基于同步辐射技术的核石墨微结构与熔盐相互作用研究

Molten Salt Reactor（MSR）is a class of generation IV nuclear fission reactor in which the primary nuclear reactor coolant is a molten salt mixture. The study on interaction between nuclear graphite and molten salts is the key issue in the process of molten salt reactor development. However, the characterization of nuclear graphite after molten-salt infiltration and even the interaction mechanism of nuclear graphite microstructure with molten-salt are not understood clearly, since the lack of more experiment studies on the interaction process between nuclear graphite and molten salts. In this project, based on the advanced synchrotron X-ray techniques (μCT :X-ray micro computed tomography and μXRD: Micro X-ray diffraction) combined with systematical measurement of the mechanical properties of nuclear graphite, after molten-salt infiltration to nuclear graphite, we will in-situ study the evolution of graphite microstructure and molten salts, the variety of internal stress profile, the structure damage of plastic strain and the fracture failure process of nuclear graphite at high temperature under applied load. This research work will try to reveal the physical essence of the interaction between nuclear graphite and molten salt. Based on the understanding of experimental data, a numerical model of graphite will be established by using multi-scale simulation method (MSM). This numerical model was developed to predict the microcosmic mechanical behavior of graphite with molten salt infiltration. The project will provide important reference for the design and reliability analysis of Molten Salt Reactor, and will also provide guidance for the failure and fracture research of porous structure in liquid environment.

熔盐堆是第四代裂变核能系统中的重要反应堆堆型之一，而核石墨与熔盐相互作用是熔盐堆发展中的重要课题。由于石墨和熔盐相互作用的复杂性，科学界对熔盐浸渗对石墨材料机械性能的影响规律以及影响机理都缺少系统而又全面认识。本项目依托上海光源微聚焦XRD和显微成像CT技术，结合对熔盐浸渗后核石墨机械性能的系统测试，开展在高温外力载荷等条件下石墨内应力和微观结构演变的原位表征和研究，探索熔盐对核石墨内应力场、石墨塑性应变以及断裂失效行为的影响规律，揭示熔盐与石墨微观结构的相互作用过程本质。基于对实验数据的理解和校核，运用基于超单元思想的逐层嵌套的多尺度模拟方法（MSM），建立基于熔盐和石墨材料微观特性的具有工程支持意义的石墨行为模型。本项目研究将会为熔盐堆设计和可靠性分析提供重要参考，并对液体环境下多孔结构的失效和断裂研究提供指导意义。

核石墨与熔盐相互作用是熔盐堆发展中的重要课题。本项目基于上海光源先进的同步辐射原位技术，揭示了熔盐与核石墨微观结构的相互作用过程，获取了熔盐对核石墨拉伸断裂影响的机制，掌握了熔盐浸渗对核石墨机械性能影响规律的研究，利用有限元分析方法，建立了核石墨的多尺度模型，获取了液态熔盐对核石墨构件的应力分布情况。通过该项目的研究为熔盐堆用核石墨在熔盐环境下的性能演化给出了很重要的实验依据与指导，主要的研究内容和重要结果如下：.（1）掌握了熔盐浸渗对核石墨机械性能影响规律的研究，重点关注了不同熔盐浸渗压力下熔盐浸渗对核石墨IG-110和和NG-CT-10的常温和高温下压缩强度的影响规律；.（2）通过同步辐射原位拉伸技术研究了熔盐浸渗对核石墨内部微观应力分布的影响，发现熔盐的浸渗会对核石墨内部的应力集中区域产生影响，进而影响并改变核石墨拉伸断裂的位置，进而揭示了熔盐与核石墨微观结构的相互作用过程；.（3）采用同步辐射μCT技术研究了核石墨三维图像，分析了核石墨IG-110、NBG-18和NG-CT-50的孔隙率、孤立孔隙体积和连通孔隙体积，为后续研究石墨内部液体流动模拟提供的有利的实验数据支撑；.（4）发展了一种逐层嵌套的多尺度模拟方法，探究了孔隙与核石墨的杨氏模量及热膨胀系数的关系，发现核石墨杨氏模量随孔隙率增加按努森公式衰减，衰减参数与孔隙分布和孔隙形态有关。分析了有不同熔盐渗透区域的核石墨构件横截面上的应力分布。.本研究项目从宏观上掌握了熔盐浸渗对核石墨机械性能影响的规律，微观上研究了熔盐浸渗对核石墨微结构的影响分布，建立了宏观力学与微观结构演化的关系，揭示了熔盐与核石墨相互作用的本质问题，发展了核石墨多尺度模型分析方法，该研究为熔盐堆设计和可靠性分析提供重要参考，并对液体环境下多孔结构的失效和断裂研究提供指导意义。