核工程中的石墨和炭素材料_第一讲_
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第一讲 核工程中的石墨和炭素
➢ 1.5 炭素材料在高温气冷堆中的应用 ➢ 1.5.1 高温气冷堆包覆燃料颗粒
核安全是核能发展的前提,核安全问题主要源于核裂变 产生的放射性裂变产物,特别是气态放射性裂变产物.解决 放射性裂变产物释放的途径是把它们约束在其产生的地方, 或引出反应堆外,用适当的办法加以收集约束.高温气冷堆 发展初期的构思是把它们引出堆芯(如龙堆)或用双层密封 壳把反应堆密封起来(如AVR堆).前者需要使用细长的不渗 石墨管,制造这种石墨管技术难度大,可靠性差,后者需要很 大的投资,且只能降低放射性裂变产物事故释放的几率,不 能排除放射性裂变产物释放.
在生产堆中,也发现石墨因辐照而膨胀的现象,因此在 反应堆堆芯结构设计中,必须予以必要的考虑.
➢ 1.3.2 高温气冷堆用石墨
商用核电站的另一技术路线是水慢化和冷却反应堆.在 这两种反应堆堆型的竞争中,气冷堆败北,但在气冷堆基础 上研究和发展出来的高温气冷堆,却展现出诱人的发展前 景.高温气冷堆采用石墨堆芯结构材料;全陶瓷燃料元件和 He冷却剂,独特的材料组合赋予这种堆以冷却剂出口温度 高(达1000℃),固有安全性好的特点.冷却剂出口温度高可 以大大地提高核能发电的效率(由于水的临界点的限制,水 冷反应堆核电站的发电效率只能达到33%左右,蒸汽循环 高温气冷堆的发电效率在40%左右,He透平直接循环的发 电效率可以达到50%左右).
➢ 制造原子弹的核炸药有两种:一种是铀的易裂变同位素 铀-235,另一种是钚-239,铀-235在天然铀中含量只有 0.71%,为了作为核炸药使用,必须把它与占天然铀约98.2% 的不易裂变同位素铀-238分开.因为同位素的化学性质相 同,不能用化学的办法使之分离,只能利用它们之间的微小 质量差别,用物理的办法把它们分离开,这在技术上是十分 困难的.
人教版九年级化学上册 金刚石石墨C60第一课时PPT课件
现象：红色逐渐褪去
讲授新课
观察与思考 为什么木炭会具有吸附性呢？
显
微
镜
下
的
木
炭 的
疏松多孔的结构
结
构
讲授新课
观察与思考 3. C60
每个C60分子是由60个碳原子构成的，结构类似足球，又名足 球烯，性质稳定，在材料科学、超导体方面有广阔的前景。
讲授新课
观察与思考
C70
碳纳米管
什么是富勒烯
碳单质家族的未来
练习 1.由同种元素组成的物质不可能是( )
A.单质 B.化合物 C.纯净物 D.混合物
2. 关于C60 的说法中正确的是（ ） A.它是一种新型的碳的化合物 B.它是一种新型的碳的单质 C.它是由碳原子直接构成的 D.它的相对分子质量是60
人教版九年级化学上册 6.1金刚石、石墨、C60第一课时( 共22张P PT)
6.虚构的加强使小说和传统故事之间 的区别 清晰起 来。小 说中的 故事可 以来自 想象， 不一定 是作者 的亲历 亲闻。 小说家 常闭门 构思， 作品大 多诞生 于他们 的离群 索居的 时候， 小说家 可以闲 坐在布 宜诺斯 艾利斯 的图书 馆中， 或者在 巴黎一 间终年 不见阳 光的阁 楼里， 杜撰他 们想象 中的历 险故事 。
讲授新课
交流与讨论
金刚石的物理性质和用途
ห้องสมุดไป่ตู้
物理性质
无色透明、正八面
金 体形状 刚
石
硬度大
用途 钻石饰品
玻璃刀 钻探机钻头
讲授新课
观察与思考 2.石墨 观察下列图片，想一想，你从中获得了哪些信息？
讲授新课
观察与思考
观察下列图片，想一想，你从中获得了哪些信息？
讲授新课
观察与思考 为什么木炭会具有吸附性呢？
显
微
镜
下
的
木
炭 的
疏松多孔的结构
结
构
讲授新课
观察与思考 3. C60
每个C60分子是由60个碳原子构成的，结构类似足球，又名足 球烯，性质稳定，在材料科学、超导体方面有广阔的前景。
讲授新课
观察与思考
C70
碳纳米管
什么是富勒烯
碳单质家族的未来
练习 1.由同种元素组成的物质不可能是( )
A.单质 B.化合物 C.纯净物 D.混合物
2. 关于C60 的说法中正确的是（ ） A.它是一种新型的碳的化合物 B.它是一种新型的碳的单质 C.它是由碳原子直接构成的 D.它的相对分子质量是60
人教版九年级化学上册 6.1金刚石、石墨、C60第一课时( 共22张P PT)
6.虚构的加强使小说和传统故事之间 的区别 清晰起 来。小 说中的 故事可 以来自 想象， 不一定 是作者 的亲历 亲闻。 小说家 常闭门 构思， 作品大 多诞生 于他们 的离群 索居的 时候， 小说家 可以闲 坐在布 宜诺斯 艾利斯 的图书 馆中， 或者在 巴黎一 间终年 不见阳 光的阁 楼里， 杜撰他 们想象 中的历 险故事 。
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金刚石的物理性质和用途
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物理性质
无色透明、正八面
金 体形状 刚
石
硬度大
用途 钻石饰品
玻璃刀 钻探机钻头
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观察与思考 2.石墨 观察下列图片，想一想，你从中获得了哪些信息？
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观察与思考
