Д. В. Харьков графит в науке и ядерной технике г. Новосибирск 013 Монография

 

---

3 
ВВЕДЕНИЕ 
Графит обладает тем уникальным набором качеств, которые делают его 
незаменимым для задач ядерной физики и энергетики. Природный углерод — это 
смесь двух стабильных изотопов: 
12
С (98,892%) и 
13
С (1,108 %). Из четырех 
радиоактивных изотопов (
10
С, 
11
С, 
14
С и 
15
С) долгоживущим является только изотоп 
14
С с периодом полураспада 5730 лет 
[1]
. Это чистый низкоэнергетический ß-
излучатель с максимальной энергией частиц 156 кэВ относится к числу глобальных 
радионуклидов, однако радиационный порог образования этого радиоизотопа 
достаточно высокий, поэтому образуется он главным образом при ядерных взрывах 
либо при взаимодействии вторичных нейтронов космического излучения с ядрами 
азота по реакции 
14
N (n, p) =>
14
C. Роль других реакций в образовании изотопа 
14
С 
крайне незначительна. 
К другим особенностям графита как материала для ядерной физики, прежде 
всего, относится малое эффективное сечение σ фотоядерных реакций для углерода 
в области гигантского резонанса, связанного с возбуждением γ-квантами 
собственных колебаний протонов относительно нейтронов (дипольные колебания). 
Нуклоны могут покидать ядро не только в процессе дипольных колебаний, но и 
после их затухания.
Таким образом, для чистого графита при облучении даже достаточно 
высокоэнергетичным (до 50МэВ) протонным пучком вторичная радиация 
сравнительно невелика вследствие малого сечения поглощения образующихся 
вторичных нейтронов в реакции с ядрами углерода - менее 4,5 микробарн для 
графита высокой чистоты 
[2]. 
При этом большая часть столкновений нейтронов с 
ядрами углерода происходит по механизму упругого рассеяния, последнее 
обстоятельство обусловило эффективное использование графита в качестве 
замедлителя или поглотителя нейтронов. В частности, для атомного реактора, 
работающего на обогащённом уране, графит как замедлитель по эффективности 
идёт вслед за бериллием и тяжёлой водой. В этом случае используется графит 
повышенной чистоты, где общее содержание примесей не превышает 1×10
-3 
%. Для 
использования в полупроводниковой технике созданы графиты ещё более чистые, с 
содержанием примесей не выше 1×10
-6 
%. 
Графит является хорошим конструкционным материалом, его применение во 
многом основано на том, что благодаря очень высокой температуре сублимации 
графит остаётся твёрдым вплоть до температур порядка 4000
0
C. В то же самое 
время графит при невысокой плотности является материалом не только достаточно 
прочным, но и пластичным, легко обрабатывается механически, имеет низкое 
давление насыщенных паров в вакууме даже при повышенной температуре. Кроме 
того, графит обладает высокой теплопроводностью и теплоёмкостью, не 
обязательно обладая при этом высокой электропроводностью. Прочность и 
пластичность графита заметно возрастает с температурой, вплоть до ~ 2500
o
С
[2, 
стр.215]
. Графит, кроме того, за счёт высокой пористости устойчив как к 

---

4 
тепловому шоку, так и к высокому градиенту температур, способен отдавать 
избыточное тепло переизлучением в ИК и оптическом диапазоне. А коррозионная 
и химическая стойкость в сочетании с антифрикционными свойствами делают его 
незаменимым в целом ряде научных и практических применений. 
На воздухе графит не окисляется до температуры 400
o
С, в двуокиси углерода 
до 500
o
С. При более высоких температурах изделия из графита необходимо 
использовать в защитной среде либо в вакууме. 
В то же самое время, графит как конструкционный материал, изучен 
совершенно недостаточно. В частности, не ясны причины сильных разбросов 
физико-механических и теплофизических свойств графита для различных марок 
графита и даже в пределах одной промышленной марки. Не вполне понятна 
причина сильной анизотропии для хорошо графитированных материалов, 
недостаточно изучены свойства этого материала в сложных условиях 
эксплуатации, в частности, в условиях повышенной радиации и/или высокой 
температуры. 
Прочность графита значительно изменяется в зависимости от метода его 
изготовления, поэтому графиты с одинаковой плотностью, но разных марок, 
отличаясь структурой, могут иметь различную прочность. Общим правилом 
является то, что более тонко структурированный графитовый композит обладает, 
как правило, большей прочностью и большим временем жизни.
Следует оговориться, что по мере возможности авторы старались 
придерживаться терминологии, иcпользуемой, например, в обзоре Виргильева 
Ю.С. «Графиты для реакторостроения» 
[3] 
или в «Толковом терминологическом 
словаре углеродных материалов» 
[4]. 
Тем не менее, нужно понимать, что по ряду 
причин не всегда удаётся придерживаться строгих терминов, и, в данной книге, как 
и в другой научной литературе, слово «графит» часто употребляется 
расширительно, для краткости изложения, взамен строгого определения 
«искусственный графит, полученный по электродной технологии с использованием 
в качестве наполнителя углеродных порошков».
Кроме того, словарь терминов слово «композит» определяет как 
армированный материал или материал с волокнистым наполнителем, однако 
определение для композита 
[4, стр.226] 
не противоречит, как нам кажется, его 
употреблению также и для углеродных материалов с дисперсным углеродным 
наполнителем. Поэтому в главе 5 употребляется слово «композит» для материала, 
созданного на основе мелкодисперсного изотопного порошка 
13
С, хотя этот термин 
в данном случае и не является строгим. Для большей ясности в конце книги 
приведён список основных используемых сокращений и терминов. 
Авторы выражают искреннюю признательность: сотрудникам ФГУП 
НИИграфит, д.т.н. Виргильеву Ю.С.; к.т.н. Калягиной И.П. за проведение 
рентгеноструктурного анализа изотопа 
13
С при исследовании его графитации; 
д.ф.м.н. Котосонову А.С. за исследование диамагнитной восприимчивости изотопа 
графита 
13
С и проведение электронной микроскопии.

---

5 
Группе профессора Романенко А.И. (ИНХ СО РАН) за комплекс 
электрофизических измерений; группе профессора Цыбули С.В. (ИК СО РАН) за 
рентгенографические и электронно-микроскопические измерения; д.ф.-м.н. 
Окотруб 
А.В. 
и 
д.ф.-м.н. 
Булушевой 
Л.Г. 
(ИНХ 
СО 
РАН) 
за 
рентгенофлюоресцентные измерения и квантовохимическое моделирование 
изотопа графита 
13
С; д.ф.м.н. Станкус С.В. и его сотрудникам (ИТ СО РАН) за 
комплекс теплофизических измерений; к.ф.-м.н. Е.Б. Бургиной за ИК-измерения и 
измерения КРС; к.т.н. Титову А.Т. (ИГ СО РАН) за электронно-растровые 
измерения и элементный анализ графитовых образцов; М.Г. Голковскому за 
комплекс работ по облучению графитовых образцов электронным пучком и 
неизменное внимание к работе. 
А также лаборантам, техникам и инженерам ИЯФ СО РАН, в частности, Жуль 
И.Е., Кот Н.Х., Болховитянову Д.Ю., всем другим, кто помогал в создании макетов 
для измерений, в проведении измерений и испытаний графитовых образцов; Ю.П 
Шаркееву (ИФП и М СО РАН) за неизменное внимание и интерес к работе.

---

6