等静压石墨用途之核工业用途一

 1. 直拉单晶硅热场和多晶硅铸锭炉用加热器在直拉单晶硅热场中，等静压石墨部件有坩埚、 加热器、 电极、 隔热遮蔽板、 籽晶夹持器、 旋转坩埚用的底座、 各种圆板、 热反

射板等约 30 种。其中，80%的等静压石墨用于制造坩埚和加热器等。近年来，对单晶硅棒的直径要求越来越大， 300mm 晶片的生产日益成为主流。与此相应， 单晶炉加热区的直径

大多为800 mm， 炉内的石墨坩埚为了保护放置其中的石英坩埚， 直径达到了 860 mm， 加热器直径约 960 ～ 1 000 mm，其他部件的直径有的最大达到了 1 500 mm。
从2003 年开始，人们对地球居住环境的保护意识逐渐增强， 人们越来越青睐不排放二氧化碳的自然
能源。在这种趋势下， 太阳能电池的生产急增。在太阳能电池多晶硅片的制造过程中，首先要将多晶硅碎块熔铸成多晶硅方锭。其中铸锭炉的加热器需要用等静压石墨来制作。

2. 原子能工业
近年来，全球气候变暖。人们认为化石燃料的使用所产生的二氧化碳正是导致这个问题的主要原因。最近几年，虽然发展中国家的经济成长取得
了举世瞩目的成果，但是电力不足的问题却深深地困扰着这些国家。在这样的情况下，人们的眼光转向了能流密度远远高于太阳能电池和风力发电，且
不排放二氧化碳和硫氧化物的原子能发电。目前，全世界已投入使用的核反应堆大都以轻水反应堆为主。这种堆型的工作原理是利用核裂解
时产生的热能将冷水气化为 300 ℃的水蒸气，推动涡轮机发电。但是， 因水堆温度较低， 轻水反应堆的发电效率不是太高。与此相比，高温气冷堆却没有这样的问题。
它以惰性气体(氦气) 为冷却剂， 不仅堆芯出口温度可达近 1 000 ℃， 发电效率高， 还适合制造氢气。可以
说是电力供给和环境保护两不误。石墨适合作为这种高温气冷堆的堆芯材料，因为石墨不但耐高温，而且吸收中子少， 传热性好。
核聚变的燃料及材料资源几乎取之不尽，反应时释放的能量也非常巨大。要使核聚变长期进行，就必须将等离子体维持在一定的温度状态。石墨正
是核聚变等离子体维持不可或缺的重要材料。

． 2． 1 核裂变堆(高温气冷堆)
石墨是中子的慢化剂和优良的反射剂。其自身的许多优良特性，确立了它在核工业领域中的地位。石墨不但能够满足工业量产的需求，而且还具
备了结构材料所要求的高机械强度和耐高温的特点， 因此石墨适合作为高温气冷堆的结构材料。
． 2． 1． 1 石墨用作慢化剂及反射剂的性质要求
( 1)一般特性要求
对石墨的性质要求随核反应堆的类型及设计构造不同而有所变化。核反应堆所需要的石墨材料均为大型材料。此外， 大量生产时，要求石墨材料不
仅品质稳定， 纯度高，而且要耐腐蚀，强度高。
( 2)核石墨的特性及纯度
慢化剂用于核裂变反应堆，使核裂变产生的快中子减速为热中子，提高中子和 235U 原子核碰撞的机会， 从而提高裂变反应的几率。所以，要求慢化剂
对中子有较大的散射截面和较小的吸收面。石墨对中子的慢化能力和反射能力仅次于重水，是除重水外最好的慢化剂。因此，它是高温气冷堆唯一可使用的结构材料。
( 3)辐照损伤引起的物理变化堆芯及周围所用的石墨，在辐照状态下会产生变形，热导率降低，弹性模量增大，发生辐照蠕变
等。因此，用于慢化剂的石墨必须对辐照蠕变及变形所产生的辐照应力有很强的耐受力。
 1． 2 石墨材料在高温气冷堆的使用现状及今后的课题

高温气冷堆非常安全这一特征，使人们提出了模块化高温气冷堆的设计理念。下一代超高温核反应堆( UHTR)， 朝着高功率密度、 高温化方向迈进。
技术上的这些发展进步，对新一代石墨材料的特性提出了更高的要求，比如， 更高的辐照损伤耐受力，
产品均质化， 物美价廉， 长期供货等。美国在下一代核反应堆 ( NGNP) 研发计划中，把日本东洋炭素的IG － 430 和罗兰石墨美国分公司的 2020 两种牌号
的等静压石墨作为备选的堆芯材料进行研究。