观察下列图片，想一想，你从中获得了哪些信息？
石墨碳素基本知识
关于碳和石墨材料简介前述：工业材料分为金属材料和非金属材料。
金属材料具有以下5个特点：1）：是结晶体2）：是电的良导体3）：是热的良导体4）：具有延展性5）：研磨后能全反射光线其中不能满足任何一个条件的就属于非金属材料石墨材料不具有上述第四点，因而属于非金属材料。
石墨材料是具有金属材料特性及陶瓷特性的一种特殊材料，是一种非常重要的工业材料。
石墨材料根据成型方法可分为：1）：各向异性石墨2）：各向同性石墨在这里主要阐述除制钢、电机用碳刷等各向异性石墨材料外，被广泛用于冶金、机械、电机、核能、电加工、半导体、及宇宙开发上的各向同性----等方性石墨的性质、制造方法和用途。
一: 碳、石墨及相关延伸产品：1: 碳* 碳是自然界分布最普遍的元素之一，也是构成地球上一切生命体最重要的元素。
以碳元素为主要构成的有机高分子材料，包括塑料、橡胶和纤维等，已发展成为材料学三个主要学科方向之一。
而以碳元素本身，通过不同结构、组合，也形成一个独特的无机非金属材料世界。
* 碳原子间不仅能够以sp3杂化轨道形成单键，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，因此，除了自然界存在多种同素异形体的碳材料外，科学家们通过实验还合成了许许多多结构和性质完全不同的碳材料，如人们熟悉的金刚石和石墨，以及近年来发现的卡宾（Carbyne）、C60为代表的富勒烯以及碳纳米粉体、管材、线材等。
这些新型碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光－全透光、绝缘体－半导体－高导体、绝热－良导热、高铁磁体、高临界温度的超导体等。
* 碳，大量存在于各种物体中，是一种具有多种多样性质的重要物质，也算是有机化合物，是生物体的基本组成成分，到目前为止，在已确认的超过100万以上的化合物中，90%以上都含有碳的成分。
* 碳在结晶构造上有2种同素异形体：1）：石墨(六方晶体)，2）：金刚石(正方晶体)，都用”C”来表示起原子符号。
核石墨材料的性能_类型_制备及其在核反应堆中的应用
制备及其在核反应堆中的应用
・ !"・
、低中子 异的抗热冲击性（!"#$%&’ (")*+ $#(,(!&-*#） （-#.!$)- &*!,/&!,)-） 活化性能 ， 炭材料是核反应堆重
12 3 要的慢化材料 0 11 ， 。高纯石墨是核反应堆用优异中
热膨胀系数低、 耐高温、 耐热冲击、 耐腐蚀、 吸振性 好、 高温下强度保持率高等优异性能 0 1< A >= 3 。在高温 气冷堆中用作热结构件。 复合材料在高温下，尤其是在 > BBB C 以上高 温时仍能保持室温强度，甚至比室温时还高，而且 在 > DBB A > =BB C 是其强度最高的区间 8 图 1 ; ， 这 0 1E ， 1= ，>D ， >F 3 是其他结构材料所无法比拟的 ， 这种性能 开辟了人类太空探索的新纪元，使得 1<21 年人类 首架航天飞机成功地进入太空。炭 ? 炭复合材料兼 具功能特性和结构特性， 在航空、 航天、 航海等领域 得到广泛应用。在高温核反应堆也有重要的应用前 景。 高温反应堆用炭 ? 炭复合材料热结构件需要炭 纤维编织技术、 化学气相沉积、 液相浸渍设备技术、 涂层、后期加工等。 通过增强体炭纤维、基体前驱 体、复合致密工艺等获得高性能的高温反应堆用
具有安全性好、 发电 )*+,*-.)/-* &.0 ( 1223*4 -*.1)2-） 效率高、 冷却剂出口温度高、 中子经济性好、 燃料循 环灵活等优点，成为公认的先进堆型
! 5 6 "" #
，有可能
成为我国偏远地区、东南沿海等能源紧缺区域的有
（A2B CDE75D57 ） 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 作者简介：传秀云 女 "EFG 年 "D 月出生，陕西人，汉族，教授博导，主要从事炭材料教学研究工作，?H+.%3：;I1’/.:J ,K/B *4/B 1:。 收稿日期： 5DDE ( DE ( "D
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、低中子 异的抗热冲击性（!"#$%&’ (")*+ $#(,(!&-*#） （-#.!$)- &*!,/&!,)-） 活化性能 ， 炭材料是核反应堆重
12 3 要的慢化材料 0 11 ， 。高纯石墨是核反应堆用优异中
热膨胀系数低、 耐高温、 耐热冲击、 耐腐蚀、 吸振性 好、 高温下强度保持率高等优异性能 0 1< A >= 3 。在高温 气冷堆中用作热结构件。 复合材料在高温下，尤其是在 > BBB C 以上高 温时仍能保持室温强度，甚至比室温时还高，而且 在 > DBB A > =BB C 是其强度最高的区间 8 图 1 ; ， 这 0 1E ， 1= ，>D ， >F 3 是其他结构材料所无法比拟的 ， 这种性能 开辟了人类太空探索的新纪元，使得 1<21 年人类 首架航天飞机成功地进入太空。炭 ? 炭复合材料兼 具功能特性和结构特性， 在航空、 航天、 航海等领域 得到广泛应用。在高温核反应堆也有重要的应用前 景。 高温反应堆用炭 ? 炭复合材料热结构件需要炭 纤维编织技术、 化学气相沉积、 液相浸渍设备技术、 涂层、后期加工等。 通过增强体炭纤维、基体前驱 体、复合致密工艺等获得高性能的高温反应堆用
