【摘要】 本文深度解析提纯工艺对天然鳞片石墨(AGP)与合成石墨粉体(NFGP)性能的影响机制，揭示石墨材料在高温气冷堆燃料元件中的关键作用及质量控制要点。

石墨材料在高温气冷堆中的核心作用

高温气冷堆（HTGR）的燃料元件设计主要采用球形结构，这种源自德国AVR反应堆的技术已成功应用于中国HTR-10实验堆及新一代HTR-PM商用堆。每个燃料球包含数千个TRISO包覆颗粒，其结构完整性由A3-3基体石墨（MG）支撑。该材料由71%天然鳞片石墨、18%人造石墨及11%树脂碳构成，承担着热量传导与辐射防护双重使命。

 

图1 天然石墨提纯前后粒径分布对比（激光衍射法测定）

图1 激光衍射纯化前后NFGP和AGP的PSD。

 

石墨提纯工艺的技术突破

原料处理关键工序

石墨原料需经卤素高温提纯→精细研磨→粒径分级→成型处理等工序，最终获得符合核级标准的粉体材料。值得注意的是，传统工艺存在两大技术瓶颈：

1.合格品率仅50%左右

2.加工过程中二次污染风险

 

图2 人造石墨提纯前后微观结构对比

图2 BET法纯化前后NFGP和AGP的SSA。

 

工艺优化新方向

通过改进提纯工序时序，将最终提纯步骤后置可有效降低生产成本30%以上。但需特别注意工序调整对材料特性的影响：

  • 表观密度变化率≤0.15g/cm³
  • 比表面积(SSA)波动范围控制在5m²/g内
  • 晶粒尺寸(La)增幅达12-18nm

 

微观结构特性对比分析

性能参数变化趋势

指标

天然鳞片石墨(NFGP)

人造石墨(AGP)

灰分含量

↓92%

↓85%

硼含量

<0.001μg/g

<0.001μg/g

孔隙率

↓18%

↓23%

石墨化程度

+7.2%

+12.5%

结构演化机理

1.天然石墨特性：层状结构在提纯过程中发生有序重排，D50粒径增大0.8-1.2μm

2.合成石墨演变：人造石墨的球形颗粒表面缺陷减少，BJH孔径分布集中度提升40%

 

质量控制与工程应用

通过Zhou团队2018年建立的"三阶筛选法"，成功将燃料元件合格率提升至98.7%。当前HTR-PM项目年需3万颗燃料球的生产标准要求：

  • 抗压强度≥65MPa
  • 热导率≥90W/(m·K)
  • 灰分含量≤300ppm

 

技术展望与挑战

未来研究将聚焦于：

1.开发低温等离子体提纯新工艺

2.建立石墨粉体缺陷率在线检测系统

3.优化粒径分布多模态控制算法

 

参考文献：1.&nbspZhou, X.;  Yang, Y.;  Ma, J.;  Zhang, K.;  Song, J.;  Wang, L.;  Liu, B.;  Zhang, J.;  Lu, Z.; Tang, Y., Effects of purification on the properties and microstructures of natural flake and artificial graphite powders. Nucl. Eng. Des. 2020, 360, 110527.

 

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