来源：市场资讯
（来源：石墨邦）
摘要
核反应堆堆芯构件需要在高温、强辐照及复杂机械载荷的极端环境下长期服役。特种石墨因其优异的中子慢化性能、抗热冲击性能、耐高温化学稳定性等特性，广泛应用于制造关键堆芯构件。选用日本东洋碳素公司的IG-110和四川福碳新材料科技有限公司的FT-101两种特种石墨，研究二者热应力性能和辐照诱导的性能变化，分析特种石墨的失效机制,预测寿命。测试两种石墨的热膨胀系数随温度、压应力和拉应力变化的规律，基于测试结果，采用多元线性回归方法建立了特种石墨热膨胀系数与温度和应力间的关联模型，用于堆芯构件的热应力计算。同时研究了温度和压力对两种石墨弹性模量和抗压强度的影响，并建立了力学性能关联模型，用于堆芯构件的力学响应计算。研究辐照诱导对膨胀率和力学性能的影响，建立辐照性能关联模型，利用对称性建立1/4三维有限元模型进行石墨堆芯构件“辐照-热-力”多场耦合应力分析，评价使用风险。对FT-101特种石墨构件进行失效机制分析及寿命预测，通过实验与模拟，深入剖析了辐照及热应力引发失效等关键失效机制，并构建基于有限元法的失效概率评估模型。研究满功率年对失效概率的影响，进行了不同蠕变泊松比、一次蠕变的石墨构件寿命预测，可达25.2—32.5年。本研究为高温气冷堆石墨构件的优化设计、安全评定以及寿命预测提供重要的理论依据和技术支撑。
图表信息
温度对两种石墨热膨胀系数的影响
压应力对两种石墨热膨胀系数的影响
拉应力对两种石墨热膨胀系数的影响
温度对两种石墨的弹性模量、抗压强度和抗拉强度的影响
压应力对两种石墨弹性模量和抗压强度的影响
辐照注量对两种石墨线膨胀率、弹性模量和抗压强度的影响
不同蠕变泊松比和一次蠕变对应力和变形梯度的影响
表1两种石墨的常温基础物理性能
表2实验所用主要设备
表3分布类型与参数
表4不同参数组合对寿命的影响
结语
本研究以日本IG-110与国产FT-101特种石墨为对象，探究了温度、应力对膨胀系数的影响，300 ℃升至1 000 ℃时FT-101石墨热膨胀系数增幅达107.7%、弹性模量降幅达43.5%、抗拉强度降幅达47.2%，抗压强度先增6.7%后降35.7%；50 MPa压应力使热膨胀系数增幅达47.1%；10 MPa拉应力则使热膨胀系数降幅达18.8%，建立了拟合优度R²＞0.93的关联模型，揭示了多场耦合下核石墨的性能演化规律。另外研究发现，辐照下石墨呈现先收缩后膨胀的两阶段变形，FT-101的弹性模量降幅达55.3%、抗压强度降幅达39.9%，通过“辐照-热-力”多场耦合仿真可以用于判定石墨的失效形式，预测FT-101为寿命为25.2—32.5年。本研究为高温气冷堆石墨构件的安全设计与寿命评估提供了重要依据。
未来研究需聚焦于更高温度与复杂应力耦合环境下的材料性能测试，建立微观结构与宏观性能的定量关联模型，深入探索长期服役过程中的性能演化规律，并发展基于人工智能的寿命预测方法，以进一步提升反应堆运行的安全性与经济性。
吕鹏，纪斌，张宪国，等.特种石墨在高温气冷堆堆芯构件中的应用性能及失效机制分析［J］.材料研究与应用，2026，20（6）：531-540.
来源：材料研究与应用MRA
热门跟贴