核工程中的石墨和炭素材料

1938 年底、1940 年初, 德國科學家 O .Hahn 和L .M eitner 發(fā)現(xiàn)鈾原子吸收中子后發(fā)生分裂并釋放出巨大的能量 。這一發(fā)現(xiàn)有兩種應用前景 :用于和平的目的生產(chǎn)能量 ;用于戰(zhàn)爭 ,制造超級武器 。當時正處在第二次世界大戰(zhàn)的前夕,受到希特勒迫害流亡到美國的歐洲原子科學家感到十分焦慮, 他們害怕希特勒會迫使他們的德國同行研制原子彈 , 如果希特勒先于其他國家掌握原子彈 , 其后果將是災難性的 。他們竭力推動美國研制原子彈 。幾經(jīng)周折 ,終
得到美國政府的支持 。1939 年 10 月 ,美國總統(tǒng)羅斯福下令組建一個鈾咨詢委員會 , 向他報告鈾研究的情況。1940 年 6 月,國防研究委員會成立后,鈾委員會隸屬于它 ,到 1941 年羅斯福成立了最高政策委員會 ,這個委員會包括他本人、副總統(tǒng)、國防部長 、參謀長聯(lián)席會議主席和科學研究辦公室及國防研究委員會負責人, 領導原子彈研制的決策工作。鈾研究
委員會升格為科學研究辦公室下與國防研究委員會
平級的組織。最高政策委員會于 1941 年 12 月開會
決定由工程兵來負責有關(guān)設施的建造工作, 其代號為曼哈頓工程。為了更有效地進行原子彈的研制工作 , 1942 年底美國政府決定由曼哈頓工程統(tǒng)領原子彈研制的全部任務。其建制也從工程兵轉(zhuǎn)為直屬美國國防部領導, 由國防部直接向總統(tǒng)負責 。原子彈的研究制造工作開足馬力進行 。制造原子彈的核炸藥有兩種:一種是鈾的易裂變同位素鈾 -235 ,另一種是钚 -239 。鈾-235 在天然鈾中含量只有 0 .71 %, 為了作為核炸藥使用, 必須把它與占天然鈾約 98 .2 %的不易裂變同位素鈾-238 分開。因為同位素的化學性質(zhì)相同 ,不能用化學的辦法使之分離, 只能利用它們之間的微小質(zhì)量差別, 用物理的辦法把它們分離開, 這在技術(shù)上是十分困難的。自然界中不存在元素钚 ,它可由鈾 -238吸收中子后經(jīng)兩次β 衰變得到:鈾和钚的化學性質(zhì)不同, 可以用化學的辦法容易地加以分離 。為了保證原子彈制造所需的核炸藥 , 钚的研究和生產(chǎn)與鈾同位素分離工藝的研究齊頭并進 ,但對钚寄于更大的希望 ,給予優(yōu)先考慮 。生產(chǎn)钚的必要條件是提供強大的中子源, 只有鈾的自持可控核裂變鏈式反應裝置 — —核反應堆才能提供這樣的中子源 。建造核反應堆的研究工作在意大利物理學家 E .Fe rmi 的領導下在哥倫比亞大學進行。1941 年 12 月, 美國科學研究和發(fā)展辦公室全力支持對钚的生產(chǎn)和分離工藝研究, 在芝加哥大學設立了 “ 冶金實驗室” , 由諾貝爾獎金得主A .Compton 領導钚生產(chǎn)和分離的研究 , 把 E .Fermi的建造核反應堆的研究基地也搬到芝加哥大學。

1 .2 石墨是核工程的助產(chǎn)士如前所述 , 钚的生產(chǎn)研究與鈾同位素的分離研究是齊頭并進的, 當時沒有富集鈾 (即同位素鈾 -235 的含量大于天然鈾中鈾 -235 的含量的鈾)可以提供 。理論計算表明, 只有重水或石墨慢化的反應堆才有可能使天然鈾實現(xiàn)自持核裂變鏈式反應。當時重水生產(chǎn)技術(shù)也處在研究階段 ,價格昂貴 ,因此唯一現(xiàn)實的途徑是用石墨做慢化劑 。經(jīng)過反復實驗表明, 如果能得到足夠純度和密度的石墨 ,用天然鈾作燃料 , 自持可控核裂變鏈式反應是可以實現(xiàn)的 。1940 年末, E .Fermi 提出對石墨的要求[2 ]是 :高中子吸收截面的雜質(zhì)元素含量盡可能低;密度盡可能高;易于加工堆積起來;易于商業(yè)獲得。由石油焦制得的石墨成了唯一的選擇。當時缺乏含硼量低的石墨 , 到 1942 年初 Speer 公司提供了較純的石墨 。1942 年 5 月 , 用這些石墨進行指數(shù)實驗證明中子倍增系數(shù)大于 1 的反應堆是可以建成的。反應堆計劃加速進行 , 國家碳公司被要求承擔高純石墨的生產(chǎn)任務 , 研制生產(chǎn)出了 AGOT 石墨 , 用于世界上第一座應堆 CP -1 。CP -1 于 1942 年 12 月 2 日達到臨界 ,人類首次從原子核獲取巨大的能量,開辟了核能利用的新時代。CP -1 使用了除 AGO T 石墨以外的多種不同純度的石墨 ,總計 385 .5 t 。1 .3 石墨在裂變反應堆中的應用
1 .3 .1 生產(chǎn)堆用核石墨生產(chǎn)堆指以生產(chǎn)钚-239 為主要目的的核反應堆。 CP -1 堆建成后 , 立即在 Oak Ridge 建造了原型堆 X -10 , 以便為幾乎同時在 Hanford 興建的多座生產(chǎn)堆提供經(jīng)驗和指導。 Hanfo rd 的生產(chǎn)堆是水冷卻 、 石墨慢化反應堆 。 40 年代末 、 50 年代初, 英國、 法國和前蘇聯(lián)也基于石墨作慢化劑建造了生產(chǎn)堆, 進行武器用钚的生產(chǎn)。一座大型生產(chǎn)堆的石墨用量達幾千噸 。
40 年代石墨工藝的發(fā)展主要在化學純化以降低硼含量上。聯(lián)合炭制品公司于 1948 年把提純光譜電極的高溫氯化處理工藝應用于大塊石墨制備, 國家炭公司和大湖炭公司很快把這一生產(chǎn)工藝工業(yè)化, 解決高純石墨的商業(yè)供應問題 。