核石墨的离子辐照效应及熔盐浸渗特性研究

发布时间：2020-07-19 05:17

【摘要】：核石墨是一种重要的中子慢化剂材料,被广泛应用于核反应堆。熔盐堆选用核石墨做慢化剂及反射体。在慢化中子的过程中,石墨中的碳原子会被击出格点很多次,这将导致核石墨的性能发生改变,比如改变其尺寸、强度、电阻率、热导率以及应力辐照蠕变行为,进而影响反应堆的寿命及安全性。我们知道,石墨在辐照下的行为表现是与辐照在石墨中引起的缺陷密切相关的,比如空位团簇、间隙原子团簇以及位错。因此,研究辐照引起的缺陷、物理性能变化,并且建立它们之间的关系,对理解辐照损伤机理以及预测石墨的性能变化会很有帮助。此外,对于一种新石墨的反应堆应用来说,辐照效应评估是必不可少的。离子辐照可作为一种中子辐照的辅助替代方式。对离子(尤其是MeV质子)辐照的有效表征方法或许可以成功用于初级评估新开发的可应用于熔盐堆的石墨,比如天然微晶石墨制备的精细颗粒石墨以及中间相炭微球制备的超细颗粒石墨。因此,本论文的一个重点在于核石墨离子辐照效应方面,主要利用质子、自离子辐照探讨了辐照引起的微结构变化与力学性能变化之间的关系,同时为新石墨的初级辐照评估提供了方法参考。这一部分,主要做了三项研究。1.我们采用了3MeV质子辐照核石墨IG-110,利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及拉曼光谱(Raman)、X射线衍射技术(XRD)以及纳米压痕技术研究了其离子辐照效应。辐照使得表面形貌碎裂化,表明质子轰击破坏了石墨表面的微结构；TEM图给出了缺陷团簇增加、基层弯曲以及基层位错增加的直接证据；拉曼分析指出,辐照使间隙原子型、空位型缺陷快速增加,面内微晶尺寸降低；XRD结果表明石墨层间距略微增加、微晶尺寸略有降低；石墨的模量增强应该是质子辐照产生的晶格缺陷对基层位错的钉扎效应引起的。2.采用1MeV C+(自离子)辐照IG-110,利用SEM、Raman、慢正电子湮没多普勒展宽谱(DBPAS).TEM以及纳米压痕等,研究了IG-110的微结构尤其是缺陷的演化以及力学性能(硬度、杨氏模量)变化,并讨论了力学性能与缺陷、微结构演化之间的关系。随辐照增加,表面形貌显示石墨表面发生了一个先变形后逐渐球体化的过程；拉曼结果指出,随着辐照增加,表面石墨结构经历了一个由微晶到纳米晶,之后逐渐非晶化的过程。这似乎可以与SEM得到的表面形貌演变结果对应。DBPAS与拉曼结果均表明,空位型缺陷持续增加,而且在辐照初始阶段缺陷增速最快,之后增速降低；TEM结果显示,d002明显增大,石墨基层扭曲、断裂严重,辐照区域的微裂纹逐渐减小、消失；杨氏模量在辐照初始阶段急剧增加,之后缓慢增加,与缺陷的增长趋势一致,这一阶段的杨氏模量增强应该是缺陷的位错钉扎效应所致。0.72-4.29dpa阶段的模量增加则很可能是缺陷增加与微裂纹逐渐消失共同作用的结果。3.由于核石墨是由粘结剂与骨料颗粒构成的混合物,是一种两相材料,我们利用TEM对二者进行了研究,结果显示核石墨骨料颗粒的石墨化程度高于粘结剂部分。因此,采用70keV碳离子辐照IG-110,利用Raman分析手段,记录并分析了骨料与粘结剂两相的辐照演化过程.Raman结果并未发现两相辐照行为的明显差异,可能与室温辐照缺陷的快速积累有关；结果显示,骨料、粘结剂两位置处的结构经历了一个微晶逐渐向纳米晶发展、进一步纳米晶化,开始逐渐向非晶炭转化的过程。