Реакторный графит ГР-220 и ГР-280

Реакторные графиты ГР-220 и ГР-280 — специализированные материалы, разработанные в СССР для использования в ядерных реакторах типа РБМК (Реактор Большой Мощности Канальный). Они выполняют функции замедлителей нейтронов, отражателей и конструкционных элементов, обеспечивая устойчивую цепную реакцию и структурную целостность активной зоны.

Общие требования к реакторному графиту включают чистоту с содержанием бора ≤0,4 ppm для минимизации нейтронного поглощения, плотность 1,65–1,85 г/см³, обеспечивающую баланс между замедлением нейтронов и механической прочностью, теплопроводность 100–150 Вт/(м·К) при 20°C для эффективного отвода тепла, радиационную стойкость, позволяющую выдерживать нейтронный флюенс до ~10²² н/см² с минимальными изменениями размеров, и механическую прочность с прочностью на сжатие >20 МПа для конструкционных нагрузок.

ГР-220 характеризуется плотностью 1,65–1,70 г/см³, прочностью на сжатие 25–30 МПа, содержанием бора ≤0,05 ppm, теплопроводностью 100–120 Вт/(м·К) при 20°C, зольностью ≤0,05%. Применяется в блоках замедлителя реакторов. Это марка, менее устойчивая к радиационным повреждениям по сравнению с ГР-280.

ГР-280 обладает плотностью 1,75–1,80 г/см³, прочностью на сжатие 30–35 МПа, содержанием бора ≤0,03 ppm, теплопроводностью 120–150 Вт/(м·К) при 20°C, зольностью ≤0,03%. Является основным материалом для РБМК-1000 (например, Чернобыльская АЭС) и ЭГП-6 (Билибинская АЭС), используется в зонах высокого нейтронного потока и как отражатель. Отличается повышенной радиационной стойкостью благодаря дополнительной очистке.

Сравнительная таблица характеристик:

Производство ГР-220 и ГР-280 включает использование высокочистого нефтяного или пекового кокса с зольностью <0,01% и каменноугольного пека как связующего, смешивание сырья при 150–200°C с последующей формовкой блоков методом экструзии или прессования, обжиг при 800–1200°C в бескислородной среде для карбонизации связующего, графитизацию при 2500–2800°C в электропечах для формирования кристаллической структуры графита, очистку галогеновыми газами (Cl₂ при 2000–2200°C) для удаления примесей (бор, ванадий). Для ГР-280 применяется дополнительная газофазная очистка при 2500°C.
Под нейтронным облучением графит подвергается радиационному распуханию (изменение объёма до 5–10% при флюенсе ~10²¹ н/см²), снижению теплопроводности (до 50% при флюенсе 22×10²⁵ м⁻²) и образованию микротрещин. Модуль упругости изменяется при 900–1000°C (увеличение, затем снижение). ГР-280 демонстрирует меньший коэффициент распухания (0,8–1,0×10⁻³ против 1,2–1,5×10⁻³ у ГР-220) и более стабильную теплопроводность благодаря повышенной плотности и чистоте. Накопление ¹⁴C (из ¹⁴N, ~15–80 ppm) приводит к специфической радиоактивности 130–700 kBq/г. ¹³⁷Cs концентрируется на поверхностях пор.

Применение
ГР-220 использовался в ранних установках и экспериментальных реакторах, ГР-280 — в РБМК-1000 (например, Чернобыльская АЭС) и ЭГП-6 (Билибинская АЭС) для блоков замедлителя, отражателей и конструкционных элементов. ГР-280 предпочтителен в зонах высокого нейтронного потока благодаря лучшей радиационной стойкости и механической прочности. Графитовая кладка РБМК (диаметр 14,52 м, высота 9,7 м) включает компенсаторы теплового расширения.

Вызовы и ограничения
Радиационные эффекты, включая эффект Вигнера (накопление энергии) и радиационное распухание, требуют периодической замены графитовых блоков. ГР-280 менее подвержен этим эффектам. Энергоёмкие процессы (графитизация, очистка) делают ГР-280 дороже ГР-220, но экономически оправданным за счёт улучшенных характеристик. Отработанный графит содержит долгоживущие изотопы (¹⁴C, ⁶³⁶Cl), усложняя захоронение (класс II/III радиоактивных отходов). Отсутствуют прямые сравнения с западными аналогами (например, Gilsocarbon) и данные о поведении при 800–1000°C.

Рекомендации для инженерной практики
ГР-280 предпочтителен для модернизации РБМК благодаря ресурсу до 40 лет (против 30 лет у ГР-220). Контроль качества должен включать рентгенофлуоресцентный анализ на бор и ICP-MS для редкоземельных примесей. Для утилизации необходима сортировка по активности (¹⁴C внутри, ¹³⁷Cs на поверхности) и разработка методов герметизации пор перед захоронением.

Заключение
ГР-220 — более ранняя марка, использовалась в экспериментальных и ранних РБМК-реакторах, характеризуется средней радиационной стойкостью. ГР-280 — улучшенная марка, основная для РБМК-1000 и ЭГП-6, с повышенной плотностью (на 5–7%), прочностью (на 20%) и радиационной стойкостью (на 25–30% меньшее распухание).