具有安全性好、 发电 )*+,*-.)/-* &.0 ( 1223*4 -*.1)2-） 效率高、 冷却剂出口温度高、 中子经济性好、 燃料循 环灵活等优点，成为公认的先进堆型
! 5 6 "" #
，有可能
成为我国偏远地区、东南沿海等能源紧缺区域的有
（A2B CDE75D57 ） 基金项目： 国家自然科学基金资助项目 作者简介：传秀云 女 "EFG 年 "D 月出生，陕西人，汉族，教授博导，主要从事炭材料教学研究工作，?H+.%3：;I1’/.:J ,K/B *4/B 1:。 收稿日期： 5DDE ( DE ( "D
炭素工艺学――第一章炭和石墨材料PPT课件
1.1.2 炭素材料的结构性质
1.1.2.1 密度
真实密度反映炭素材料的石墨化度，比较精确的测定方法是采用X射线衍 射法测定其晶格常数a和c，然后按下式计算：
Dt
m• N v
Dt——真实密度，g/cm3；
m ——碳原子质量，1.65963×10-24g；
N ——单位晶格中碳原子数，N=4；
v ——单位晶格的体积容积，a2 sin60°•c， μm3
理想石墨结构 （a）六方晶系石墨；（b）斜方晶系石墨
两种堆叠方式的石墨结构
堆叠方式
晶系
键长
层间距
晶胞边长
晶胞高
AB AB ABC ABC
六方 斜方
1.4211 Å 1.4211 Å
3.3538 Å 3.3538 Å
2.4612 Å 2.4612 Å
6.7079 Å 6.7079 Å
斜方晶系石墨实际上是六方晶系由于晶体缺陷形成的，其在天然石墨 中占20%~30%，经3000 ℃处理后，转变为六方晶系石墨，故在人造石墨 中不存在。
几种常用炭素材料的全气孔
名称
全气孔率，%
名称
全气孔率，%
炭电极
17~25
过滤材料
17~25
石墨电极
22~30
浸渍结构材料
22~30
炭块
15~20
电炭材料
15~20
孔径分布及其分布 炭素材料中的气孔一般是不规则的，此时的孔径是指 与不规则气孔具有相同体积的球形气孔的直径。平均孔半径可有下式计算：
r 3 Pt SD v
弹性模量：表示材料所受应力与产生应变之间的关系，通常采用杨氏弹性模量。 石墨晶体、石墨晶须、热解石墨和高模量炭纤维的弹性模量比较高，而一
九年级化学上册 6.1《金刚石、石墨和C60》碳单质课件 (新版)新人教版
它们的
碳原子不排列同方，式 因此它们的
存在着物理差性质异。
2、金刚石是天然矿物中最 的物质，石墨可作电极，是因
为它具有优良的
性能硬。
3、木炭和活性炭导都电具有
的结构，所以它们相似的
性质是
。
疏松多孔
那么碳吸到附性底具有哪些化学性质呢？
钻石恒久远 一颗永流传
20世纪经典广告
1.为什么我国古代一些书法家、画家用墨（用炭黑等制 成）书写或绘制的字画能够保存很长时间而不变色呢？ 答：因为常温下，碳的化学性质不活泼。 2.为什么常温下的碳化学性质不活泼呢？ 答：因为碳原子最外层电子数是4，在化学反应中 不易得失电子。
石墨的用途
如果有一把长期不用 而生锈的锁，怎样 可以轻易打开？
4.把铅笔芯的粉末放到 锁孔里，因为铅笔芯的 成分中有石墨，石墨具 有润滑性，可做润滑剂。
石墨的物理性质和用途
物理性质
对应的主要用途
深灰色、有金属光泽、
不透明、细鳞片状固体 做铅笔芯，做润滑剂
很软，有滑腻感
优良的导电性
做石墨电极、电刷等
第六单元 碳和碳的氧化物
课题1 金刚石、石墨和C60
1905年1月25日，南非 的普列米尔矿山，有一个名 叫威尔士的管理人员，偶尔 看见矿场的地上半露出一块 闪闪发光的东西，他用小刀 将它挖出来一看，是一块巨 大的高品质钻石。它的重量 为3106ct。它纯净透明，带 有淡蓝色色调，是最佳品级 的钻石，这就是世界上最大 的钻石―― “库利南”。 银行家估价为75亿美元。
原子的总称。比如：碳元素、碳单质、 含碳化合物、一氧化碳。 一般在未指明具体单质时，习惯上用碳， 如“炽热的碳”，“当碳燃烧时”。
“炭” 含有碳单质的混合物。如： 木炭、活性
第五讲 核工程中的石墨和炭素
第五讲 核工程中的石墨 和炭素材料
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.
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 20 000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-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.
5.3 石墨的导热率 石墨在气冷堆中被用作慢化材料、结构材料和反射材 料.石墨导热性的好坏,将决定着石墨部件的温度、温度分 布,进而决定着这些部件的热应力场.作为燃料元件结构材 料使用时,导热性的好坏还影响核裂变能导出的效率和燃 料元件中发生的物理化对气冷堆的设计和运行特性有着重要的影 响.
辐照后的石墨加热到辐照温度以上时,原来固定在石墨 中的间隙原子和空位的复合几率增加,原子和空位簇长大 和消失的几率也增加,其结果是石墨释出潜能,如果温度增 加到某一定值,其潜能释出的值大于石墨的比热,这时石墨 被加热,引起潜能自我释放.图3就是这种释放的一个例子, 它是石墨样品在30℃下辐照到400MWd/At后,把样品加热 到t1时潜能的释放曲线,从图3可以看出石墨样品由于潜能 释放被绝热加热到t2,当潜能足够大时,会引起巨大的温升, 造成事故,为了避免石墨潜能造成事故,必须对反应堆石墨 部件的辐照负荷及其所处的温度进行分析研究,对有可能 因潜能自发释放形成过高温升的石墨部件,进行控制退火, 以消除隐患.
