Графит ВПГ

Графит ВПГ поставляется в виде колец, втулок и заготовок — условия и сроки по договорённости

Графит марки ВПГ (высокоплотный графит) — конструкционный углеродный материал, разработанный для атомной энергетики. Основное назначение — изготовление колец твёрдого контакта (КТК) и втулок технологических каналов реакторов типа РБМК. Материал производится методом экструзионного прессования из коксо-пековой композиции с последующими операциями обжига, пропитки каменноугольным пеком и графитации при температурах выше 2500 °C с газовой рафинировкой. Гарантированный ресурс эксплуатации изделий из графита ВПГ в составе реакторного оборудования составляет не менее 20 лет.

Назначение графита ВПГ и область применения в атомной промышленности

Марка ВПГ создана специально для работы в зоне нейтронного облучения ядерных реакторов. Аббревиатура ВПГ расшифровывается как «высокоплотный графит». Материал регламентируется техническими условиями ТУ 48-20-49-90 «Втулки и кольца для аппарата РБМК из графита марки ВПГ».

Графит ВПГ применяется в следующих узлах и конструкциях:

• кольца твёрдого контакта (КТК) технологических каналов реакторов РБМК — обеспечивают тепловой контакт между циркониевой трубой и графитовой кладкой;
• втулки технологических каналов — элементы, работающие в условиях радиационного облучения и высоких температур;
• элементы внешнего отражателя нейтронов — марка ВПГ рекомендована для перспективных высокотемпературных реакторов;
• опорные колонны реакторных установок.

По комплексу свойств (прочность, теплопроводность, ТКЛР) графит ВПГ сопоставим с зарубежными аналогами: немецким ATR-2E, американским H-451 и французскими марками. При этом по температурному коэффициенту линейного расширения, определяющему радиационную размерную стабильность, ВПГ превосходит ряд зарубежных марок.

Физико-механические свойства графита марки ВПГ

Графит ВПГ относится к классу среднезернистых высокоплотных графитов. Материал производится методом экструзии, поэтому обладает выраженной анизотропией — свойства различаются вдоль и поперёк оси прессования. В таблице ниже приведены характеристики серийно выпускаемого графита ВПГ.

Параметр	Вдоль оси прессования (∥)	Поперёк оси прессования (⊥)
Плотность, г/см³	1,84
Предел прочности при растяжении, МПа	16	8
Предел прочности при изгибе, МПа	35	20
Предел прочности при сжатии, МПа	60	58
Модуль упругости, ГПа	12	7
KIC (вязкость разрушения), МПа·м1/2	1,20	1,12
Теплопроводность при 20 °C, Вт/(м·К)	160	110
Удельное электросопротивление, мкОм·м	8	10
ТКЛР (250–500 °C), ×10−6 К−1	5,0	5,4

Примечание: значения указаны для серийного графита ВПГ. Фактические характеристики конкретных партий могут отличаться от номинальных на 10–20 % в связи с технологическими особенностями производства.

Анизотропия свойств графита ВПГ

Метод экструзионного прессования ориентирует зёрна кокса-наполнителя перпендикулярно оси прессования. По этой причине прочностные характеристики вдоль оси прессования (параллельно высоте блока) заметно выше, чем в поперечном направлении. Теплопроводность также зависит от направления измерения: вдоль оси прессования — 160 Вт/(м·К), поперёк — 110 Вт/(м·К). Данная анизотропия учитывается при проектировании и установке изделий в конструкцию реактора.

Прочностные характеристики и вязкость разрушения

Графит ВПГ обладает высоким для реакторных графитов уровнем прочности. Предел прочности при сжатии достигает 60 МПа вдоль оси прессования, что обусловлено технологией двукратной пропитки каменноугольным пеком с промежуточными обжигами. Характеристика K_IC (коэффициент интенсивности напряжений — вязкость разрушения) составляет 1,20 МПа·м^1/2, что свидетельствует о пониженной склонности к хрупкому разрушению. Это позволяет изготавливать из ВПГ крупногабаритные изделия — кольца и втулки — без опасений относительно трещинообразования при монтаже и эксплуатации.

Требования к чистоте и химическому составу

Реакторный графит марки ВПГ подвергается глубокой очистке (газовой рафинировке) при температуре графитации 2300–2400 °C. Цель — минимизация содержания минеральных примесей, способных поглощать нейтроны и снижать эффективность работы реактора.

Основные требования к чистоте:

• массовая доля углерода — не менее 99,96 %;
• зольность (сухой зольный остаток) — не более 0,04 %;
• содержание бора, кадмия и редкоземельных элементов строго нормируется и сводится к минимуму, так как эти элементы обладают высоким сечением захвата тепловых нейтронов.

