核石墨，指用于核反應(yīng)堆的炭石墨材料，也稱核反應(yīng)堆石墨。主要是原子反應(yīng)堆用中子減速劑、反射劑、生產(chǎn)同位素用的熱柱石墨、高溫氣冷堆用的球狀石墨和塊狀石墨等。核石墨材料在核反應(yīng)堆中，作為中子減速材料和反射材料被廣泛應(yīng)用，還可用作核燃料套或核燃料被覆材料。還有研究用石墨與碳化硅材料用作核聚變反應(yīng)堆的爐壁材料，但是如核石墨質(zhì)量不高也容易引發(fā)核事故。在核反應(yīng)堆應(yīng)用中，用量最多約是減速材料和反射材料。文獻(xiàn)顯示，在天然鈾石墨減速的卡爾德一霍爾型核反應(yīng)堆中，每10MW 電功率大約需要數(shù)百噸石墨，其中減速材料約占2/ 3，反射材料約占1/3。
用于核反應(yīng)堆的炭素材料，按材料分有石墨類、炭質(zhì)類、熱解石墨和各向同性石墨、含硼石墨等。按用途分有減速材料(慢化劑)、反射材料、包殼、熔煉鈾鹽坩堝等。
1、作為減速材料要求：
減速材料在核反應(yīng)堆內(nèi)235U等核分裂物質(zhì)在分裂時，放出的中子速度秒速約3萬km(能量平均約為2MeV)，很難命中原子核，所以為提高核分裂的幾率，繼續(xù)維持連鎖反應(yīng)，則必須減緩中子速度，使之變?yōu)槊胨?000m的低速中子即所謂熱中子(能量約為0.025ev)。減速材料的用途就是把這種高速中子減緩成慢中子。減速材料基本性能要求如下：
2、作為反射材料要求：反射材料的用途是把逃離反應(yīng)堆的中子反射回來并送還堆芯，以防止中子的泄漏。對反射材料的核特性要求，雖不苛刻，但大體上與減速材料相當(dāng)。反射材料質(zhì)量要求如下：
3、防輻射材料要求：如在石墨中加入適量的硼，可制取良好的防放射性輻射線的材料，也可作反射材料。含硼石墨主要性能如下：
4、高溫氣冷堆要求：
高溫氣冷堆用石墨高溫氣冷核反應(yīng)堆的堆芯熱容量大，效率高又安全可靠，并能提供高溫?zé)釕?yīng)用的先進(jìn)反應(yīng)堆型。高溫氣冷核反應(yīng)堆一回路出口溫度可達(dá)950℃，它可滿足熱電聯(lián)供、稠油熱采、煤的氣化液化以及其他方面對大量高溫工藝熱的需求，是迄今國際上公認(rèn)的唯一能提供高溫工藝熱的多用途核能源。高溫氣冷核反應(yīng)堆用石墨材料有裝燃料的石墨球及反應(yīng)堆內(nèi)側(cè)絕熱炭磚。(1)石墨球。一般尺寸外徑60mm，內(nèi)徑50mm，空心球的外層以丙烯之類炭氫化合物為主料進(jìn)行熱解涂層，體積密度達(dá)到1.959/cm3成為致密層。石墨球的質(zhì)量要求如下:
(2)反應(yīng)堆內(nèi)側(cè)用絕熱炭磚(或石墨磚)。其功能是防止堆芯熱量向外殼擴(kuò)散，提高堆芯熱效率。為降低外殼處的放射性強(qiáng)度，一般采用含硼的炭素材料，主要性能如下：
核石墨生產(chǎn)基本上是在普通人造石墨生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上開展起來的。核石墨生產(chǎn)有4個主要問題，即高純度、高密度、各向異性和機(jī)械加工。
(1)高純度。核石墨減速劑的純度是最被重視的特性之一。首先選用純度高、雜質(zhì)含量少的石油焦和煤瀝青作原料。原料雜質(zhì)中硼含量要低，因1×10的硼含量相當(dāng)于增加lmb的截面，高溫石墨化大多數(shù)金屬雜質(zhì)在2800~3000℃揮發(fā)，而硼高于3000℃亦難除去，因硼與碳形成B4C3。對原料中硼含量要求極其嚴(yán)格，除原料外在生產(chǎn)中先后經(jīng)10多道工序減少外來的雜質(zhì)和合理工藝制度也是十分重要的。
(2)高密度。核石墨應(yīng)有較高的密度，一般控制在1.79/cm左右，基本上能滿足石墨堆運(yùn)行要求，石墨的體積密度表示慢化劑的有效慢化率，密度降低則單位體積內(nèi)的原子數(shù)減少，慢化率也就降低。
(3)各向異性小。石墨用于核反應(yīng)堆時，由于溫度上升產(chǎn)生熱膨脹和輻照引起的維格納(Wigner)生長。這種現(xiàn)象在垂直于擠壓方向表現(xiàn)甚大，而平行于擠壓方向表現(xiàn)較小，則石墨塊不能按原始形狀同樣比例膨脹。因而石墨這種各向異性膨脹在由許多石墨塊堆積而成的慢化層的結(jié)構(gòu)是不能忽視的。石墨各向異性主要是由于石墨晶體結(jié)構(gòu)具有極度的各向異性性質(zhì)所致。另一方面在擠壓成型時焦炭顆粒的排列對制品的各向異性也具有決定性的影響，因此要在成型過程中采取措施減少各向異性度。(4)機(jī)械加工。石墨減速層和反射層是由經(jīng)過精加工的塊狀堆砌而成的。石墨砌體中有供燃料棒、控制棒、儀器和試驗(yàn)用的各種孔道，這些孔道均有準(zhǔn)確的尺寸，此外所有的石墨塊砌體能防止中子流和冷卻氣體的泄漏。為此核石墨加工比任何石墨制品加工要求有更高的精密度。實(shí)際上要求精度在幾絲之內(nèi)。為保證產(chǎn)品加工精度設(shè)有專用高精度加工機(jī)床。
