高温气冷堆（HTGR）中IG-110石墨蒸汽氧化动力学的实验研究学术报告

作者与发表信息
本研究的通讯作者为Xiaodong Sun（美国密歇根大学核工程与放射科学系），第一作者为Chengqi Wang（同一单位），论文《Experimental study on kinetic oxidation of graphite IG-110 by steam》发表于期刊《Nuclear Engineering and Design》2023年第410卷，文章编号112382，2023年6月3日在线发布。

学术背景
高温气冷堆（HTGR）因其高效热电转换和固有安全性被列为下一代核电站候选技术，而石墨作为其燃料基体、中子慢化剂和堆芯结构材料，需在高蒸汽分压事故条件下保持抗氧化性。尽管石墨-空气氧化已有广泛研究，但针对蒸汽侵入事故（如蒸汽发生器管道破裂，SGTR）中高蒸汽分压（20 kPa以上）和氢抑制效应的动力学数据仍不足。本研究旨在填补这一空白，通过实验量化IG-110石墨在850–1100°C、蒸汽分压0.5–20.0 kPa、氢分压0–2.0 kPa条件下的氧化速率，并优化Langmuir-Hinshelwood（LH）和Boltzmann-enhanced LH（BLH）动力学模型。

研究流程与方法
1. 实验装置设计
- 基于ASTM-7542标准改进，设计专用石墨氧化测试设施（图1-2）。采用石英反应管避免金属催化干扰，铂篮固定样品。
- 关键改进包括：
- 蒸汽生成系统：通过蠕动泵注入去离子水，经电加热器汽化为超热蒸汽，蒸汽分压可高达20 kPa（远超ASTM标准的2 kPa）。
- 气体色谱仪（GC）：定制Agilent GC（图3），检测出口CO/CO₂浓度，分辨率达1 ppm，通过标准气体校准（表3-4），推导氧化速率（公式5-6）。

1. 实验流程

   • 样品制备：使用日本Toyo Tanso提供的IG-110石墨（表1），加工为薄盘（直径30 mm，厚2 mm）或实验室切割块（图8），表面经1500目砂纸抛光并超声清洗。
     
   • 氧化实验：在氦气-蒸汽混合流中，温度850–1100°C，蒸汽分压0.5–20.0 kPa，氢分压0–2.0 kPa，采集141组动力学数据点。每组实验仅使用新样品，确保数据独立性。
     
   • 验证实验：通过质量天平与GC测量质量损失对比（表6），最大偏差6.6%，验证方法可靠性（图9）。
     

2. 数据分析与模型优化

   • LH与BLH模型：采用Matlab多变量优化算法（公式10），拟合实验数据。BLH模型引入温度依赖性反应级数m(t)（公式3），以修正高温高蒸汽浓度下LH模型的低估问题。
     
   • 不确定性分析：温度测量误差°C（图6），氧化速率总不确定度4–6%（公式7-8）。
     

主要结果
1. 氧化动力学特征
- 温度效应：850–1100°C范围内氧化速率呈指数增长（图10-11），证实反应受化学动力学主导。
- 蒸汽分压效应：速率随蒸汽分压上升而增加，但高浓度下增速减缓（图12-13），源于活性位点饱和。
- 氢抑制效应：氢分压达1.0 kPa时抑制效果饱和（图14-15），即使蒸汽分压20 kPa仍显著。

1. 模型性能
   
   • LH模型：优化后平均相对误差（MRE）39%，但低温区高估（图16）。
     
   • BLH模型（表8）：MRE降至24%，最大误差55%，显著优于传统LH模型（图17-18）。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次系统量化IG-110石墨在高蒸汽分压（20 kPa）和氢抑制条件下的氧化动力学，为HTGR事故分析提供关键数据。
2. 应用价值：优化的BLH模型可集成至多物理场仿真工具（如CFD），提升SGTR事故预测精度。
3. 工程意义：支持ASME III Division 5规范中石墨氧化相关设计准则的修订。

研究亮点
1. 实验创新：开发高蒸汽分压（20 kPa）氧化测试系统，突破ASTM标准限制。
2. 模型改进：BLH模型首次引入温度依赖性反应级数，显著扩展适用条件范围。
3. 氢抑制机制：揭示氢抑制效应在高蒸汽分压下的饱和特性，修正了既往模型的低估倾向。

其他发现
- 孔隙演化效应：氧化过程中微孔扩展导致活性表面积增加（图9），需未来通过三维随机孔隙模型（3D-RPM）进一步量化。
- 数据公开性：作者声明数据可应要求提供，促进学术验证与模型迭代。

（注：全文术语首次出现均标注英文，如“高温气冷堆（HTGR）”“蒸汽发生器管道破裂（SGTR）”）