基于钍基熔盐堆环境的核石墨研究

发布时间：2018-05-05 13:15

本文选题：核石墨 + 孔隙结构　；参考：《中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)》2017年博士论文

【摘要】：熔盐堆是第四代先进核能反应堆的六种候选堆型之一,它在安全性、核资源可持续发展、经济性和防止核扩散上较三代堆型有大幅度的改善。依据核反应堆中裂变燃料的形态,熔盐反应堆可分为液态熔盐堆和固态熔盐堆。在液态熔盐堆中,熔盐既作为冷却剂,也作为裂变燃料的载体。液态燃料使得熔盐反应堆具有两个显著的优点:一方面,液态熔盐堆不需要制备燃料棒,可实现对核燃料的在线处理和在线添加;另一方面,熔融态的混合盐可以在高温工作时保持较低蒸气压,降低压力容器的机械应力,提高核反应堆的安全性。在固体熔盐堆中,熔盐也被选作冷却剂。无论是固体熔盐堆还是液态熔盐堆,其堆芯的中子慢化材料都是核石墨,其熔盐流通管道的制备材料也是核石墨。因此,熔盐堆的核石墨与熔盐会直接接触。核石墨是一种多孔脆性材料,在与液态熔盐接触时,熔盐可能会浸渗到核石墨的孔隙内。橡树岭国家实验室的数据显示:熔盐浸渗到核石墨内部后,会引发核石墨局部区域形成热点。当热点温度升高到1100℃时,熔盐堆中核石墨的损伤速率会是700℃时其损伤损率的2倍以上。因此,熔盐浸渗严重威胁到核石墨性质的稳定和核反应堆的安全运行。本论文针对钍基熔盐堆中核石墨可能发生的熔盐浸渗问题,深入研究核石墨的熔盐浸渗特性以及熔盐浸渗对核石墨微观结构和热学性质的影响,为钍基熔盐堆筛选合格的核石墨提供有效的浸渗评估方法。因此,本论文的一个研究重点是:核石墨的熔盐浸渗特性以及熔盐浸渗对核石墨微观结构和热学性质的影响。这部分的内容主要包括三个方面:1.利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、显微CT等多种手段研究了多种石墨的孔隙结构。OM和SEM的结果显示:石墨表面存在很多形状不规则的孔隙,而且孔隙的分布范围广泛。石墨的显微CT图显示:石墨内部的孔隙呈现网状结构,而且大量气孔的形状呈现哑铃状。论文通过结合相应石墨的压汞数据,对石墨的熔盐浸渗特性进行总结。实验结果显示:随着熔盐浸渗压强增加,石墨孔隙内熔盐的浸渗质量也逐渐增加。论文通过对比不同浸渗质量的石墨SEM图可知:在熔盐浸渗实验中,熔盐浸渗石墨存在不同的阈值压强,而且熔盐浸渗石墨的质量与浸渗时间无关。熔盐浸渗后石墨断裂截面的sem图显示:熔盐与石墨之间存在的相互作用会改变熔盐在石墨孔隙内的形状,且熔盐浸渗后熔盐所占据的石墨孔隙是石墨结构的开孔孔隙。2.利用同步辐射x射线小角散射技术(saxs)研究了温度和熔盐浸渗对石墨纳米尺度范围内微孔结构的影响。温度对石墨孔隙结构的影响研究表明:石墨孔隙有明锐的固-气界面,而且在石墨的微观结构中存在微尺度的密度不均匀区。随着温度升高,石墨微观结构的孔隙数量逐渐增加,分形维数逐渐减小(石墨的固-气界面逐渐光滑)。熔盐浸渗对石墨微孔结构的影响研究表明:熔盐浸渗后石墨与熔盐之间存在相互作用,会影响石墨孔隙中固-气界面的光滑程度。论文通过对比温度和熔盐浸渗对石墨微孔结构的影响可知:石墨在纳米尺度范围内的孔隙结构对温度的敏感性更高。3.针对熔盐堆中核石墨面临熔盐浸渗的问题,利用高温xrd装置深入研究熔盐浸渗对核石墨微观结构和热学性质的影响。石墨的高温xrd数据显示:随着温度的升高,石墨(002)方向的层间距逐渐增加,且温度对石墨层间距的影响是可逆的。熔盐浸渗对石墨微观结构的影响研究结果表明:随熔盐浸渗质量的增加,石墨(002)方向的层间距逐渐减小。熔盐浸渗后,flinak熔盐的晶格热膨胀率呈现下降趋势,说明石墨与熔盐之间存在相互作用。熔盐浸渗对石墨宏观热膨胀率的影响研究结果表明:熔盐浸渗后石墨的宏观热膨胀率呈现增加趋势,且熔盐的形态是影响石墨微观结构和宏观热膨胀率的主要因素,其影响的温度区间是25~450℃。熔盐浸渗对石墨性质的影响是熔盐结晶压力和熔盐与石墨的热膨胀系数存在巨大差异共同作用的结果。目前,钍基熔盐堆研发设计团队还没有筛选出符合条件的核石墨。因此,为钍基熔盐堆筛选出合适的核石墨成为一个重大课题。面对熔盐可能浸渗到核石墨孔隙内的问题,钍基熔盐堆需要选用一种具有一定熔盐阻隔性的核石墨。美国橡树岭实验室的研究结果表明:熔盐堆中核石墨的孔隙孔径小于1μm时,核石墨可以有效的阻止熔盐浸渗到石墨孔隙内。鉴于超细颗粒石墨具有较小的孔隙孔径,其熔盐渗透性远远小于细颗粒石墨,钍基熔盐堆项目预备选用超细颗粒石墨作堆用核石墨。在钍基熔盐核反应堆中,核石墨不仅要面临熔盐浸渗的问题,还要面对大剂量中子辐照的挑战。为保障核反应堆运行的安全性,新型核石墨在正式应用到核反应堆之前,需要进行辐照效应的评估。研究团队通过获取完善的中子辐照数据,可以评估核反应堆中核石墨的性能演变,可以估算核石墨的使用寿命,进而可以维护核反应堆的安全运行。