核工程中的炭和石墨材料

前言

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人口數(shù)量的增加和生活水平的提高，化石燃料的消耗正以前所未有的速度進行，化石燃料的枯竭已不是遙遠的事情；大量消耗化石燃料所排放的溫室氣體，對人類的生存環(huán)境構(gòu)成威脅。為了人類社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展低碳能源已迫在眉睫。核能是一種低碳能源。理論上，聚變能的利用可以較長遠地解決人類的能源供應(yīng)問題，但核聚變能開發(fā)利用技術(shù)的研發(fā)還有很長的一段路要走，趕不上人類對能源的迫切需求。經(jīng)過半個多世紀的研發(fā)，核裂變能的利用技術(shù)已經(jīng)成熟，成本上已可與火電競爭。目前世界上有430多座核反應(yīng)堆在運行，核電的份額已達全世界電力的16％左右，有些國家，如法國，約80％的電力來自核電。目前核裂變能是唯一能以較大規(guī)模經(jīng)濟地替代化石燃料的能源。發(fā)展核電對我國具有特殊的意義。我國能源產(chǎn)地和能源消耗地嚴重失衡，大規(guī)模運輸增加了本來已經(jīng)負荷沉重的交通運輸系統(tǒng)的壓力。2008年初的雪災(zāi)表明，電力輸送和煤炭輸運一樣存在巨大的風險。發(fā)展核電可以緩解化石燃料長途輸運的壓力；發(fā)展配置靈活的中、小型核電站，借以免除電力遠距離輸送問題。核電站排放的溫室氣體與水電站相當，對環(huán)境友好。核電的事故幾率遠低于其他工業(yè)的事故幾率，但一旦發(fā)生重大事故，后果嚴重，影響深遠。為了全面地改善核電站的性能，特別是安全性能，國際上正在研發(fā)第四代核反應(yīng)堆，這種反應(yīng)堆的安全不是建立在核電工業(yè)中采用的傳統(tǒng)的工程安全措施上，而是建立在物理原理上，使其具有固有安全性。高溫氣冷模塊堆就是這種具有固有安全、配置靈活的核反應(yīng)堆，是第四代核反應(yīng)堆的候選堆型之一。我國在建成和成功地運行了10MW高溫氣冷模塊試驗堆后，正在設(shè)計、建造一座200MW的商用示范堆。

內(nèi)容概要

本書通俗地介紹了核工程用炭和石墨材料的基本理論和應(yīng)用，包括生產(chǎn)工藝，檢測技術(shù)與標準，計算模擬方法。第l章簡要地介紹了核石墨在人類馴服核能過程中的貢獻及在第四代核反應(yīng)堆重要候選堆型之一一一高溫氣冷堆中的應(yīng)用。第2章簡要介紹核反應(yīng)堆的基礎(chǔ)知識。第3章介紹高溫氣冷堆發(fā)展概況，炭與石墨材料在高溫氣冷堆中的作用和地位。第4～6章介紹炭、石墨材料的基礎(chǔ)知識，生產(chǎn)工藝和輻照前的性能。第7章介紹核石墨的輻照效應(yīng)：輻照引起的結(jié)構(gòu)和與結(jié)構(gòu)有關(guān)的性質(zhì)的變化、輻照試驗和輻照后性能變化的測試。和核純一樣，輻照效應(yīng)是核石墨特有的問題。第8章是對新的環(huán)境下核石墨進一步研發(fā)的一些看法。第9章介紹炭、石墨材料在核聚變堆面向等離子體材料中應(yīng)用的潛力和限制。    本書意圖在高溫氣冷堆產(chǎn)業(yè)化的過程中，在從事核石墨及核用炭材料研發(fā)的炭、石墨材料界的科技和工程技術(shù)人員與核工程設(shè)計領(lǐng)域的科技和工程技術(shù)人員之間起溝通作用。本書也可作為相關(guān)專業(yè)的高等院校本科生和研究生的參考書籍。

