应力状态下核石墨热膨胀系数及其微观机理的研究

作为高温气冷堆的慢化剂、反射层和结构材料，核石墨将被大量使用。堆内石墨构件的完整性和石墨散体结构的稳定性与反应堆的安全息息相关。石墨的热膨胀系数是保证石墨构件和散体结构完整性及进行稳定性评估的重要参数，应力会导致石墨的热膨胀系数发生改变。本项目采用应变电测法测量应力条件下国产核石墨在常温-1000℃的热膨胀系数，研究加载应力对其热膨胀系数的影响。随后利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等实验手段对核石墨的微观组织结构进行检测，研究应力对其微观组织结构的影响，并结合实验数据，分析石墨微观组织结构与其宏观热膨胀性能的相互联系，并与国外核石墨的相关性能进行对比分析，建立应力状态下热膨胀系数的变化机制，创建国内外常用核石墨在应力状态下热膨胀系数的数据库，为堆内石墨构件设计及其完整性和安全性评估提供参考数据，并为国产核石墨的生产改进及其在高温气冷堆中的应用提供支持。

采用应变电测法，对核石墨IG-11在应力条件下的热膨胀行为进行研究。建立了用于测试应力条件下石墨热膨胀行为的研究平台，选取热膨胀系数（CTE）与石墨相近的金属钼和钨，采用应变电测法测得其CTE，与热膨胀仪测定的结果十分接近，误差仅为1.70%和0.95%，这表明采用应变电测法测定材料的CTE是可靠的。通过应变电测法测量未加载石墨IG-11在室温~250℃温度范围内的CTE，得到横向和纵向试样的平均CTE为3.91（单位为10-6/K）和3.88，与其真实CTE间的误差仅为0.3%和0.5%，从而验证了应变电测法测试石墨IG-11的CTE的可行性和可靠性。.预加载应力对石墨IG-11的热膨胀行为影响显著。预加载压缩应力后试样的CTE随着应力的增大逐渐增大，且呈现较好的线性关系。与未加载试样相比，横向试样在分别预加载10、20、30和40MPa压缩应力后的平均CTE由3.79增大至4.02、4.14、4.30和4.42，分别提高约6%、9.2%、13.5%和16.6%；对于纵向试样，预加载压缩应力后的平均CTE分别提高约5.3%、9%、12.2%和16.5%。预加载压缩应力后试样CTE的提高，主要与预加载中试样的塑性变形有关。.加载压缩应力对于石墨IG-11的CTE影响显著。石墨IG-11的CTE随加载压缩应力的增大呈线性变化，这与预加载压缩应力后石墨IG-11的热膨胀行为的变化一致。平行于加载方向（轴向）的CTE随着压缩应力的增大显著升高，而垂直于加载方向（周向）的CTE则随着压缩应力的增大逐渐降低。与未加载状态下相比，横向试样在室温~250℃加载压缩应力20、30和40MPa时的平均轴向CTE由3.85增大至4.32、4.56和4.80，分别提高约12%、18%和25%；平均周向CTE则由3.81减少至3.63、3.57和3.53，分别降低约4.7%、6.3%和7.4%。纵向试样也有类似的变化规律。在加载压缩应力条件下，轴向和周向的各向异性均低于1.05，保持了很好的各向同性，这对于保持反应堆内石墨结构的整体性是十分有利的。.石墨试样在加载压缩应力条件下CTE的变化，主要与石墨内部Mrozowski裂纹的打开和关闭有关，该裂纹会抵消石墨的部分热膨胀。而预加载条件下石墨在加载方向上因塑性变形使得其内部微裂纹的减少从而导致石墨CTE的提高也进一步印证了该理论分析。