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.
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 20 000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-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.
5.3 石墨的导热率 石墨在气冷堆中被用作慢化材料、结构材料和反射材 料.石墨导热性的好坏,将决定着石墨部件的温度、温度分 布,进而决定着这些部件的热应力场.作为燃料元件结构材 料使用时,导热性的好坏还影响核裂变能导出的效率和燃 料元件中发生的物理化对气冷堆的设计和运行特性有着重要的影 响.
辐照后的石墨加热到辐照温度以上时,原来固定在石墨 中的间隙原子和空位的复合几率增加,原子和空位簇长大 和消失的几率也增加,其结果是石墨释出潜能,如果温度增 加到某一定值,其潜能释出的值大于石墨的比热,这时石墨 被加热,引起潜能自我释放.图3就是这种释放的一个例子, 它是石墨样品在30℃下辐照到400MWd/At后,把样品加热 到t1时潜能的释放曲线,从图3可以看出石墨样品由于潜能 释放被绝热加热到t2,当潜能足够大时,会引起巨大的温升, 造成事故,为了避免石墨潜能造成事故,必须对反应堆石墨 部件的辐照负荷及其所处的温度进行分析研究,对有可能 因潜能自发释放形成过高温升的石墨部件,进行控制退火, 以消除隐患.
《金刚石、石墨和C60》人教版初中化学精讲课件1
碳和碳的氧化物
课题1 金刚石、石墨和C60
第一课时
海洋之星
同学们可能都看过 电影《泰坦尼克号》， 你知道女主人公佩戴的 “海洋之星”钻石是由 什么组成的吗？
一.碳的单质
金刚石
石墨
C60
一、碳的单质 1、金刚石
试观察下列图片，想一想，你从中获得了哪些信息？
金刚石的物理性质和用途
物理性质
用途
无色透明、正八 决定
（C ）
A硬度大
B不能导热
C化学性质稳定 D熔点低
3. 20世纪90年代,北约军队空袭南联盟
时,曾使用了一种“石墨炸弹”，这种炸 弹 爆炸后释放出大量纤维状的石墨覆盖在 发电厂的设备上，使设备短路而停电.石 墨纤维石能墨使具设有备良短好路的的导原电性因是：
______________________.
•
5.到溪边捕鱼，溪水深鱼儿肥，用泉 水酿酒 ，泉水 香甜， 酒味清 醇，山 中的野 味野菜 ，杂乱 地摆开 在前面 的，这 是太守 在举行 酒宴。
•
6.像那太阳一出来，林中雾气就散开 ，云雾 聚拢在 一起， 山谷洞 穴就显 得昏暗 了，或 暗或明 变化不 一的， 是山间 早晚的 景色。 早晨进 山，傍 晚返回 ，四季 的景色 不一样 ，因而 乐趣也 就没有 穷尽了 。
•
7.环绕着滁州城的都是山。那西南的 几座山 峰，树 林和山 谷格外 优美， 一眼望 去，树 木茂盛 又幽深 秀丽的 是琅琊 山。沿 着山路 走六七 里，渐 渐听到 潺潺的 水声， 看到流 水从两 座山峰 之间倾 泻而出 的，那 是酿泉 。
•
8.人生道路总是迂回曲折，难免会遇 到坎坷 和困难 ，我们 在厄运 面前决 不能低 头，一 定要坦 然面对 ，迎难 而上， 做一个 奋发有 为，昂 扬向上 的人。
课题1 金刚石、石墨和C60
第一课时
海洋之星
同学们可能都看过 电影《泰坦尼克号》， 你知道女主人公佩戴的 “海洋之星”钻石是由 什么组成的吗？
一.碳的单质
金刚石
石墨
C60
一、碳的单质 1、金刚石
试观察下列图片，想一想，你从中获得了哪些信息？
金刚石的物理性质和用途
物理性质
用途
无色透明、正八 决定
（C ）
A硬度大
B不能导热
C化学性质稳定 D熔点低
3. 20世纪90年代,北约军队空袭南联盟
时,曾使用了一种“石墨炸弹”，这种炸 弹 爆炸后释放出大量纤维状的石墨覆盖在 发电厂的设备上，使设备短路而停电.石 墨纤维石能墨使具设有备良短好路的的导原电性因是：
