Реакторный графит ГР-220 и ГР-280

Реакторный графит ГР-220 и ГР-280 — конструкционные углеродные материалы, разработанные для уран-графитовых реакторов типа РБМК. Основная функция — замедление быстрых нейтронов, образующихся при делении урана, до тепловых энергий, при которых поддерживается цепная реакция. Блоки кладки одновременно выполняют роль нейтронного отражателя и несущей конструкции активной зоны.

Конструкция графитовой кладки РБМК

В реакторе РБМК-1000 графитовая кладка образует цилиндрический массив диаметром 14 м и высотой 8 м; масса графита — около 1700 т. Активная зона в пределах этого массива имеет диаметр 11,8 м и высоту 7 м. В кладке вертикально расположены 1693 технологических канала с тепловыделяющими сборками и 211 каналов системы управления и защиты. Блоки имеют сечение 250×250 мм; продольный размер варьируется от 200 до 600 мм в зависимости от места в кладке.

Кладка — незаменяемый и ограниченно ремонтопригодный узел реактора, именно она определяет ресурс энергоблока. Проектный назначенный ресурс РБМК составляет 30 лет; на действующих блоках он продлён до 45 лет по результатам комплексных обследований и расчётного обоснования.

В реакторе ЭГП-6 (Билибинская АЭС) каналы расположены горизонтально и конструкция кладки иная, однако требования к чистоте и радиационной стойкости графита аналогичны РБМК.

Требования к ядерно-чистому графиту

Ключевое требование — минимальное поглощение нейтронов. Любые примеси с высоким сечением захвата нейтронов (бор, кадмий, ванадий, хлор, литий, редкоземельные металлы) снижают нейтронную экономию реактора. Поэтому ядерно-чистый графит получают из беззольного нефтяного кокса с последующей многоступенчатой высокотемпературной очисткой.

Общие требования к реакторному графиту:

• содержание углерода — более 99,9% массы; бор в термически очищенном графите — не более 0,4 ppm, в химически очищенном — существенно ниже;
• кажущаяся плотность 1,65–1,80 г/см³ — баланс между замедляющей способностью и механической прочностью;
• теплопроводность 100–150 Вт/(м·К) при 20°C — обеспечивает отвод тепла от зон с максимальным тепловыделением;
• прочность на сжатие не менее 20 МПа — для восприятия нагрузок от веса кладки и термических деформаций;
• радиационная размерная стабильность — минимальные изменения геометрии при нейтронных флюенсах до 3×10²⁶ м⁻² (E > 0,18 МэВ).

Технические характеристики ГР-220 и ГР-280

ГР-220 (ранее обозначался Б-15) — более ранняя марка ядерного графита. ГР-280 — основной материал действующих РБМК-1000 и ЭГП-6. Цифра «280» в обозначении отражает температуру финальной высокотемпературной очистки — 2800 К (~2527°C), обеспечивающей дополнительное удаление нейтронопоглощающих примесей. ГР-280 отличается более высокой плотностью, меньшей пористостью и улучшенной радиационной стойкостью.

Характеристика	ГР-220	ГР-280
Кажущаяся плотность, г/см³	1,65–1,72	1,72–1,80
Предел прочности при сжатии, МПа	25–30	30–35
Содержание бора, ppm	≤0,05	≤0,03
Зольность, %	≤0,05	≤0,03
Теплопроводность при 20°C, Вт/(м·К)	100–120	120–150
Радиационная стойкость	Средняя	Повышенная
Типичное применение	Кладки РБМК, исследовательские реакторы	Основной материал кладок РБМК-1000 и ЭГП-6

Технология производства

Исходное сырьё — прокалённый нефтяной кокс специальных марок с размером зерна наполнителя 0,5–1,5 мм; связующее — каменноугольный пек. Производство включает несколько обязательных этапов.

