核工程中的石墨和炭素材料

1938 年底、1940 年初, 德國(guó)科學(xué)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(yīng)用前景 :用于和平的目的生產(chǎn)能量 ;用于戰(zhàn)爭(zhēng) ,制造超級(jí)武器 。當(dāng)時(shí)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(guó)的歐洲原子科學(xué)家感到十分焦慮, 他們害怕希特勒會(huì)迫使他們的德國(guó)同行研制原子彈 , 如果希特勒先于其他國(guó)家掌握原子彈 , 其后果將是災(zāi)難性的 。他們竭力推動(dòng)美國(guó)研制原子彈 。幾經(jīng)周折 ,終
得到美國(guó)政府的支持 。1939 年 10 月 ,美國(guó)總統(tǒng)羅斯福下令組建一個(gè)鈾咨詢委員會(huì) , 向他報(bào)告鈾研究的情況。1940 年 6 月,國(guó)防研究委員會(huì)成立后,鈾委員會(huì)隸屬于它 ,到 1941 年羅斯福成立了最高政策委員會(huì) ,這個(gè)委員會(huì)包括他本人、副總統(tǒng)、國(guó)防部長(zhǎng) 、參謀長(zhǎng)聯(lián)席會(huì)議主席和科學(xué)研究辦公室及國(guó)防研究委員會(huì)負(fù)責(zé)人, 領(lǐng)導(dǎo)原子彈研制的決策工作。鈾研究
委員會(huì)升格為科學(xué)研究辦公室下與國(guó)防研究委員會(huì)
平級(jí)的組織。最高政策委員會(huì)于 1941 年 12 月開(kāi)會(huì)
決定由工程兵來(lái)負(fù)責(zé)有關(guān)設(shè)施的建造工作, 其代號(hào)為曼哈頓工程。為了更有效地進(jìn)行原子彈的研制工作 , 1942 年底美國(guó)政府決定由曼哈頓工程統(tǒng)領(lǐng)原子彈研制的全部任務(wù)。其建制也從工程兵轉(zhuǎn)為直屬美國(guó)國(guó)防部領(lǐng)導(dǎo), 由國(guó)防部直接向總統(tǒng)負(fù)責(zé) 。原子彈的研究制造工作開(kāi)足馬力進(jìn)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(kāi)。因?yàn)橥凰氐幕瘜W(xué)性質(zhì)相同 ,不能用化學(xué)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(kāi), 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(xué)性質(zhì)不同, 可以用化學(xué)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(jìn) ,但對(duì)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(qiáng)大的中子源, 只有鈾的自持可控核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置 — —核反應(yīng)堆才能提供這樣的中子源 。建造核反應(yīng)堆的研究工作在意大利物理學(xué)家 E .Fe rmi 的領(lǐng)導(dǎo)下在哥倫比亞大學(xué)進(jìn)行。1941 年 12 月, 美國(guó)科學(xué)研究和發(fā)展辦公室全力支持對(duì)钚的生產(chǎn)和分離工藝研究, 在芝加哥大學(xué)設(shè)立了 “ 冶金實(shí)驗(yàn)室” , 由諾貝爾獎(jiǎng)金得主A .Compton 領(lǐng)導(dǎo)钚生產(chǎn)和分離的研究 , 把 E .Fermi的建造核反應(yīng)堆的研究基地也搬到芝加哥大學(xué)。

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(jìn)的, 當(dāng)時(shí)沒(méi)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(jì)算表明, 只有重水或石墨慢化的反應(yīng)堆才有可能使天然鈾實(shí)現(xiàn)自持核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。當(dāng)時(shí)重水生產(chǎn)技術(shù)也處在研究階段 ,價(jià)格昂貴 ,因此唯一現(xiàn)實(shí)的途徑是用石墨做慢化劑 。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)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?zhǔn)椒磻?yīng)是可以實(shí)現(xiàn)的 。1940 年末, E .Fermi 提出對(duì)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(lái);易于商業(yè)獲得。由石油焦制得的石墨成了唯一的選擇。當(dāng)時(shí)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(jìn)行指數(shù)實(shí)驗(yàn)證明中子倍增系數(shù)大于 1 的反應(yīng)堆是可以建成的。反應(yīng)堆計(jì)劃加速進(jìn)行 , 國(guó)家碳公司被要求承擔(dān)高純石墨的生產(chǎn)任務(wù) , 研制生產(chǎn)出了 AGOT 石墨 , 用于世界上第一座應(yīng)堆 CP -1 。CP -1 于 1942 年 12 月 2 日達(dá)到臨界 ,人類首次從原子核獲取巨大的能量,開(kāi)辟了核能利用的新時(shí)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(jì) 385 .5 t 。1 .3 石墨在裂變反應(yīng)堆中的應(yīng)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(yīng)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(shí)在 Hanford 興建的多座生產(chǎn)堆提供經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。 Hanfo rd 的生產(chǎn)堆是水冷卻 、 石墨慢化反應(yīng)堆 。 40 年代末 、 50 年代初, 英國(guó)、 法國(guó)和前蘇聯(lián)也基于石墨作慢化劑建造了生產(chǎn)堆, 進(jìn)行武器用钚的生產(chǎn)。一座大型生產(chǎn)堆的石墨用量達(dá)幾千噸 。
40 年代石墨工藝的發(fā)展主要在化學(xué)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(yīng)用于大塊石墨制備, 國(guó)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(yīng)問(wèn)題 。