書籍目錄

第l章　概論  1.1核能發(fā)展簡介  1.2核反應(yīng)堆的分類  1.3炭、石墨材料在核工程中的應(yīng)用  1.4核石墨發(fā)展概況  參考文獻第2章　核反應(yīng)堆基礎(chǔ)知識　2.1  中子與原子核的反應(yīng)和反應(yīng)截面    2.1.1核裂變反應(yīng)    2.1.2中子俘獲反應(yīng)    2.1.3中子散射    2.1.4中子倍增    2.1.5核反應(yīng)截面  2.2  自持核鏈式反應(yīng)的條件  2.3  中子慢化    2.3.1中子慢化原理    2.3.2慢化劑的特性參數(shù)’  2.4核電站簡介    2.4.1核反應(yīng)堆堆芯    2.4.2核反應(yīng)堆一回路和冷卻劑    2.4.3慢化劑和反射層    2.4.4反應(yīng)堆控制系統(tǒng)    2.4.5反應(yīng)堆安全防護系統(tǒng)　　2.4.6乏燃料元件儲存系統(tǒng)　　……第3章　高溫氣冷堆第4章　炭、石墨的結(jié)構(gòu)第5章　石墨材料的生產(chǎn)第6章　石墨的性能第7章　石墨的輻照效應(yīng)第8章　核工程用炭、石墨材料的研發(fā)第9章　聚變堆用炭、石墨材料附錄1　早期核石墨概況附錄2　典型高溫氣冷堆用核石墨附錄3　第四化核反應(yīng)堆候選石墨

章節(jié)摘錄

插圖：在高溫氣冷堆運行溫度下，石墨慢化、反射和結(jié)構(gòu)材料在中子輻照下的行為，與以前的氣冷堆運行溫度下的行為有很大的不同，特別是其尺寸變化行為。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的多晶石墨的結(jié)構(gòu)都具有一定程度的各向異性，輻照引起的變化也是各向異性的，這給反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用壽命帶來重大的影響。石墨在高溫下輻照時，其尺寸變化先是隨快中子注量的增加發(fā)生收縮，達到最大收縮值后，開始反轉(zhuǎn)。當石墨的尺寸恢復(fù)到原始值后，尺寸迅速膨脹，機械物理性能急劇惡化。一般都把尺寸恢復(fù)到原始值時的快中子注量作為高溫氣冷堆石墨的設(shè)計壽命。只要一個方向的尺寸恢復(fù)到原始值，反應(yīng)堆的壽命就算終結(jié)。通常球床高溫氣冷堆反射層是不更換的，它對石墨的要求最為苛刻，把石墨的使用潛力發(fā)揮到極限。石墨的各向異性度成為高溫氣冷堆運行特性的決定性因素之一，石墨研發(fā)的中心任務(wù)是：從本質(zhì)上是各向異性的石墨微晶，通過選擇適當?shù)脑牧稀⑴浞胶蜕a(chǎn)工藝，制備出宏觀上各向同性度高，線膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性好，彈性模量低，強度好的多晶石墨；進行輻照試驗，驗證石墨在高溫堆使用環(huán)境下的行為，并取得詳盡的輻照條件下的性能數(shù)據(jù)，滿足高溫堆結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求；發(fā)現(xiàn)問題，為石墨的進一步研發(fā)指明方向。對發(fā)展高溫氣冷堆感興趣的國家曾投入大量的人力、物力，進行高溫氣冷堆用石墨的研發(fā)，特別是進行了規(guī)?？涨暗妮椪赵囼灐＝?jīng)過反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計，炭、石墨材料研發(fā)機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)的共同努力，用了20多年的時間，研制出各自的高溫氣冷堆核石墨。如德國的ATR-2E，ASR-1RS，V483；美國的H-451；日本的IG-110等，這些石墨可以滿足設(shè)計壽命為30年左右的高溫氣冷堆的要求。

編輯推薦

《核工程中的炭和石墨材料》：介紹核工程用炭、石墨材料的使用要求，生產(chǎn)工藝，檢測技術(shù)與標準。計算模擬方法。主要供我國核用炭、石墨材料研發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)域，以及核科技等相關(guān)領(lǐng)域的科研人員與企業(yè)技術(shù)人員參考、使用。

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