压应力状态下高温气冷堆用石墨IG11热膨胀系数的研究

摘要

高温气冷堆(HTGR)是在早期气冷堆、改进型气冷堆基础上发展起来的先进堆型,采用弥散于石墨球型基体中的全陶瓷型包覆颗粒原料元件,以中子吸收截面小、化学惰性的氦气作为冷却剂.堆内中子慢化材料、反射层材料、燃料元件结构材料及堆芯结构材料均采用石墨。石墨虽然具有良好的特性,但核反应堆堆芯环境如应力场、高温度场、强中子辐射场对其尺寸的稳定性和性能如石墨尺寸、热膨胀系数、力学性能等会产生影响。应力和辐照蠕变引起的石墨构件热膨胀系数的变化,对反应堆石墨构件特别是大型石墨部件和结构设计具有重要的影响,进而决定反应堆的使用寿命。国内外通过辐照实验对于石墨热膨胀等性能与温度和中子注量的关系已经有了一定的认识,但对于应力状态下石墨材料热膨胀系数与温度的关系,近些年来国外出现了一些报道,但相关资料还处于保密状态,国内尚未有这方面的报道出现。针对清华大学核能与新能源技术研究院开发的10MW高温气冷堆(HTR-10)内大量使用的IG11石墨,采用电阻应变片法,测定石墨在不同静态应力状态下线性热膨胀系数。结果表明,在压应力状态下,随着所加压应力的逐渐增大,石墨轴向(平行于应力方向)热膨胀系数增大,周向(垂直于应力方向)热膨胀系数降低.石墨轴向和周向热膨帐系数的变化随应力的增大逐渐增大,轴向与周向热膨胀系数之比即石墨材料热膨胀系数的各向异性逐渐递增。理论分析表明,应力状态下石墨热膨胀系数的变化,主要与石墨内微裂纹在应力作用下的打开和闭合有关。