______________________.
•
5.到溪边捕鱼，溪水深鱼儿肥，用泉 水酿酒 ，泉水 香甜， 酒味清 醇，山 中的野 味野菜 ，杂乱 地摆开 在前面 的，这 是太守 在举行 酒宴。
•
6.像那太阳一出来，林中雾气就散开 ，云雾 聚拢在 一起， 山谷洞 穴就显 得昏暗 了，或 暗或明 变化不 一的， 是山间 早晚的 景色。 早晨进 山，傍 晚返回 ，四季 的景色 不一样 ，因而 乐趣也 就没有 穷尽了 。
•
7.环绕着滁州城的都是山。那西南的 几座山 峰，树 林和山 谷格外 优美， 一眼望 去，树 木茂盛 又幽深 秀丽的 是琅琊 山。沿 着山路 走六七 里，渐 渐听到 潺潺的 水声， 看到流 水从两 座山峰 之间倾 泻而出 的，那 是酿泉 。
•
8.人生道路总是迂回曲折，难免会遇 到坎坷 和困难 ，我们 在厄运 面前决 不能低 头，一 定要坦 然面对 ，迎难 而上， 做一个 奋发有 为，昂 扬向上 的人。
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2000 年第 1 期 总第 106 期
CA RBO N TECHNI QUES 炭素技术
2000 №1 S UM106
核工程中的石墨和炭素材料 (第一讲)
徐世江
(清华大学 核能技术设计研究院 , 北京 102201)
GRAP HITE A ND CA RBO NACEO US MATERIAL I N NUCL EA R ENGI NEERI NG
235 的含量大于天然铀中铀 - 235 的含量的铀) 可以 响引起了严重的关注 。从 1943 年起 ,包括阿贡国家
提供 。理论计算表明 , 只有重水或石墨慢化的反应 实验室 、通用电气公司 、Hanfo rd 和北美航空公司的
堆才有可能使天然铀实现自持核裂变链式反应 。当 很多著名学者参与了对石墨辐照效应的研究 , 以认
能利用的新时代 。CP - 1 使用了除 A GO T 石墨以外 虑 。
的多种不同纯度的石墨 ,总计 385. 5 t 。
1. 3. 2 商用气冷堆石墨
1. 3 石墨在裂变反应堆中的应用
50 年代初 , 欧洲对发展气冷堆核电站感兴趣 。
1. 3. 1 生产堆用核石墨
气冷堆核电站的运行温度比生产堆高 , 为了弄清石
为曼哈顿工程 。为了更有效地进行原子弹的研制工
作 , 1942 年底美国政府决定由曼哈顿工程统领原子
弹研制的全部任务 。其建制也从工程兵转为直属美
国国防部领导 , 由国防部直接向总统负责 。原子弹
的研究制造工作开足马力进行 。
制造原子弹的核炸药有两种 : 一种是铀的易裂
变同位素铀 - 235 ,另一种是钚 - 239 。铀 - 235 在天
座生产堆提供经验和指导 。Hanfo rd 的生产堆是水 验工厂 , 对气冷堆用石墨进行了全面的研究 。英国
冷却 、石墨慢化反应堆 。40 年代末 、50 年代初 , 英 学者的主要成就是研究发展出近各向同性石墨 , 应
国 、法国和前苏联也基于石墨作慢化剂建造了生产 用于后续的 Magno x 堆和 A GR 堆 。美国 GA 公司
Wigner 效应 。西屋电器公司的 S. Siegel 用回旋加
1. 2 石墨是核工程的助产士
速器演示证实了 Wigner 的这一理论预测 。曾预测
如前所述 , 钚的生产研究与铀同位素的分离研 由于辐照效应 , Hanfo rd 的第一座生产堆只能无故
究是齐头并进的 , 当时没有富集铀 (即同位素铀 - 障运行 9 天 , 石墨辐照效应对反应堆安全运行的影
吸收中子后经两次β衰变得到 :
U 238 92
+n
β β U 239 92
N p 239 93
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铀和钚的化学性质不同 , 可以用化学的办法容 易地加以分离 。为了保证原子弹制造所需的核炸 药 , 钚的研究和生产与铀同位素分离工艺的研究齐 头并进 ,但对钚寄于更大的希望 ,给予优先考虑 。
XU Shi2jiang
( Instit ute of N uclear Ener gy Technolo gy , Tsinghua U niversit y ,Beijing 102201 ,China)
1 石墨和炭素材料与核工程
1. 1 核工程在烽火中诞生[1 ] 1938 年底 、1940 年初 , 德国科学家 O . Hahn 和
1942 年 5 月 , 用这些石墨进行指数实验证明中子倍 堆就是因为退火失误 ,造成部分燃料元件被烧毁 ,反
增系数大于 1 的反应堆是可以建成的 。反应堆计划 应堆报废[5 ] 。反应堆运行温度高于 300 ℃时 ,由于退
加速进行 , 国家碳公司被要求承担高纯石墨的生产 火效应 ,贮能在反应堆运行过程中随时释放 ,不会积
任务 , 研制生产出了 A GO T 石墨 , 用于世界上第一 累 ,不会形成影响反应堆安全运行的因素 。
座反应堆 CP - 1 。CP - 1 于 1942 年 12 月 2 日达到
在生产堆中 ,也发现石墨因辐照而膨胀的现象 ,
临界 ,人类首次从原子核获取巨大的能量 ,开辟了核 因此在反应堆堆芯结构设计中 , 必须予以必要的考
电极的高温氯化处理工艺应用于大块石墨制备 , 国 司使之工业化 。
家炭公司和大湖炭公司很快把这一生产工艺工业
气冷堆核电站的运行温度比生产堆高 , 石墨的
化 ,解决高纯石墨的商业供应问题 。
氧化问题成为气冷堆最高运行温度的限制因素 。
·44 ·
炭素技术
