，石墨的质量和稳定
性对于核反应堆的安全性至关重要。
石墨在核能领域中有着广泛的应用，其物理特性和安全性使其成为核反应堆中不可或缺的材料。
在未来，随着核能技术的不断发展，石墨在核能领域中的应用将会得到进一步的发展和完善。
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➢ 4.2 辐照对石墨结构的影响
研究结果表明：辐照使石墨X射线衍射峰的强度位置 和宽度发生变化，图3是这种变化的一个例子。从图上可 以看出，高度辐照的石墨的衍射图形类似于石墨化程度很 低的炭的图形。辐照破坏了石墨晶体的有序结构，这是由 于离位原子进入石墨晶体层间形成间隙原子，间隙原子可 以通过扩散聚集成间隙原子簇，两者都使层间距变大。
➢ 4.1.3 核石墨和中子散射
从第三讲中我们知道中子在慢化剂介质中运动时会和 慢化剂原子核发生碰撞，把其所携带的能量的一部分传递 给靶核，直到达到与介质原子热平衡为止。中子散射根据 其作用机制分散弹性散射和非弹性散射两种。后者是靶核 与中子相互作用，靶核吸收中子，形成激发复合核，复合 核旋即释放出一个能量比原中子低的中子，并放出一个 γ-光子，回到稳态。对于中等质量数或高质量数的原子 ， 最低的活化能，即靶核的最低激发态通常在约0.1-1 MeV， 因此只有能量大于最低激发能的中子才能发生非弹性散射。
➢ 4.1.2中子与物质的相互作用
中子与物质的相互作用主要有：裂变反应；辐射俘获 （吸收中子后复合核被激发，处于高能态，放射出 γ- ， 回到低能态，变成质量数比原来的原子大1的同位素）； 核嬗变（原子与中子相互作用后，放出α- 、β-或正电 子，元素本身也变成别的元素）和散射，对于核石墨来说， 我们感兴趣的是散射。
第四讲 核工程中的 4.1 石墨辐照损伤概述 ➢ 4.1.1 核反应堆材料的辐照负荷
反应堆中核裂变产生的核辐射及其与物质的相互作用 见图1。从图上可以看出，核辐射和物质的相互作用很复 杂，这些作用在材料中引起各种物理化学过程，使材料的 性质发生变化，即辐照损伤。核反应堆材料，特别是堆芯 材料在强辐照场中工作，除承受与其他动力工程材料相应 的负荷外还承受辐照负荷。在某种意义上来说，核材料的 研究和发展，就是耐辐照损伤材料的研究发展，即在常规 动力工程材料研究和发展的基础上，加上耐辐照损伤的因 素。当然核纯也是核材料的另一个特殊要求，但这和高纯 材料的制备没有什么本质上的差别，只是对某些高吸收截 面元素要求苛刻一些。
➢ 4.1.4 离位原子与介质的相互作用
由中子碰撞产生的离位原子称之为一次击出原 子。一
次击出原子通常都处于电离状态，当它在介质（通常是自 身介质）中运动时，其能量通过电子激发和碰撞两种形式 释放而降低。当一次击出原子和介质的晶格原子碰撞时， 如果传递的能量足够大，它也可以造成晶格原子离位，产 生二次击出原子和空位。碰撞后的一次击出原子和新产生 的二次击出原子的能量足够大时，它们还会产生二次击出 原子和三次击出原子，直至其能量不足以击出与其碰撞的 原子为止，即一次击出原子在介质中产生级联碰撞。级联 碰撞能量传递关系和碰撞次数的计算原理与中子引起的相 应计算相似，这里不再赘述。
➢ 4.1.5 石墨的辐照损伤
慢化剂石墨和反射层石墨在反应堆强中子场中工作， 接受的中子注量可高达 3x1022/cm2，每个裂变中子在其慢 化成热中子的过程中可引起约 (20 000个原子离位) 。这 样密度为1.7g/cm3) 的石墨中，每个原子在其寿期内可发 生离位几十次。离位原子和空位的命运有3种：彼此复合、 聚集成缺陷或扩散到现存缺陷中。空位与缺陷复合对材料 的结构和性质不发生影响，后两种都改变材料的结构和性 质，造成辐照损伤。辐照损伤的程度决定于形成缺陷的类 型、密度及其分布。而缺陷类型、密度及其分布则取决于 接受的中子注量、注量率和能谱，辐照温度和材料本身的 结构特性。
中子与介质中的原子核发生弹性散射时，把其携带的 能量的一部分传递给靶核，系统的动能和动量守恒，就像 两个刚性球相互碰撞。碰撞前后的速度和能量关系，可以 用传统的经典力学来处理。如前所述，中子碰撞前后的能 量关系为：
每次碰撞的平均对数能量变化ξ为：
式中A——— 介质原子的质量数。
当传递的能量大于介质原子在其结晶节点上的离位能 量（通常为25eV）时，受碰撞的原子会被击出其平衡位 置，产生空位和间隙原子。经弹性散射后的中子仍具有足 够的能量时，它继续与介质原子发生碰撞，并相应地产生 空位和间隙原子，直到其能量降低到每次碰撞传递的能量 小于介质原子的离位能为止。
➢ 裂变中子慢化到热中 子的整个过程可以用图2 形象地描述。中子和一次 击出原子与介质原子碰撞 的距离随其能量的降低而 缩短，在碰撞的末端，离 位原子之间的距离非常短， 在介质材料中形成离位原 子高度密集的区域，称之 为离位峰，材料的晶体结 构被严重地破坏。低于激 出阈能的中子和击出原子 与介质晶格原子的碰撞距 离比离位碰撞更短，它们 通过碰撞，把所携带的能 量迅速地传递给晶格原子， 使其热运动加剧，温度升 高，形成热峰。
（a）中Ⅰ为未辐照石墨的 衍射图；Ⅱ-Ⅵ为随辐照剂
量增加，c膨胀到不同百分 数时的衍射图；图上的箭 头是未辐照石墨（004） 和（006）峰的位置；(b) 为辐照对（002 ）衍射峰 的影响（辐照温度为
300℃）。
➢ 4.3 辐照引起的石墨宏观尺寸变化
石墨材料由骨料和粘结剂组成，这些材料的可石墨化 程度不同，尽管石墨材料的组分在热处理时经历相同的工 艺条件，石墨制品中仍然存在不同石墨化程度的组分。这 些组分的含量及其分布，决定了石墨制品辐照时的宏观尺 寸变化。
尽管堆芯材料经受辐射作
用的种类很多，但从反应堆工 程结构观点来看，只有裂变中 子或快中子的散射对材料的性 能产生显著的影响，因为裂变 碎片虽然带有巨大的能量（比 快中子大几十倍），但它的质 量数大且处于高度电离状态， 它在介质中的射程非常短，通 常只对核燃料及直接与核燃料 接触的材料发生损伤作用。γ射线和 β- 粒子主要对半导体 材料和绝缘材料产生破坏作用。 所以在堆芯结构材料和慢化剂 中，只需考虑中子引起的辐照 损伤。