石墨材料在高温气冷堆的使用现状及今后的详解

高温气冷堆非常安全这一特征，使人们提出了模块化高温气冷堆的设计理念。下一代超高温核反应堆( UHTR) ，朝着高功率密度、高温化方向迈进。技术上的这些发展进步，对新一代石墨材料的特性提出了更高的要求，比如，更高的辐照损伤耐受力，产品均质化，物美价廉，长期供货等。

美国在下一代核反应堆( NGNP)研发计划中，把日本东洋炭素的IG－430和罗兰石墨美国分公司的2020两种牌号的等静压石墨作为备选的堆芯材料进行研究。这2种石墨的性能指标见表1。

核聚变反应堆

核聚变反应堆的工作原理是氢的同位素氘和氚的原子核在高温下结合，形成氦原子和中子的同时，释放出巨大的能量。

核聚变反应堆的研究开始于1950年，直到超高温等离子体吸收材料的开发成功，才有了突飞猛进的发展。石墨用于核聚变反应堆的等离子体面对材料，很大程度上减少了等离 子体中的金属杂质，并表现出良好的导热性，因此极大地提高了等离子体的能量约束特性。

现在大型的核聚变反应堆JT－60U和JET的内壁几乎都包覆了石墨。2007年10月，国际原子能机构发起由7个国家( 日本、EU、俄罗斯、美国、中国、韩国、印度) 联手执行的国际热核聚变实验反应堆(ITER)计划。这个计划预计于2016年在法国卡达拉什完成。

核聚变堆第一壁材料的要求和问题点

等离子体的特性与核聚变装置中等离子体的面对材料有关。如果等离子体中混有高原子序数Z的杂质时，一旦这些杂质被加热为高价离子与电子结合，就会增加辐照损失。

因为辐射强度与原子序数的3～4次方成正比，原子序数越大，辐照损失越大，所以原子序数Z必须小。

一方面，从等离子体逃逸出的入射高能粒子、光、热会强烈损伤面对等离子体第一壁材料;

另一方面，石墨材料的升华、溅射及从中脱出的气体等混入等离子体中成为杂质。

高能中子对面对材料产生的体损伤，以及高能离子产生的表面损伤等是对面对材料的新挑战。离子体放电脉冲时，嵌入第一壁的燃料粒子飞溅出来，进入等离子体中，并在壁和等离子体间来回循环。这个 过程对保持燃烧很有必要。

随着核聚变装置逐渐大型化，为了生成高温等离子体，导热性好、机械强度高的石墨材料被用做面对等离子体的第一壁材料，且表现出了良好的放电脉冲效果。

此外，即使它们混入等离子体中，因原子序数低，引起的辐照损失小，所以能使高温等离子体保持稳定。石墨邦，国内首家碳石墨全产业链电商平台----www.shimobang.cn欲交流请加微信号：shimobang 但是，氢的同位素入射会导致石墨材料生成CH4气体的消耗性化学飞溅现象以及辐射增强升华损耗现象(辐射增强升华是指等离子体粒子处于辐照环境下，即使当前温度未达到石墨的正常热升华温度，石墨材料也会升华损耗的现象) 。

因此，采用石墨材料做等离子体的面对材料时，必须注意石墨的使用条件，特别是温度。

下一代核聚变装置( ITER)

ITER装置中的偏滤器位于等离子体出口处，承受了极高的粒子负荷以及等离子体破裂过程中所产生的极高的热负荷。

为了及时有效地除去偏滤器承载的高热负荷，ITER装置的偏滤器部件采用了和JT－60U装置具有相同热导率的C /C复合材料。偏滤器部件的制造采用了冷却水管和热沉焊接的技术。此外，高原子序数Z的钨，因溅射率低，倾向于用作面对等离子体材料。

核聚变堆用的石墨材料

日本原子能研究所正在研发的临界等离子体装置JT－60U的等离子体面对材料和偏滤器板就采用了石墨材料所做的部件。

其中，等离子体出口处的偏滤器板采用了一种具有高热导率、高耐热冲击力、以炭纤维为原料的特殊C /C复合材料，热负荷相对较低的第一壁采用了各向同性石墨材料。

其他核石墨(反应控制材料)

不管核反应堆中的核分裂物质是否增减，核反应堆必须设置控制棒以及时补偿和调节原子反应堆中的中子数。高温气冷堆使用碳与B4C结合制成的圆柱体为控制棒。这要求石墨材料在所使用的温度环境中必须保持稳定，而且能耐中子辐照。

总之，世界原子能工业正经历着各种各样的发展变化。在高温气冷堆领域，南非和中国的商用高温气冷堆正在推进中。在核聚变反应堆领域，有实验反应堆。国际热核聚变实验反应堆( ITER)计划开展的同时，日本的JT－60装置改造也在先期进行中。