核工程中的石墨和炭素材料

1938 年底、1940 年初, 德国科学家 O .Hahn 和L .M eitner 发现铀原子吸收中子后发生分裂并释放出巨大的能量 。这一发现有两种应用前景 :用于和平的目的生产能量 ;用于战争 ,制造超级武器 。当时正处在第二次世界大战的前夕,受到希特勒迫害流亡到美国的欧洲原子科学家感到十分焦虑, 他们害怕希特勒会迫使他们的德国同行研制原子弹 , 如果希特勒先于其他国家掌握原子弹 , 其后果将是灾难性的 。他们竭力推动美国研制原子弹 。几经周折 ,终
得到美国政府的支持 。1939 年 10 月 ,美国总统罗斯福下令组建一个铀咨询委员会 , 向他报告铀研究的情况。1940 年 6 月,国防研究委员会成立后,铀委员会隶属于它 ,到 1941 年罗斯福成立了最高政策委员会 ,这个委员会包括他本人、副总统、国防部长 、参谋长联席会议主席和科学研究办公室及国防研究委员会负责人, 领导原子弹研制的决策工作。铀研究
委员会升格为科学研究办公室下与国防研究委员会
平级的组织。最高政策委员会于 1941 年 12 月开会
决定由工程兵来负责有关设施的建造工作, 其代号为曼哈顿工程。为了更有效地进行原子弹的研制工作 , 1942 年底美国政府决定由曼哈顿工程统领原子弹研制的全部任务。其建制也从工程兵转为直属美国国防部领导, 由国防部直接向总统负责 。原子弹的研究制造工作开足马力进行 。制造原子弹的核炸药有两种:一种是铀的易裂变同位素铀 -235 ,另一种是钚 -239 。铀-235 在天然铀中含量只有 0 .71 %, 为了作为核炸药使用, 必须把它与占天然铀约 98 .2 %的不易裂变同位素铀-238 分开。因为同位素的化学性质相同 ,不能用化学的办法使之分离, 只能利用它们之间的微小质量差别, 用物理的办法把它们分离开, 这在技术上是十分困难的。自然界中不存在元素钚 ,它可由铀 -238吸收中子后经两次β 衰变得到:铀和钚的化学性质不同, 可以用化学的办法容易地加以分离 。为了保证原子弹制造所需的核炸药 , 钚的研究和生产与铀同位素分离工艺的研究齐头并进 ,但对钚寄于更大的希望 ,给予优先考虑 。生产钚的必要条件是提供强大的中子源, 只有铀的自持可控核裂变链式反应装置 — —核反应堆才能提供这样的中子源 。建造核反应堆的研究工作在意大利物理学家 E .Fe rmi 的领导下在哥伦比亚大学进行。1941 年 12 月, 美国科学研究和发展办公室全力支持对钚的生产和分离工艺研究, 在芝加哥大学设立了 “ 冶金实验室” , 由诺贝尔奖金得主A .Compton 领导钚生产和分离的研究 , 把 E .Fermi的建造核反应堆的研究基地也搬到芝加哥大学。

1 .2 石墨是核工程的助产士如前所述 , 钚的生产研究与铀同位素的分离研究是齐头并进的, 当时没有富集铀 (即同位素铀 -235 的含量大于天然铀中铀 -235 的含量的铀)可以提供 。理论计算表明, 只有重水或石墨慢化的反应堆才有可能使天然铀实现自持核裂变链式反应。当时重水生产技术也处在研究阶段 ,价格昂贵 ,因此唯一现实的途径是用石墨做慢化剂 。经过反复实验表明, 如果能得到足够纯度和密度的石墨 ,用天然铀作燃料 , 自持可控核裂变链式反应是可以实现的 。1940 年末, E .Fermi 提出对石墨的要求[2 ]是 :高中子吸收截面的杂质元素含量尽可能低;密度尽可能高;易于加工堆积起来;易于商业获得。由石油焦制得的石墨成了唯一的选择。当时缺乏含硼量低的石墨 , 到 1942 年初 Speer 公司提供了较纯的石墨 。1942 年 5 月 , 用这些石墨进行指数实验证明中子倍增系数大于 1 的反应堆是可以建成的。反应堆计划加速进行 , 国家碳公司被要求承担高纯石墨的生产任务 , 研制生产出了 AGOT 石墨 , 用于世界上第一座应堆 CP -1 。CP -1 于 1942 年 12 月 2 日达到临界 ,人类首次从原子核获取巨大的能量,开辟了核能利用的新时代。CP -1 使用了除 AGO T 石墨以外的多种不同纯度的石墨 ,总计 385 .5 t 。1 .3 石墨在裂变反应堆中的应用
1 .3 .1 生产堆用核石墨生产堆指以生产钚-239 为主要目的的核反应堆。 CP -1 堆建成后 , 立即在 Oak Ridge 建造了原型堆 X -10 , 以便为几乎同时在 Hanford 兴建的多座生产堆提供经验和指导。 Hanfo rd 的生产堆是水冷却 、 石墨慢化反应堆 。 40 年代末 、 50 年代初, 英国、 法国和前苏联也基于石墨作慢化剂建造了生产堆, 进行武器用钚的生产。一座大型生产堆的石墨用量达几千吨 。
40 年代石墨工艺的发展主要在化学纯化以降低硼含量上。联合炭制品公司于 1948 年把提纯光谱电极的高温氯化处理工艺应用于大块石墨制备, 国家炭公司和大湖炭公司很快把这一生产工艺工业化, 解决高纯石墨的商业供应问题 。