NNL 研究核石墨的氧化

英国国家核实验室和利物浦大学的新研究使用了一种新技术来研究热氧化如何影响核石墨的结构，以便核反应堆可以设计得运行更长时间。

研究人员检查了超细晶核石墨的孔隙率，并将其与称为热氧化的化学变化联系起来。他们专注于一些先进反应堆(称为高温反应堆(HTR))将产生的极高温度。这些发现可用于设计高效的核反应堆，其使用寿命比原来的核反应堆要长得多。

石墨由微小晶体组成，这些晶体共同形成“晶粒”或“填充颗粒”。晶粒尺寸和孔隙率用于将核石墨分为不同等级。它在多种类型的核反应堆中发挥着重要作用。它用于当前运行的反应堆群，自 20 世纪 50 年代以来，这些反应堆供应了英国约 20% 的碳中和电力，并且未来可能用于先进反应堆。

NNL 高级研究员 Nassia Tzelepi 解释说，热氧化是高温气冷堆石墨组件中影响反应堆性能的两种机制之一。“要使石墨适合高温气冷堆，需要充分了解其演变及其对石墨性能的影响。”

石墨在某些类型的反应堆中用作慢化剂，所有反应堆都需要冷却剂来消除堆芯中产生的热量。

现有的反应堆将冷却剂输送到涡轮机来发电，而未来的反应堆可以用它来产生一些行业所需的热量。在高温气体反应堆 (HTGR) 中，氦气用作冷却剂，温度可达 700 °C 以上。氦气即使经过纯化，也含有空气或水分等物质。这些杂质与高温相结合，会在反应堆预计 40 至 60 年的使用寿命内逐渐导致石墨氧化。

氧化可以改变石墨的孔隙率，这是影响其性能的关键特性。有点矛盾的是，氧化程度取决于孔隙率：孔隙如何连接在一起、它们的大小以及材料的整体渗透性。氧化可能是由高温(称为热氧化)或辐射引起的。英国科学家在历史悠久的 Magnox 石墨慢化反应堆中对辐射引起的氧化有丰富的经验，这些反应堆的运行温度约为 350 至 450 °C。现在的研究重点是新一代反应堆产生的更高温度下会发生什么。

这个过程很复杂。与许多其他复合材料一样，制造工艺和原材料类型都会对最终产品的性能产生影响。石墨由通常具有随机方向的微小晶体组成。许多晶体一起形成“颗粒”或“填充颗粒”。可以生产不同等级的石墨，其特征在于填料颗粒的平均尺寸和孔隙率。Tzelepi 表示，“每种石墨都是不同的，具体取决于原材料及其制造方式。我们想知道是什么使得看似相同属性的石墨在热氧化下表现不同。” 造成不同行为的可能原因有很多，可以通过在显微镜下观察微观结构来研究这些原因。

Tzelepi 的团队将研究重点放在平均晶粒尺寸为 10-120 微米的超细晶石墨上，因为下一代反应堆正在考虑使用这些材料。使用高温炉和精心控制的气氛，四种等级的超细晶石墨在 700-800°C 的温度下进行氧化。

专门为分析历史反应堆中的核石墨而开发的技术适用于穿透超细粒石墨中存在的较小孔隙。该技术涉及用荧光染料饱和“开放”毛孔。这些开放的孔隙可以被反应堆冷却剂渗透，因此将它们与无法进入的“封闭”孔隙区分开来非常重要。使用显微镜收集并分析开孔和闭孔的图像。

通过将该技术与其他标准技术相结合，找到了解释不同行为的线索。图中所示的三个独立样品的总体氧化深度与相对较大的互连孔的存在有关，但在石墨块的表面，狭窄的开放孔的精细网络增强了表面附近的氧化。

研究小组还发现石墨的氧化速率似乎较低，其中微观结构的某些部分聚集在一起形成小团聚物。当颗粒以这种方式聚集在一起时，可能被氧化的暴露边缘就会减少。

所有这些有关微观结构的信息都可以用来准确确定石墨在未来反应堆中的表现。“50 多年来，英国一直在运行承受高水平辐射分解氧化的石墨慢化反应堆，”Tzelepi 指出。尽管辐射分解氧化的机理不同，但可以借鉴大量经验，不仅可以了解氧化对石墨性能的影响，还可以开发研究它的方法。”

从这些新技术中获得的见解支持未来反应堆的发展，确保它们始终在最佳状态下运行，并使其能够在完全依赖碳中性能源的未来中发挥主导作用。