Die Strahlenschädigung von Graphitpulver hat entscheidenden Einfluss auf die technische und wirtschaftliche Leistungsfähigkeit des Reaktors, insbesondere des Kugelhaufenreaktors. Der Mechanismus der Neutronenmoderation beruht auf der elastischen Streuung von Neutronen an den Atomen des Modermaterials, wobei die von ihnen transportierte Energie auf die Atome des Modermaterials übertragen wird. Graphitpulver ist auch ein vielversprechender Kandidat für plasmaorientierte Materialien in Kernfusionsreaktoren. Die folgenden Autoren von Fu Ruite beschreiben die Anwendung von Graphitpulver in Kerntests:
Mit zunehmender Neutronenfluenz schrumpft das Graphitpulver zunächst. Nach Erreichen eines geringen Wertes verringert sich die Schrumpfung, das Pulver erreicht wieder seine ursprüngliche Größe und dehnt sich dann rasch aus. Um die bei der Kernspaltung freigesetzten Neutronen effektiv zu nutzen, müssen diese abgebremst werden. Die thermischen Eigenschaften des Graphitpulvers werden durch Bestrahlungsversuche ermittelt, deren Bedingungen den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Reaktors entsprechen müssen. Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Neutronennutzung ist der Einsatz reflektierender Materialien, um die aus der Kernspaltungszone austretenden Neutronen zurück in den Reaktorkern zu lenken. Der Mechanismus der Neutronenreflexion beruht ebenfalls auf der elastischen Streuung von Neutronen an den Atomen der reflektierenden Materialien. Um die durch Verunreinigungen verursachten Verluste auf ein zulässiges Maß zu beschränken, muss das im Reaktor verwendete Graphitpulver kernrein sein.
Nukleargraphitpulver ist ein Zweig der Graphitpulverwerkstoffe, der Anfang der 1940er Jahre als Reaktion auf den Bedarf beim Bau von Kernspaltungsreaktoren entwickelt wurde. Es wird in Produktionsreaktoren, gasgekühlten Reaktoren und Hochtemperatur-Gasreaktoren als Moderator-, Reflexions- und Strukturmaterial eingesetzt. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron mit einem Atomkern reagiert, wird als Wirkungsquerschnitt bezeichnet. Der Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen (mittlere Energie 0,025 eV) von U-235 ist um zwei Größenordnungen höher als der für Spaltneutronen (mittlere Energie 2 eV). Elastizitätsmodul, Festigkeit und linearer Ausdehnungskoeffizient von Graphitpulver steigen mit zunehmender Neutronenfluenz, erreichen einen hohen Wert und fallen dann rapide ab. Anfang der 1940er Jahre war Graphitpulver mit einer Reinheit nahe am Markt zu einem erschwinglichen Preis erhältlich. Daher wurde Graphitpulver in allen Reaktoren und nachfolgenden Produktionsreaktoren als Moderatormaterial verwendet, was den Beginn des Atomzeitalters einleitete.
Der Schlüssel zur Herstellung von isotropem Graphitpulver liegt in der Verwendung von Kokspartikeln mit guter Isotropie: isotroper Koks oder makroisotroper Sekundärkoks, hergestellt aus anisotropem Koks. Die Sekundärkokstechnologie wird derzeit im Allgemeinen angewendet. Das Ausmaß der Strahlenschäden hängt von den Rohstoffen des Graphitpulvers, dem Herstellungsverfahren, der Fluenz und Fluenzrate schneller Neutronen, der Bestrahlungstemperatur und weiteren Faktoren ab. Das Boräquivalent von nuklearen Graphitpulver sollte etwa 10⁻⁶ betragen.
Veröffentlichungsdatum: 18. Mai 2022