2000 年
1. 3. 3 高温气冷堆用石墨 商用核电站的另一技术路线是水慢化和冷却反应
燃料 , 自持可控核裂变链式反应是可以实现的 。 能) 会积累起来 , 达到危险的程度 。例如 , 反应堆在
1940 年末 , E. Fermi 提出对石墨的要求[2 ]是 : 高中 室温下运行时 ,积累的能量可达 2 720 J / g 。如果这
子吸收截面的杂质元素含量尽可能低 ; 密度尽可能 些能量瞬时释放出来的话 ,可使石墨温度升高 1 300
生产钚的必要条件是提供强大的中子源 , 只有 铀的自持可控核裂变链式反应装置 ———核反应堆才 能提供这样的中子源 。建造核反应堆的研究工作在
作者简介 :徐世江 男 研究员 ,1958 年毕业于清华大学机械制造系 ,现主要从事核材料和工程研究工作 。 收稿日期 :2000 - 01 - 17
编辑 谷丽萍
60 年代初 , 美国 、英国和德国几乎同时着手兴 建各自的高温气冷实验堆 。这三座实验堆的结构形 式虽然不同 , 但其原理是完全相同的 。由于石墨是 高温气冷堆的关键 , 各国都开展了对高温气冷堆用 石墨的全面研究 ,这些研究包括石墨的原料 、大尺寸 石墨的制造工艺 、石墨在高温气冷堆运行条件下的 行为等 。石墨原材料的研究要解决的重点是寻找新 的制备各向同性度好的石墨的焦炭原料 , 因为 Gilso nite 焦源有限 ,价格昂贵 ,且难于保证供应 。石 墨制造工艺研究的重点是用新的焦炭制备大尺寸各 向同性度好的石墨 。高温气冷堆运行条件下石墨行 为的研究主要是在高温条件下 , 石墨的性能和接受 的中子注量的关系 ,如石墨在中子照射下的尺寸 、显 微结构 、物理性能和化学性能变化的规律 ,为高温气 冷的设计和运行提供依据 。美国在 Hanfo rd 反应堆 基地进行了石墨高温辐照效应和辐照蠕变的研究 ; 在 GA 公司进行了石墨显微结构 、尺寸稳定性及改 进石墨性能方面的研究 ; O RNL 对不同原料与石墨 性能之间的关系进行了广泛的研究 ; 联合炭化物公 司和大湖炭素公司改进了生产工艺 , 用改性石油焦 生产出各向异性度低的石墨 。在德国 , 研技部组织 了生产和研究部门一起进行高温气冷堆石墨的全面 研究 , 开发出二次焦技术 、振动成型等生产工艺 , 取
然铀中含量只有 0. 71 % , 为了作为核炸药使用 , 必
须把它与占天然铀约 98. 2 %的不易裂变同位素铀
- 238 分开 。因为同位素的化学性质相同 ,不能用化
学的办法使之分离 , 只能利用它们之间的微小质量
差别 ,用物理的办法把它们分离开 ,这在技术上是十
分困难的 。自然界中不存在元素钚 ,它可由铀 - 238
第1期
徐世江 核工程中的石墨和炭素材料 (第一讲)
·43 ·
意大利物理学家 E. mi 的领导下在哥伦比亚大
在 CP - 1 堆达到临界前不久 , E. Wigner 就指
学进行 。1941 年 12 月 ,美国科学研究和发展办公室 出[3 ] : 核裂变产生的高能中子和石墨晶格结点上的
全力支持对钚的生产和分离工艺研究 , 在芝加哥大 碳原子碰撞时 ,会使碳原子离位 ,形成空位和间隙原
结构材料 ;全陶瓷燃料元件和 He 冷却剂 。独特的材 料组合赋予这种堆以冷却剂出口温度高 (达 1 000 ℃) ,固有安全性好的特点 。冷却剂出口温度高 不仅可以大大地提高核能发电的效率 (由于水的临 界点的限制 , 水冷反应堆核电站的发电效率只能达 到 33 %左右 , 蒸汽循环高温气冷堆的发电效率在 40 %左右 , He 透平直接循环的发电效率可以达到 50 %左右) ,而且为核能在高品质热能应用领域的利 用创造了条件 , 如煤的液化 、汽化 , 甲烷重整制氢 等 。核安全是核能发展 、利用的头等重要的问题 ,高 温气冷模块堆的最高事故温度不超过 1 600 ℃, 而 在 1 600 ℃下 , 基于 UO2 、热解炭 、热解炭化硅和石 墨制成的全陶瓷燃料元件 ,在 500 h 之内 ,其阻挡放 射性裂变产物释放的能力没有什么变化 。除反应堆 压力容器上 、下同时出现大破口事故 , 形成烟囱效 应 ,导致大量空气侵入堆芯外 ,这是一种“傻瓜”堆 。
堆 , 进行武器用钚的生产 。一座大型生产堆的石墨 也在石墨上进行了研究 , 采用近各向同性石墨克服
用量达几千吨 。
石墨各向异性尺寸变化带来的结构稳定性问题 。
40 年代石墨工艺的发展主要在化学纯化以降
各向同性石墨是基于一种天然沥青生产的
低硼含量上 。联合炭制品公司于 1948 年把提纯光谱 Gilso nite 焦 , 英国大湖炭素公司和 Acheso n 电极公
学 设 立 了 “冶 金 实 验 室 ”, 由 诺 贝 尔 奖 金 得 主 子 , 进而形成各种缺陷 , 增加石墨的内能 , 改变石墨
A . Co mp to n 领导钚生产和分离的研究 ,把 E. Fermi 的性质 。这种现象称之为辐照损伤 、辐照效应或
的建造核反应堆的研究基地也搬到芝加哥大学 。
