特種石墨在高溫氣冷堆堆芯構(gòu)件中的應(yīng)用性能及失效機(jī)制分析

來源：市場(chǎng)資訊

（來源：石墨邦）

摘要

核反應(yīng)堆堆芯構(gòu)件需要在高溫、強(qiáng)輻照及復(fù)雜機(jī)械載荷的極端環(huán)境下長(zhǎng)期服役。特種石墨因其優(yōu)異的中子慢化性能、抗熱沖擊性能、耐高溫化學(xué)穩(wěn)定性等特性，廣泛應(yīng)用于制造關(guān)鍵堆芯構(gòu)件。選用日本東洋碳素公司的IG-110和四川福碳新材料科技有限公司的FT-101兩種特種石墨，研究二者熱應(yīng)力性能和輻照誘導(dǎo)的性能變化，分析特種石墨的失效機(jī)制,預(yù)測(cè)壽命。測(cè)試兩種石墨的熱膨脹系數(shù)隨溫度、壓應(yīng)力和拉應(yīng)力變化的規(guī)律，基于測(cè)試結(jié)果，采用多元線性回歸方法建立了特種石墨熱膨脹系數(shù)與溫度和應(yīng)力間的關(guān)聯(lián)模型，用于堆芯構(gòu)件的熱應(yīng)力計(jì)算。同時(shí)研究了溫度和壓力對(duì)兩種石墨彈性模量和抗壓強(qiáng)度的影響，并建立了力學(xué)性能關(guān)聯(lián)模型，用于堆芯構(gòu)件的力學(xué)響應(yīng)計(jì)算。研究輻照誘導(dǎo)對(duì)膨脹率和力學(xué)性能的影響，建立輻照性能關(guān)聯(lián)模型，利用對(duì)稱性建立1/4三維有限元模型進(jìn)行石墨堆芯構(gòu)件“輻照-熱-力”多場(chǎng)耦合應(yīng)力分析，評(píng)價(jià)使用風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)FT-101特種石墨構(gòu)件進(jìn)行失效機(jī)制分析及壽命預(yù)測(cè)，通過實(shí)驗(yàn)與模擬，深入剖析了輻照及熱應(yīng)力引發(fā)失效等關(guān)鍵失效機(jī)制，并構(gòu)建基于有限元法的失效概率評(píng)估模型。研究滿功率年對(duì)失效概率的影響，進(jìn)行了不同蠕變泊松比、一次蠕變的石墨構(gòu)件壽命預(yù)測(cè)，可達(dá)25.2—32.5年。本研究為高溫氣冷堆石墨構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全評(píng)定以及壽命預(yù)測(cè)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

圖表信息

溫度對(duì)兩種石墨熱膨脹系數(shù)的影響

壓應(yīng)力對(duì)兩種石墨熱膨脹系數(shù)的影響

拉應(yīng)力對(duì)兩種石墨熱膨脹系數(shù)的影響

溫度對(duì)兩種石墨的彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響

壓應(yīng)力對(duì)兩種石墨彈性模量和抗壓強(qiáng)度的影響

輻照注量對(duì)兩種石墨線膨脹率、彈性模量和抗壓強(qiáng)度的影響

不同蠕變泊松比和一次蠕變對(duì)應(yīng)力和變形梯度的影響

表1兩種石墨的常溫基礎(chǔ)物理性能

表2實(shí)驗(yàn)所用主要設(shè)備

表3分布類型與參數(shù)

表4不同參數(shù)組合對(duì)壽命的影響

結(jié)語

本研究以日本IG-110與國(guó)產(chǎn)FT-101特種石墨為對(duì)象，探究了溫度、應(yīng)力對(duì)膨脹系數(shù)的影響，300 ℃升至1 000 ℃時(shí)FT-101石墨熱膨脹系數(shù)增幅達(dá)107.7%、彈性模量降幅達(dá)43.5%、抗拉強(qiáng)度降幅達(dá)47.2%，抗壓強(qiáng)度先增6.7%后降35.7%；50 MPa壓應(yīng)力使熱膨脹系數(shù)增幅達(dá)47.1%；10 MPa拉應(yīng)力則使熱膨脹系數(shù)降幅達(dá)18.8%，建立了擬合優(yōu)度R2＞0.93的關(guān)聯(lián)模型，揭示了多場(chǎng)耦合下核石墨的性能演化規(guī)律。另外研究發(fā)現(xiàn)，輻照下石墨呈現(xiàn)先收縮后膨脹的兩階段變形，F(xiàn)T-101的彈性模量降幅達(dá)55.3%、抗壓強(qiáng)度降幅達(dá)39.9%，通過“輻照-熱-力”多場(chǎng)耦合仿真可以用于判定石墨的失效形式，預(yù)測(cè)FT-101為壽命為25.2—32.5年。本研究為高溫氣冷堆石墨構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)與壽命評(píng)估提供了重要依據(jù)。

未來研究需聚焦于更高溫度與復(fù)雜應(yīng)力耦合環(huán)境下的材料性能測(cè)試，建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的定量關(guān)聯(lián)模型，深入探索長(zhǎng)期服役過程中的性能演化規(guī)律，并發(fā)展基于人工智能的壽命預(yù)測(cè)方法，以進(jìn)一步提升反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

呂鵬，紀(jì)斌，張憲國(guó)，等.特種石墨在高溫氣冷堆堆芯構(gòu)件中的應(yīng)用性能及失效機(jī)制分析［J］.材料研究與應(yīng)用，2026，20（6）：531-540.

來源：材料研究與應(yīng)用MRA