Бор — наиболее критичная примесь для реакторного графита. Его сечение захвата тепловых нейтронов составляет около 760 барн, что в десятки тысяч раз превышает сечение захвата у углерода (0,0035 барн). Даже микроскопические количества бора существенно снижают нейтронно-физические характеристики графитовой кладки. Поэтому при производстве ВПГ используются исходные материалы с минимальным содержанием бора, а технология газовой рафинировки направлена на его максимальное удаление.

Присутствие соединений хлора, ртути, ванадия нежелательно, поскольку эти элементы могут вызывать радиоактивацию с образованием долгоживущих изотопов, усложняющих обращение с облучённым графитом при выводе реактора из эксплуатации.

Технология производства графита ВПГ

Производство ВПГ включает несколько последовательных технологических стадий, каждая из которых влияет на конечные свойства материала.

Подготовка сырья и формование заготовок

В качестве наполнителя используется кокс с изотропной микроструктурой (оценка 1,9–2,3 балла по ГОСТ 26132-84). Первоначально применялся нефтяной кокс марки КНПС. После прекращения его производства в 1990-е годы технология была адаптирована под пековый кокс коксохимических производств, что потребовало корректировки параметров процесса.

Подготовка наполнителя включает прокаливание при ~1300 °C, дробление и фракционирование. Подготовленную шихту смешивают с каменноугольным пеком (связующим) и формуют методом экструзии (продавливания) в заготовки нужного профиля.

Обжиг, пропитка и графитация

Сформованные заготовки («зелёные» заготовки) проходят:

• обжиг при 1000–1200 °C в многокамерных газовых печах — карбонизация связующего, скрепление зёрен в монолитный материал;
• пропитку каменноугольным пеком для повышения плотности — именно эта операция (одна или несколько) позволяет достичь плотности 1,84 г/см³;
• повторный обжиг пропитанных заготовок;
• графитацию при 2300–2400 °C с одновременной газовой рафинировкой — завершающая термообработка, формирующая кристаллическую структуру графита и удаляющая нежелательные примеси.

Степень графитации серийного ВПГ (параметр g) находится в диапазоне 0,8–0,9 отн. ед., что соответствует высокой степени кристалличности. Подробнее о других марках реакторного графита (ГР-220, ГР-280) можно узнать в соответствующем разделе сайта.

Термическая стойкость графита ВПГ

Графит — один из наиболее термостойких конструкционных материалов. В инертной атмосфере или вакууме он сохраняет работоспособность при температурах, значительно превышающих возможности большинства металлов и сплавов.

Важная особенность графита: при нормальном атмосферном давлении он не переходит в жидкое состояние. При нагреве выше ~3600 °C графит сублимирует — переходит непосредственно из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Плавление графита возможно только при повышенном давлении (свыше 100 атм), при этом температура плавления составляет 3845–3890 °C.

Ещё одна особенность — прочность графита при растяжении, сжатии и изгибе увеличивается с ростом температуры вплоть до ~2700 К и лишь затем начинает снижаться. При 2700 К прочность графита примерно вдвое выше, чем при комнатной температуре. Это свойство выгодно отличает графит от металлов, прочность которых при нагреве, как правило, падает.

Однако в окислительной среде (на воздухе) интенсивное окисление графита начинается уже при 400–500 °C. В условиях реактора РБМК графитовая кладка работает в среде азотно-гелиевой смеси, что исключает прямой контакт с кислородом воздуха.

Радиационная стойкость графита ВПГ

Работа в зоне нейтронного облучения — основное условие эксплуатации графита ВПГ. При облучении быстрыми нейтронами в кристаллической решётке графита происходит смещение атомов углерода из равновесных позиций с образованием пар Френкеля (вакансия + межузельный атом). Накопление радиационных дефектов приводит к изменению размеров (радиационная усадка, затем распухание), увеличению удельного электросопротивления, снижению теплопроводности и росту запасённой (вигнеровской) энергии.

Радиационная размерная стабильность графита напрямую связана с ТКЛР: чем выше ТКЛР необлучённого графита, тем больше флюенс нейтронов до начала катастрофического распухания. Графит ВПГ имеет ТКЛР 5,0–5,4 × 10⁻⁶ К⁻¹ (в диапазоне 250–500 °C), что является одним из наиболее высоких показателей среди серийных реакторных графитов. По этому параметру ВПГ превосходит немецкий ATR-2E и американский H-451, что предопределяет его высокую радиационную размерную стабильность.

Роль замедлителя нейтронов

Углерод (ядро ¹²C) эффективно замедляет быстрые нейтроны до тепловых энергий за счёт упругого рассеяния, при этом практически не поглощая их (сечение захвата 0,0035 барн). Это свойство делает высокочистый графит незаменимым замедлителем в реакторах канального типа. Кольца и втулки из ВПГ, находясь в непосредственной близости от тепловыделяющих сборок, участвуют в процессе замедления нейтронов и одновременно обеспечивают тепловой контакт между циркониевыми трубами каналов и графитовой кладкой.