由于中子辐照时间长、成本高以及重复性低等原因,核石墨中子辐照实验的实施是非常困难的。在为钍基熔盐堆筛新型核石墨的过程中,研究团队要对所有候选的核石墨材料进行中子辐照实验是非常有难度的。因此,本论文的另外一个研究重点就是超细颗粒石墨的辐照效应。本论文利用离子辐照代替中子辐照,同时借用多种材料表征手段,研究超细颗粒石墨的辐照效应,为钍基熔盐堆超细颗粒石墨的辐照效应研究积累知识。本论文在常温下采用7MeV氙离子辐照(剂量为0.10至5.23 dpa)超细粒级石墨HPG-510和细粒级石墨IG-110,利用SEM、TEM、拉曼光谱仪(Raman)和纳米压痕仪(Nanoindentation)等表征手段,研究超细粒级石墨HPG-510和细粒级石墨IG-110在微观结构和缺陷演变方面的行为差异。根据SEM图显示:随着辐照剂量的增加,石墨表面形貌的破碎程度逐渐增加。在同一辐照剂量下,细颗粒石墨IG-110表面形貌的破碎程度大于超细粒级石墨HPG-510,其结果表明超细粒级石墨HPG-510比细颗粒石墨IG-110更耐离子辐照。论文利用TEM观察两种石墨微裂纹的分布,推测微裂纹密度更大的超细粒级石墨HPG-510更耐离子辐照。随着离子辐照剂量的增加,石墨拉曼光谱的演变与石墨硬度和杨氏模量的变化,都支持超细粒级石墨HPG-510比细颗粒石墨IG-110更耐离子辐照的结论。
[Abstract]:The molten salt reactor is one of the six candidate reactor types of the fourth generation of advanced nuclear reactors . It is safe , the sustainable development of nuclear resources , the economy and the prevention of nuclear non - proliferation . In the liquid molten salt reactor , the molten salt can be divided into liquid molten salt reactor and solid molten salt reactor . The effects of molten salt infiltration on the microstructure and thermal properties of graphite have been studied . The results show that the influence of molten salt infiltration on the microstructure and thermal properties of graphite is the main factor affecting the microstructure and thermal properties of graphite . Under the same irradiation dose , the surface morphology of fine - grained graphite IG - 110 is larger than that of ultra - fine - grained graphite HPG - 510 . The results show that the ultra - fine - grained graphite HPG - 510 is more resistant to ion irradiation than the fine - grained graphite IG - 110 . With the increase of ion irradiation dose , the evolution of the graphite Raman spectrum and the change of the hardness and Young ' s modulus of the graphite support the conclusion that the ultra - fine - grained graphite HPG - 510 is more resistant to ion irradiation than the fine - grained graphite IG - 110 .

【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL426

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