Page 83 - 《摩擦学学报》2020年第4期

第 4 期 王鹏, 等: 核环境下的摩擦、磨损与润滑 493

Absorption sphere
shutdown system Control rod drive mechanism
Fuel charge tube
Control rod drive mechanism
Carbon bricks 5 mm
graphite layer
Pressure vessel standpipe
Homegenized
Cold helium plenum fuel region
Coated particles
imbedded in graphte mnatrix
Graphite reflectors (a) Explcit (b) Homogenized Pressure vessel head
pebble model pebble model
Main helium blower
Reactor pressure vessel
Chain
Reactor core
Control rod
Hot helium plenum
Main steam outlet Reactor core
Pressure vessel
Fuel discharge tube Hot
gas duct Steam generator
A
Side reflector
Steam generator vessel
Fuel discharge device

Feed water inlet

[23-24]
Fig. 3 Schematic of high-temperature gas-cooled reactor structure and fuel graphite pellet circulation
图 3 高温气冷堆结构示意图及燃料石墨小球循环示意图 [23-24]
空 气 环 境 室 温 至 300 ℃下 石 墨 摩 擦 系 数 稳 定 在 0.6
Pure helium IG-11
0.28~0.30，升温至400 ℃摩擦系数下降至0.12；氦气环 0.5 AXF-5Q
PGX
境 下 ， 石 墨 摩 擦 系 数 由 室 温 下 的 0.4降 至 高 温 下 0.4 H-205/H-39
ATJ
0.2~0.3范围内. 图4中列出了不同石墨材料高温氦气 Friction conefficient 0.3 MHLM
环境下摩擦系数，可以看出随着温度的升高石墨摩擦
系数下降，在400~100 ℃区间摩擦系数大体保持在 0.2

0.2~0.3范围内. 0.1
与模拟高温气冷堆不同条件下石墨材料的摩擦 0
0 200 400 600 800 1 000
系数相比，石墨材料磨损率对装置安全运行的影响更 Temperature/℃

为重要. 德国首座高温气冷堆AVR运行末期一回路中 Fig. 4 Friction coefficient of different types of graphite as a
超过60 kg石墨粉尘的积存 ，这引起了部分学者对石 function of temperature in helium atmosphere，summarized
[29]
according to literature[26]
墨磨损以及管道中粉尘输运问题的关注. 反应堆内部
图 4 氦气环境下不同类型石墨摩擦系数随温度变化规律，
因石墨多次循环磨损而形成大量粉尘，石墨粉尘在堆 根据文献[26]整理
内堆积、输运以及沉积会引发一系列严重的安全问题.
Hiruta等 研究了室温至900 ℃氦气环境下石墨磨损 球磨损行为，结果发现石墨燃料球磨损率随时间延长
[30]
−5
行为，发现石墨磨损率在200 ℃下接近10 g/(N·m)， 以及温度的升高以指数函数增大，在考核范围内未见
高出常温氦气下2个数量级，在200~800 ℃范围类，石 饱和，根据推导公式计算HTR-PM高温气冷堆内石墨
−6
墨的磨损率依然保持在10 量级，根据其研究结果预 球与球之间摩擦产生的石墨粉尘约为14.01 g/d，合计
测，27 000个燃料球组成的高温气冷堆球床，按照 5.1 kg/a. 不同于石墨小球台架摩擦磨损试验，Shen等 [32]
125燃料球/天循环，一年内磨损质量将达到2.3 kg. 梁 利用球床升球模拟平台，研究了氦气循环下燃料石墨
宇等 利用类似于四球摩擦试验机的摩擦及加载方 球磨损行为，并与SRV试验结果进行了对比，发现
[31]
式考察了氦气室温至300 ℃下中国HTR-PM石墨燃料 SRV不同气氛下石墨燃料球摩擦系数相差不大，空气