百科：核石墨——核反應堆的“超級材料”

石墨具有優異的中子物理特性，其熱中子吸收截面僅為0.0045barn，而散射截面可達4.7barn。此外，石墨還具有良好的抗輻照性能、機械強度、化學穩定性以及較高的經濟性。因此，它被廣泛應用于水冷堆、高溫氣冷堆、熔鹽堆等多種反應堆類型中。

來源：EastCarbon

核石墨是一種具有復雜微觀結構的準脆性復合材料，由骨料顆粒（如石油焦、瀝青焦或天然瀝青等）和黏結劑組成，作為反應堆堆芯中的關鍵減速材料，核石墨需滿足以下基本質量要求：高純度、高密度、高強度、高熱導率、優良的輻照穩定性和抗氧化性能、低各向異性、低熱膨脹系數、適宜的彈性模量以及較低的制造成本。此外，在核電工程中使用的石墨材料對純度要求極高，需通過優化提純工藝將石墨純度控制在99%~99.99%以上。同時需嚴格限制氟、氯、溴、硫、鉛、汞、鋅、砷、硼、鈷、鈦等雜質元素的含量，以防止其在輻照環境下引發不良反應。

反應堆堆體結構比較復雜，反射層由石墨磚通過鍵、榫、銷、槽等連接而成。此外，堆芯內裝載的球形燃料元件由石墨外殼和含燃料的石墨基體球芯組成，包覆燃料顆粒彌散在石墨基體中，因此球形燃料元件也由核石墨制成。

核工業用石墨材料的優缺點

（1）石墨具有較高的散射截面和極低的熱中子吸收截面，較高的散射截面用以慢化中子，低的吸收截面防止中子被吸收，使得核反應堆能夠利用少量燃料達到臨界或正常運行。

（2）石墨是耐高溫材料，它的三相點在15MPa時為4024℃，因此不能采用熔化、鑄造、鍛造等熱加工方法制造而只能采用類似粉末冶金的方法。它不像金屬那樣強度隨溫度而下降，而是略有增加，在2000℃以下應用，不會出現問題。

（3）石墨有良好的導熱性能，在堆內可以有效地降低溫度梯度，不致產生太大的熱應力。

（4）石墨化學性質非常穩定。除了高溫下的氧化、水蒸氣外，可以耐酸、堿、鹽的腐蝕，因而可以用作熔鹽核反應堆和鈾鉍核反應堆的堆芯構件。

（5）石墨抗輻照性能極好，能長期在堆內服役30～40年。

（6）石墨可加工性好，可以加工成各種形狀的構件。

（7）石墨原料豐富，價格便宜，容易制成純度高、強度大、不同密度要求的各種核石墨，但石墨也有缺點，它是各向異性晶體結構，呈層狀分布，原子密集于a、b晶面，同層原子最近距離為0.141nm，相互為共價結合，具有較強的結合力；而層距離為0.335nm，層間結合力為范德華力，結合力較弱。這種各向異性在石墨的物理、強度、輻照等行為中都會強烈地表現出來。

石墨在核反應堆中的應用

石墨反應堆利用石墨的機械性能、熱穩定性以及中子減速作用，將其應用于各種組件中。

石墨塊核反應堆

在許多石墨慢化反應堆中，石墨塊兼具慢化劑與燃料結構支撐的雙重功能：一方面能夠降低核裂變產生的快中子動能，為持續鏈式反應創造條件；另一方面為燃料組件提供穩定支撐。

在先進氣冷反應堆中，石墨塊構成堆芯結構主體，不僅用于容納冷卻劑通道和燃料棒，其出色的導熱性還能促進整個反應堆的熱量均勻分布，提升運行效率。

核反應堆石墨芯

部分反應堆的整個堆芯由石墨組件構成，同時承擔支撐結構與中子減速器的雙重職責。先進氣冷反應堆所采用的石墨芯，憑借卓越的熱效率支持反應堆實現高溫運行，進一步提升核電轉化效率。

來源：EastCarbon

核反應堆石墨棒

石墨棒在反應堆中主要用作控制棒、慢化棒、結構部件或反射器：作為控制棒或慢化棒插入堆芯時，可通過進一步減慢中子速度優化裂變過程；作為反射器時，能將逃逸的中子反射回堆芯，提高中子經濟性以維持鏈式反應；作為結構部件時，則為堆芯提供可靠的機械結構支撐。

石墨球核反應堆

以球形石墨作為燃料元件是高溫氣冷堆（球床反應堆）的典型設計，核燃料被嵌入石墨球內部，石墨在核裂變過程中發揮中子慢化作用。這種球形燃料設計支持反應堆連續加油：石墨球可在堆芯內自由移動，燃料耗盡后可直接移除并替換新球，無需關閉反應堆，大幅提升運行效率與靈活性。

核反應堆石墨容器

石墨容器用于容納反應堆中的核燃料元件等關鍵材料，不僅能夠有效散熱、防止燃料元件遭受機械損壞，還能在反應堆運行期間可靠保留燃料。借助石墨優異的耐高溫性能，容器可保護核燃料免受過熱影響，實現熱量在堆芯內的均勻分布，同時對中子慢化也能起到積極的輔助作用。

參考來源：

王文東等.核電工程用石墨的性能與應用研究進展

沈杰等.核工程石墨斷裂力學研究進展

EastCarbon、金順碳素