Смешивание кокса и пека при 150–200°C. Формование — экструзия или изостатическое прессование; метод определяет степень анизотропии готового материала. Обжиг при 800–1200°C в бескислородной среде: карбонизация связующего, удаление летучих. Графитизация при 2500–2800°C в электрических печах сопротивления: формируется упорядоченная кристаллическая структура с кристаллитами основной фазы 10–20 мкм. Высокотемпературная очистка галогенсодержащими газами: удаление бора, ванадия и других нейтронопоглощающих примесей. Для ГР-280 предусмотрена финальная ступень очистки при ~2800 К, что и обусловливает более высокую чистоту по сравнению с ГР-220. Даже при этих температурах часть примесей, адсорбированных в порах (редкоземельные металлы, растворённые газы), полностью не удаляется, что учитывается при нейтронно-физическом расчёте реактора.

Поведение графита под нейтронным облучением

Деградация теплопроводности

При облучении нейтронами в диапазоне рабочих температур кладки РБМК (450–800°C) теплопроводность ГР-280 резко снижается. При флюенсе порядка 10²⁶ м⁻² (E > 0,18 МэВ) она падает ниже 5 Вт/(м·К) — то есть в 25–30 раз относительно исходного значения. Это принципиально важно при расчёте напряжённо-деформированного состояния блоков в условиях продлённой эксплуатации: реальная теплопроводность кладки на финальном этапе ресурса в разы ниже паспортной. При высокотемпературном отжиге теплопроводность частично восстанавливается за счёт частичного залечивания радиационных дефектов. Удельная теплоёмкость графита при облучении практически не изменяется.

Радиационная деформация и эффект Вигнера

Нейтронное облучение смещает атомы углерода из узлов кристаллической решётки, накапливая структурные дефекты. Это проявляется в изменении размеров блоков: на начальном этапе — усадка, затем после достижения критического флюенса («точки разворота») — объёмное распухание. При флюенсах порядка 10²¹ н/см² изменение объёма составляет несколько процентов и является одним из критериев оценки остаточного ресурса кладки.

Параллельно в кристаллической решётке накапливается запасённая энергия (энергия Вигнера). В условиях РБМК (облучение при 450–650°C) уровень и температурный профиль выхода этой энергии существенно отличаются от ситуации при низкотемпературном облучении (до 200°C), характерном для ранних реакторов. ГР-280 благодаря более высокой плотности и меньшей пористости демонстрирует лучшую размерную стабильность под облучением по сравнению с ГР-220.

Долгосрочное облучение нейтронами активирует азот-14, содержащийся в порах (как примесный газ и в составе охладительной гелий-азотной смеси), с образованием долгоживущего изотопа ¹⁴C. Это является главной причиной отнесения отработанного графита к радиоактивным отходам, требующим специальной классификации и утилизации.

Применение ГР-220 и ГР-280

ГР-280 — основной материал кладок всех действующих российских РБМК-1000 (Ленинградская, Смоленская, Курская АЭС) и ЭГП-6 (Билибинская АЭС). Из него изготавливают блоки замедлителя, отражатели нейтронов и конструкционные элементы активной зоны. ГР-220 применяется в кладках РБМК и исследовательских ядерных установках, включая зоны с менее жёсткими требованиями по радиационной стойкости.

Выбор между марками определяется проектными требованиями конкретного реактора и позиции в кладке: в зонах максимального нейтронного потока предпочтителен ГР-280 с его более высокой чистотой и плотностью.

Подробнее о номенклатуре реакторного графита — в разделе «Графит реакторный». Смежная специализированная марка — реакторный графит ГРЧ.

Контроль качества и поставка

При входном и приёмочном контроле реакторного графита проверяют: кажущуюся плотность гидростатическим методом (критерий однородности партии); предел прочности при сжатии на образцах, ориентированных параллельно и перпендикулярно оси прессования — материал анизотропен; содержание бора и редкоземельных элементов методами РФА или ИСП-МС; зольность как интегральный показатель чистоты.

Поставляется в виде обработанных блоков стандартизированных размеров, а также заготовок под механическую обработку по чертежу заказчика. Объём партии, документация и технические условия поставки — по запросу.