Конструкция колец твёрдого контакта из графита ВПГ

Кольца твёрдого контакта (КТК) — ответственные детали технологического канала реактора РБМК. Они устанавливаются в кольцевом зазоре между наружной поверхностью циркониевой трубы и внутренней поверхностью графитового блока кладки. Функция КТК — обеспечение теплопередачи от графитовой кладки к теплоносителю через циркониевую трубу.

Требования к материалу КТК:

• высокая теплопроводность для эффективной передачи тепла (у ВПГ — до 160 Вт/(м·К));
• достаточная прочность и вязкость разрушения для противостояния механическим нагрузкам при монтаже и эксплуатации;
• радиационная размерная стабильность в течение всего ресурса (не менее 20 лет);
• высокая чистота по нейтронопоглощающим примесям;
• стабильность механических характеристик при деформационных испытаниях.

Кроме стандартной марки ВПГ, существует модификация ВПГ-КС (на основе альтернативного сырья — прокалённого пекового кокса), которая также прошла квалификацию и рекомендована для серийного производства КТК.

Сравнение графита ВПГ с другими реакторными марками

Для понимания места ВПГ среди реакторных графитов полезно сопоставить его с марками блочного графита РБМК (для кладки) и мелкозернистыми графитами МПГ. Подробная информация о конструкционных графитах различных марок представлена в отдельном разделе.

Параметр	ВПГ	РБМК (блочный)	МПГ (мелкозернистый)
Плотность, г/см³	1,84	1,68	1,80
Прочность на сжатие (∥), МПа	60	34	100
Прочность на изгиб (∥), МПа	35	19	55
Теплопроводность (∥), Вт/(м·К)	160	103	95
ТКЛР (250–500 °C), ×10−6 К−1	5,0	3,8	7,3
УЭС (∥), мкОм·м	8	10	11,7
Назначение	Кольца, втулки КТК	Блоки кладки	Электроэрозия, пресс-формы

Из таблицы видно, что ВПГ превосходит блочный графит РБМК по плотности, прочности и теплопроводности. Это обеспечивается технологией пропитки пеком. При этом графиты МПГ при высоких прочностных показателях уступают ВПГ по теплопроводности, что ограничивает их применение в элементах кладки и КТК.

Формы поставки графита ВПГ

Графит марки ВПГ поставляется в виде готовых изделий и заготовок для последующей механической обработки:

• кольца твёрдого контакта (КТК) — готовые детали, соответствующие требованиям технических условий;
• втулки графитовые — для различных типов реакторов;
• цилиндрические заготовки (кругляк) — для изготовления нестандартных деталей на предприятии заказчика;
• блочные заготовки — прямоугольного или призматического сечения.

Графит хорошо поддаётся механической обработке: токарной, фрезерной, сверлильной. Его структура позволяет изготавливать изделия сложных форм с малыми допусками и высокой точностью.

Особенности хранения и обращения с графитом ВПГ

Графит ВПГ — химически инертный материал, не требующий особых условий хранения. Тем не менее следует соблюдать ряд рекомендаций:

• хранение в сухом, закрытом помещении — графит обладает пористостью, и длительное воздействие влаги может привести к адсорбции воды в порах;
• защита от загрязнения маслами, смазками, органическими жидкостями — адсорбированные вещества могут выделяться при эксплуатации в условиях высоких температур;
• аккуратное обращение при транспортировке — несмотря на высокую для графита вязкость разрушения, материал остаётся хрупким по сравнению с металлами, и ударные нагрузки при погрузке-разгрузке могут вызвать сколы и трещины;
• при механической обработке образуется тонкодисперсная графитовая пыль — рабочее место оснащается местной вытяжной вентиляцией.

Контроль качества графитовых изделий марки ВПГ

Изделия из графита ВПГ проходят комплекс испытаний в соответствии с техническими условиями. Контролируемые параметры включают:

• плотность (объёмный метод) — не менее нормативного значения;
• зольность — определяется сжиганием навески и взвешиванием остатка;
• предел прочности при сжатии и изгибе — механические испытания на образцах, вырезанных из заготовки;
• удельное электросопротивление — четырёхзондовый метод;
• деформационные испытания — специфические для колец и втулок, имитирующие условия установки в канал реактора;
• контроль содержания нейтронопоглощающих примесей (бор, кадмий, редкоземельные элементы) — спектральными и химическими методами.

Все партии графита ВПГ, предназначенные для эксплуатации в составе ядерных реакторов, проходят приёмку в соответствии с системой обеспечения качества, принятой в атомной промышленности.