L . Meit ner 发现铀原子吸收中子后发生分裂并释放 出巨大的能量 。这一发现有两种应用前景 : 用于和 平的目的生产能量 ;用于战争 ,制造超级武器 。当时 正处在第二次世界大战的前夕 , 受到希特勒迫害流 亡到美国的欧洲原子科学家感到十分焦虑 , 他们害 怕希特勒会迫使他们的德国同行研制原子弹 , 如果 希特勒先于其他国家掌握原子弹 , 其后果将是灾难 性的 。他们竭力推动美国研制原子弹 。几经周折 ,终 于得到美国政府的支持 。1939 年 10 月 ,美国总统罗 斯福下令组建一个铀咨询委员会 , 向他报告铀研究 的情况 。1940 年 6 月 ,国防研究委员会成立后 ,铀委 员会隶属于它 ,到 1941 年罗斯福成立了最高政策委 员会 ,这个委员会包括他本人 、副总统 、国防部长 、参 谋长联席会议主席和科学研究办公室及国防研究委 员会负责人 , 领导原子弹研制的决策工作 。铀研究 委员会升格为科学研究办公室下与国防研究委员会 平级的组织 。最高政策委员会于 1941 年 12 月开会 决定由工程兵来负责有关设施的建造工作 , 其代号
CA RBO N TECHNI QUES 炭素技术
2000 №1 S UM106
核工程中的石墨和炭素材料 (第一讲)
徐世江
(清华大学 核能技术设计研究院 , 北京 102201)
GRAP HITE A ND CA RBO NACEO US MATERIAL I N NUCL EA R ENGI NEERI NG
235 的含量大于天然铀中铀 - 235 的含量的铀) 可以 响引起了严重的关注 。从 1943 年起 ,包括阿贡国家
提供 。理论计算表明 , 只有重水或石墨慢化的反应 实验室 、通用电气公司 、Hanfo rd 和北美航空公司的
堆才有可能使天然铀实现自持核裂变链式反应 。当 很多著名学者参与了对石墨辐照效应的研究 , 以认
能利用的新时代 。CP - 1 使用了除 A GO T 石墨以外 虑 。
的多种不同纯度的石墨 ,总计 385. 5 t 。
1. 3. 2 商用气冷堆石墨
1. 3 石墨在裂变反应堆中的应用
50 年代初 , 欧洲对发展气冷堆核电站感兴趣 。
1. 3. 1 生产堆用核石墨
气冷堆核电站的运行温度比生产堆高 , 为了弄清石
为曼哈顿工程 。为了更有效地进行原子弹的研制工
作 , 1942 年底美国政府决定由曼哈顿工程统领原子
弹研制的全部任务 。其建制也从工程兵转为直属美
国国防部领导 , 由国防部直接向总统负责 。原子弹
的研究制造工作开足马力进行 。
制造原子弹的核炸药有两种 : 一种是铀的易裂
变同位素铀 - 235 ,另一种是钚 - 239 。铀 - 235 在天
座生产堆提供经验和指导 。Hanfo rd 的生产堆是水 验工厂 , 对气冷堆用石墨进行了全面的研究 。英国
冷却 、石墨慢化反应堆 。40 年代末 、50 年代初 , 英 学者的主要成就是研究发展出近各向同性石墨 , 应
国 、法国和前苏联也基于石墨作慢化剂建造了生产 用于后续的 Magno x 堆和 A GR 堆 。美国 GA 公司
Wigner 效应 。西屋电器公司的 S. Siegel 用回旋加
1. 2 石墨是核工程的助产士
速器演示证实了 Wigner 的这一理论预测 。曾预测
如前所述 , 钚的生产研究与铀同位素的分离研 由于辐照效应 , Hanfo rd 的第一座生产堆只能无故
究是齐头并进的 , 当时没有富集铀 (即同位素铀 - 障运行 9 天 , 石墨辐照效应对反应堆安全运行的影
吸收中子后经两次β衰变得到 :
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铀和钚的化学性质不同 , 可以用化学的办法容 易地加以分离 。为了保证原子弹制造所需的核炸 药 , 钚的研究和生产与铀同位素分离工艺的研究齐 头并进 ,但对钚寄于更大的希望 ,给予优先考虑 。
XU Shi2jiang
( Instit ute of N uclear Ener gy Technolo gy , Tsinghua U niversit y ,Beijing 102201 ,China)
1 石墨和炭素材料与核工程
1. 1 核工程在烽火中诞生[1 ] 1938 年底 、1940 年初 , 德国科学家 O . Hahn 和
1942 年 5 月 , 用这些石墨进行指数实验证明中子倍 堆就是因为退火失误 ,造成部分燃料元件被烧毁 ,反
增系数大于 1 的反应堆是可以建成的 。反应堆计划 应堆报废[5 ] 。反应堆运行温度高于 300 ℃时 ,由于退
加速进行 , 国家碳公司被要求承担高纯石墨的生产 火效应 ,贮能在反应堆运行过程中随时释放 ,不会积
任务 , 研制生产出了 A GO T 石墨 , 用于世界上第一 累 ,不会形成影响反应堆安全运行的因素 。
座反应堆 CP - 1 。CP - 1 于 1942 年 12 月 2 日达到
在生产堆中 ,也发现石墨因辐照而膨胀的现象 ,
临界 ,人类首次从原子核获取巨大的能量 ,开辟了核 因此在反应堆堆芯结构设计中 , 必须予以必要的考
电极的高温氯化处理工艺应用于大块石墨制备 , 国 司使之工业化 。
家炭公司和大湖炭公司很快把这一生产工艺工业
气冷堆核电站的运行温度比生产堆高 , 石墨的
化 ,解决高纯石墨的商业供应问题 。
氧化问题成为气冷堆最高运行温度的限制因素 。
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炭素技术
2000 年
1. 3. 3 高温气冷堆用石墨 商用核电站的另一技术路线是水慢化和冷却反应
燃料 , 自持可控核裂变链式反应是可以实现的 。 能) 会积累起来 , 达到危险的程度 。例如 , 反应堆在
1940 年末 , E. Fermi 提出对石墨的要求[2 ]是 : 高中 室温下运行时 ,积累的能量可达 2 720 J / g 。如果这
子吸收截面的杂质元素含量尽可能低 ; 密度尽可能 些能量瞬时释放出来的话 ,可使石墨温度升高 1 300