2． 2 核聚变反应堆
核聚变反应堆的工作原理是氢的同位素氘和氚的原子核在高温下结合，形成氦原子和中子的同时，释放出巨大的能量。核聚变反应堆的研究开始
于 1950 年，直到超高温等离子体吸收材料的开发成功，才有了突飞猛进的发展。石墨用于核聚变反应堆的等离子体面对材料，很大程度上减少了等离
子体中的金属杂质，并表现出良好的导热性，因此极大地提高了等离子体的能量约束特性。现在大型的核聚变反应堆 JT － 60U 和 JET 的内壁几乎都包覆了石墨。
2007 年 10 月，国际原子能机构发起由 7 个国家(日本、 EU、 俄罗斯、 美国、 中国、 韩国、 印度) 联手执行的国际热核聚变实验反应堆( ITER)计划。这个
计划预计于 2016 年在法国卡达拉什完成。

2． 1 核聚变堆第一壁材料的要求和问题点
等离子体的特性与核聚变装置中等离子体的面对材料有关。如果等离子体中混有高原子序数的杂质时，一旦这些杂质被加热为高价离子与电子
结合，就会增加辐照损失。因为辐射强度与原子序数的 3 ～ 4 次方成正比， 原子序数越大， 辐照损失越大， 所以原子序数 必须小。 一方面， 从等离子体逃
逸出的入射高能粒子、光、热会强烈损伤面对等离子体第一壁材料; 另一方面， 石墨材料的升华、 溅射及从中脱出的气体等混入等离子体中成为杂质。高
能中子对面对材料产生的体损伤，以及高能离子产生的表面损伤等是对面对材料的新挑战。离子体放电脉冲时，嵌入第一壁的燃料粒子飞溅出来，进入
等离子体中，并在壁和等离子体间来回循环。这个过程对保持燃烧很有必要。随着核聚变装置逐渐大型化，为了生成高温等离子体，导热性好、 机械强度
高的石墨材料被用做面对等离子体的第一壁材料，且表现出了良好的放电脉冲效果。此外，即使它们混入等离子体中，因原子序数低，引起的辐照损失
小， 所以能使高温等离子体保持稳定。但是， 氢的同位素入射会导致石墨材料生成 CH4 气体的消耗性化学飞溅现象以及辐射增强升华损耗现象 (辐射增
强升华是指等离子体粒子处于辐照环境下，即使当前温度未达到石墨的正常热升华温度，石墨材料也会升华损耗的现象)。因此， 采用石墨材料做等离子
体的面对材料时，必须注意石墨的使用条件，特别是温度。

 2． 2． 2 核聚变堆用的石墨材料
日本原子能研究所正在研发的临界等离子体装置 JT － 60U 的等离子体面对材料和偏滤器板就采用了石墨材料所做的部件。其中，等离子体出口
处的偏滤器板采用了一种具有高热导率、高耐热冲击力、以炭纤维为原料的特殊 C / C 复合材料，热负荷相对较低的第一壁采用了各向同性石墨材料。

2． 2． 3 下一代核聚变装置( ITER)
ITER 装置中的偏滤器位于等离子体出口处， 承受了极高的粒子负荷以及等离子体破裂过程中所产生的极高的热负荷。为了及时有效地除去偏滤器
承载的高热负荷， ITER 装置的偏滤器部件采用了和JT － 60U 装置具有相同热导率的 C / C 复合材料。 偏滤器部件的制造采用了冷却水管和热沉焊接的技
术。此外，高原子序数 的钨， 因溅射率低， 倾向于用作面对等离子体材料。

2． 2． 3 其他核石墨(反应控制材料)
不管核反应堆中的核分裂物质是否增减，核反应堆必须设置控制棒以及时补偿和调节原子反应堆中的中子数。高温气冷堆使用碳与 B4C 结合制成
的圆柱体为控制棒。这要求石墨材料在所使用的温度环境中必须保持稳定，而且能耐中子辐照。总之，世界原子能工业正经历着各种各样的发
展变化。在高温气冷堆领域，南非和中国的商用高温气冷堆正在推进中。在核聚变反应堆领域，有实验反应堆。国际热核聚变实验反应堆( ITER)计划开
展的同时，日本的 JT － 60 装置改造也在先期进行中。