纳米晶化过程缓慢,很可能是因为纳米晶边界对缺陷的强吸收作用。此外,核石墨是一种多孔材料,在熔盐堆中与熔盐直接接触。虽然熔盐与核石墨之间是不浸润的,但是在一定的气压环境下,核石墨存在熔盐浸渗的问题。在液态燃料熔盐堆中,燃料熔盐浸渗到核石墨内部会引发石墨内部局域热点问题,造成局域高损伤,影响核石墨的使用寿命以及反应堆的安全性。早期的熔盐堆MSRE实验中选用的石墨已不适应现代反应堆的要求,为液态燃料熔盐堆选择慢化剂石墨成为一个亟待解决的问题。至于固态燃料熔盐堆,虽然不存在局域热点问题,其浸渗气压环境与液态堆差异明显,其浸渗行为也可能完全不同。因此,本论文的另一个重点就是研究石墨的熔盐浸渗特性。这一部分,主要包含三项工作。1.利用光学显微镜(OM)、压汞仪以及真密度仪对核石墨IG-110、IG-430、NBG-17、NBG-18的孔结构进行了研究。孔分析结果表明,1G-1 10/1G-430气孔小且分布均匀,开孔率高,入孔孔径分布集中～4-2μm；NBG-17/NBG一18气孔大,均匀性不如IG-110/1G-430,骨料内存在大量煅烧裂纹,闭孔率较高,入孔孔径分布广泛。采用高压反应釜装置进行了1、5个大气压650℃下的熔盐浸渗实验,借助SEM.TEM对四种石墨内部的熔盐分布进行了研究。结果表明,熔盐浸渗与压汞浸渗机理一致。只有超过阈值气压才会发生浸渗。随着气压增加浸渗量增加,小气孔逐渐被熔盐填充。IG-110/1G-430石墨气孔中填满熔盐,表明两种石墨中的气孔基本上都是与外界联通的开孔。NBG-17/NBG-18石墨熔盐分布不均匀,没有浸盐的大气孔应该是孔喉较小的孔或者闭孔。石墨骨料裂纹中很少有熔盐进入,表明熔盐很难进入骨料裂纹,骨料内部裂纹多为闭孔。此工作为熔盐堆候选石墨的熔盐浸渗评估方面提供了的有效方法。2.测试了1、3、5个大气压下几种市场上的细颗粒石墨的熔盐浸渗情况,结果表明,超细颗粒各向同性石墨ZXF-5Q在5个大气压下依然可以成功阻止熔盐浸渗。利用OM、压汞仪、TEM、拉曼以及XRD对ZXF-5Q的微结构进行了研究,结果表明：ZXF-5Q的孔隙率与1G-110相似,但是其闭孔率低,主要是由于ZXF-5Q骨料颗粒小,导致骨料内部几乎没有煅烧裂纹而且Mrozowski裂纹尺寸也小；ZXF-5Q的晶体结构有序性低于IG-110,石墨化程度较低。ZXF-5Q的Mrozowski裂纹尺度小,表明ZXF-5Q石墨微晶吸收热膨胀及辐照膨胀的能力会比IG-110差一些。3.使用高压反应釜,对固态燃料熔盐堆环境下NG-CT-10石墨的熔盐浸渗行为进行了系统研究。熔盐在石墨中的分布情况是借助SEM观察完成的。浸渗结果显示,,预充气样品其熔盐浸渗到一定深度浸渗停止,说明石墨内部的气体起到了阻止熔盐浸渗的作用；简化的模型解释了预充气样品的熔盐浸渗过程,并估算了浸渗深度；石墨样品的熔盐浸渗行为短时间内便达到平衡,浸渗时间对浸渗的影响可以忽略；泄压样品的熔盐增重远小于预充气保压样品的增重,而熔盐分布却与保压样品类似,说明尽管大部分侵入的熔盐被气体挤出,仍然有很多熔盐被困在了石墨的孔结构中。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL34

【共引文献】