生产钚的必要条件是提供强大的中子源 , 只有 铀的自持可控核裂变链式反应装置 ———核反应堆才 能提供这样的中子源 。建造核反应堆的研究工作在
作者简介 :徐世江 男 研究员 ,1958 年毕业于清华大学机械制造系 ,现主要从事核材料和工程研究工作 。 收稿日期 :2000 - 01 - 17
编辑 谷丽萍
60 年代初 , 美国 、英国和德国几乎同时着手兴 建各自的高温气冷实验堆 。这三座实验堆的结构形 式虽然不同 , 但其原理是完全相同的 。由于石墨是 高温气冷堆的关键 , 各国都开展了对高温气冷堆用 石墨的全面研究 ,这些研究包括石墨的原料 、大尺寸 石墨的制造工艺 、石墨在高温气冷堆运行条件下的 行为等 。石墨原材料的研究要解决的重点是寻找新 的制备各向同性度好的石墨的焦炭原料 , 因为 Gilso nite 焦源有限 ,价格昂贵 ,且难于保证供应 。石 墨制造工艺研究的重点是用新的焦炭制备大尺寸各 向同性度好的石墨 。高温气冷堆运行条件下石墨行 为的研究主要是在高温条件下 , 石墨的性能和接受 的中子注量的关系 ,如石墨在中子照射下的尺寸 、显 微结构 、物理性能和化学性能变化的规律 ,为高温气 冷的设计和运行提供依据 。美国在 Hanfo rd 反应堆 基地进行了石墨高温辐照效应和辐照蠕变的研究 ; 在 GA 公司进行了石墨显微结构 、尺寸稳定性及改 进石墨性能方面的研究 ; O RNL 对不同原料与石墨 性能之间的关系进行了广泛的研究 ; 联合炭化物公 司和大湖炭素公司改进了生产工艺 , 用改性石油焦 生产出各向异性度低的石墨 。在德国 , 研技部组织 了生产和研究部门一起进行高温气冷堆石墨的全面 研究 , 开发出二次焦技术 、振动成型等生产工艺 , 取
然铀中含量只有 0. 71 % , 为了作为核炸药使用 , 必
须把它与占天然铀约 98. 2 %的不易裂变同位素铀
- 238 分开 。因为同位素的化学性质相同 ,不能用化
学的办法使之分离 , 只能利用它们之间的微小质量
差别 ,用物理的办法把它们分离开 ,这在技术上是十
分困难的 。自然界中不存在元素钚 ,它可由铀 - 238
第1期
徐世江 核工程中的石墨和炭素材料 (第一讲)
·43 ·
意大利物理学家 E. mi 的领导下在哥伦比亚大
在 CP - 1 堆达到临界前不久 , E. Wigner 就指
学进行 。1941 年 12 月 ,美国科学研究和发展办公室 出[3 ] : 核裂变产生的高能中子和石墨晶格结点上的
全力支持对钚的生产和分离工艺研究 , 在芝加哥大 碳原子碰撞时 ,会使碳原子离位 ,形成空位和间隙原
结构材料 ;全陶瓷燃料元件和 He 冷却剂 。独特的材 料组合赋予这种堆以冷却剂出口温度高 (达 1 000 ℃) ,固有安全性好的特点 。冷却剂出口温度高 不仅可以大大地提高核能发电的效率 (由于水的临 界点的限制 , 水冷反应堆核电站的发电效率只能达 到 33 %左右 , 蒸汽循环高温气冷堆的发电效率在 40 %左右 , He 透平直接循环的发电效率可以达到 50 %左右) ,而且为核能在高品质热能应用领域的利 用创造了条件 , 如煤的液化 、汽化 , 甲烷重整制氢 等 。核安全是核能发展 、利用的头等重要的问题 ,高 温气冷模块堆的最高事故温度不超过 1 600 ℃, 而 在 1 600 ℃下 , 基于 UO2 、热解炭 、热解炭化硅和石 墨制成的全陶瓷燃料元件 ,在 500 h 之内 ,其阻挡放 射性裂变产物释放的能力没有什么变化 。除反应堆 压力容器上 、下同时出现大破口事故 , 形成烟囱效 应 ,导致大量空气侵入堆芯外 ,这是一种“傻瓜”堆 。
堆 , 进行武器用钚的生产 。一座大型生产堆的石墨 也在石墨上进行了研究 , 采用近各向同性石墨克服
用量达几千吨 。
石墨各向异性尺寸变化带来的结构稳定性问题 。
40 年代石墨工艺的发展主要在化学纯化以降
各向同性石墨是基于一种天然沥青生产的
低硼含量上 。联合炭制品公司于 1948 年把提纯光谱 Gilso nite 焦 , 英国大湖炭素公司和 Acheso n 电极公
学 设 立 了 “冶 金 实 验 室 ”, 由 诺 贝 尔 奖 金 得 主 子 , 进而形成各种缺陷 , 增加石墨的内能 , 改变石墨
A . Co mp to n 领导钚生产和分离的研究 ,把 E. Fermi 的性质 。这种现象称之为辐照损伤 、辐照效应或
的建造核反应堆的研究基地也搬到芝加哥大学 。
L . Meit ner 发现铀原子吸收中子后发生分裂并释放 出巨大的能量 。这一发现有两种应用前景 : 用于和 平的目的生产能量 ;用于战争 ,制造超级武器 。当时 正处在第二次世界大战的前夕 , 受到希特勒迫害流 亡到美国的欧洲原子科学家感到十分焦虑 , 他们害 怕希特勒会迫使他们的德国同行研制原子弹 , 如果 希特勒先于其他国家掌握原子弹 , 其后果将是灾难 性的 。他们竭力推动美国研制原子弹 。几经周折 ,终 于得到美国政府的支持 。1939 年 10 月 ,美国总统罗 斯福下令组建一个铀咨询委员会 , 向他报告铀研究 的情况 。1940 年 6 月 ,国防研究委员会成立后 ,铀委 员会隶属于它 ,到 1941 年罗斯福成立了最高政策委 员会 ,这个委员会包括他本人 、副总统 、国防部长 、参 谋长联席会议主席和科学研究办公室及国防研究委 员会负责人 , 领导原子弹研制的决策工作 。铀研究 委员会升格为科学研究办公室下与国防研究委员会 平级的组织 。最高政策委员会于 1941 年 12 月开会 决定由工程兵来负责有关设施的建造工作 , 其代号