英國國家核實(shí)驗(yàn)室和利物浦大學(xué)的新研究使用了一種新技術(shù)來研究熱氧化如何影響核石墨的結(jié)構(gòu)，以便核反應(yīng)堆可以設(shè)計(jì)得運(yùn)行更長時(shí)間。

研究人員檢查了超細(xì)晶核石墨的孔隙率，并將其與稱為熱氧化的化學(xué)變化聯(lián)系起來。他們專注于一些先進(jìn)反應(yīng)堆(稱為高溫反應(yīng)堆(HTR))將產(chǎn)生的極高溫度。這些發(fā)現(xiàn)可用于設(shè)計(jì)高效的核反應(yīng)堆，其使用壽命比原來的核反應(yīng)堆要長得多。

石墨由微小晶體組成，這些晶體共同形成“晶粒”或“填充顆粒”。晶粒尺寸和孔隙率用于將核石墨分為不同等級。它在多種類型的核反應(yīng)堆中發(fā)揮著重要作用。它用于當(dāng)前運(yùn)行的反應(yīng)堆群，自 20 世紀(jì) 50 年代以來，這些反應(yīng)堆供應(yīng)了英國約 20% 的碳中和電力，并且未來可能用于先進(jìn)反應(yīng)堆。

NNL 高級研究員 Nassia Tzelepi 解釋說，熱氧化是高溫氣冷堆石墨組件中影響反應(yīng)堆性能的兩種機(jī)制之一。“要使石墨適合高溫氣冷堆，需要充分了解其演變及其對石墨性能的影響。”

石墨在某些類型的反應(yīng)堆中用作慢化劑，所有反應(yīng)堆都需要冷卻劑來消除堆芯中產(chǎn)生的熱量。

現(xiàn)有的反應(yīng)堆將冷卻劑輸送到渦輪機(jī)來發(fā)電，而未來的反應(yīng)堆可以用它來產(chǎn)生一些行業(yè)所需的熱量。在高溫氣體反應(yīng)堆 (HTGR) 中，氦氣用作冷卻劑，溫度可達(dá) 700 °C 以上。氦氣即使經(jīng)過純化，也含有空氣或水分等物質(zhì)。這些雜質(zhì)與高溫相結(jié)合，會在反應(yīng)堆預(yù)計(jì) 40 至 60 年的使用壽命內(nèi)逐漸導(dǎo)致石墨氧化。

氧化可以改變石墨的孔隙率，這是影響其性能的關(guān)鍵特性。有點(diǎn)矛盾的是，氧化程度取決于孔隙率：孔隙如何連接在一起、它們的大小以及材料的整體滲透性。氧化可能是由高溫(稱為熱氧化)或輻射引起的。英國科學(xué)家在歷史悠久的 Magnox 石墨慢化反應(yīng)堆中對輻射引起的氧化有豐富的經(jīng)驗(yàn)，這些反應(yīng)堆的運(yùn)行溫度約為 350 至 450 °C。現(xiàn)在的研究重點(diǎn)是新一代反應(yīng)堆產(chǎn)生的更高溫度下會發(fā)生什么。

這個(gè)過程很復(fù)雜。與許多其他復(fù)合材料一樣，制造工藝和原材料類型都會對最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生影響。石墨由通常具有隨機(jī)方向的微小晶體組成。許多晶體一起形成“顆粒”或“填充顆粒”。可以生產(chǎn)不同等級的石墨，其特征在于填料顆粒的平均尺寸和孔隙率。Tzelepi 表示，“每種石墨都是不同的，具體取決于原材料及其制造方式。我們想知道是什么使得看似相同屬性的石墨在熱氧化下表現(xiàn)不同。” 造成不同行為的可能原因有很多，可以通過在顯微鏡下觀察微觀結(jié)構(gòu)來研究這些原因。

Tzelepi 的團(tuán)隊(duì)將研究重點(diǎn)放在平均晶粒尺寸為 10-120 微米的超細(xì)晶石墨上，因?yàn)橄乱淮磻?yīng)堆正在考慮使用這些材料。使用高溫爐和精心控制的氣氛，四種等級的超細(xì)晶石墨在 700-800°C 的溫度下進(jìn)行氧化。

專門為分析歷史反應(yīng)堆中的核石墨而開發(fā)的技術(shù)適用于穿透超細(xì)粒石墨中存在的較小孔隙。該技術(shù)涉及用熒光染料飽和“開放”毛孔。這些開放的孔隙可以被反應(yīng)堆冷卻劑滲透，因此將它們與無法進(jìn)入的“封閉”孔隙區(qū)分開來非常重要。使用顯微鏡收集并分析開孔和閉孔的圖像。

通過將該技術(shù)與其他標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)相結(jié)合，找到了解釋不同行為的線索。圖中所示的三個(gè)獨(dú)立樣品的總體氧化深度與相對較大的互連孔的存在有關(guān)，但在石墨塊的表面，狹窄的開放孔的精細(xì)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)了表面附近的氧化。

研究小組還發(fā)現(xiàn)石墨的氧化速率似乎較低，其中微觀結(jié)構(gòu)的某些部分聚集在一起形成小團(tuán)聚物。當(dāng)顆粒以這種方式聚集在一起時(shí)，可能被氧化的暴露邊緣就會減少。

所有這些有關(guān)微觀結(jié)構(gòu)的信息都可以用來準(zhǔn)確確定石墨在未來反應(yīng)堆中的表現(xiàn)。“50 多年來，英國一直在運(yùn)行承受高水平輻射分解氧化的石墨慢化反應(yīng)堆，”Tzelepi 指出。盡管輻射分解氧化的機(jī)理不同，但可以借鑒大量經(jīng)驗(yàn)，不僅可以了解氧化對石墨性能的影響，還可以開發(fā)研究它的方法。”

從這些新技術(shù)中獲得的見解支持未來反應(yīng)堆的發(fā)展，確保它們始終在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，并使其能夠在完全依賴碳中性能源的未來中發(fā)揮主導(dǎo)作用。