石墨是原子核裂變時的一種控制介質，原子核裂變時放出大量能量，一部分原子核裂變時還會引起另一部分的原子核裂變，如果一個原子能發生裝置的核能量瞬間釋放過多，裝置又不能及時把能量轉化其實形式的能量（例如發電)時，核裝置溫度會升得很高，這樣就容易引起爆炸，這種爆炸會造成放射性物質的洩漏，對核裝置周邊環境影響非常重大。由於安全原因核能量發生裝置必須要進行密封，所以給它一個原子反應堆的稱呼很貼切。

為了使反應堆能夠安全，有效，均衡為人類服務，在反應堆內設定一些石墨條或者石墨片去吸收參加核反應的中子，透過設定石墨製品的份量多寡去控制原子反應堆的反應速度就是一種可行的辦法，有些人為了表述問題的便利也稱石墨是反應堆的減速劑。

我們都知道核電站的核心是核反應堆，在核反應堆內進行的核裂變反應是發電站的能量來源。而石墨在核反應堆中的主要作用，就是把核裂變釋放出來的中子的飛行速度降到合適的速度，讓它能夠繼續去碰撞其他的核燃料，使得核裂變的鏈式反應能夠持續進行下去。那麼石墨都有什麼特性使得它能夠充當中子的減速物呢？據我瞭解它有一下幾點特性:

此處討論的石墨是高純度的石墨，只有高純度的石墨才具有減速中子的能力，只要石墨的純度稍微低了都將達不到預期效果。如上圖顯示，減速劑石墨由於其獨特的分子結構，當它受到中子撞擊的時候石墨能夠吸收中子的動能再把中子反射出去，透過來回與石墨撞擊發生動能的轉換就能使中子的速率降低。

如上圖所示，當中子的速率降低到一定程度的時候再與核燃料鈾235的原子核發生碰撞就能引發下一次的核裂變反應。這就能使核反應堆的核反應持續進行下去。

我們知道，數量眾多的核燃料棒是插在巨大的石墨塊中間的，當核燃料棒發生核反應的時候溫度在1000度以上，而石墨的熔點能達到3652℃，這就保證了石墨不會因為高溫而喪失其物理特性。

石墨的成分就是碳，碳在地球的儲量相當的多而且容易獲得也容易提純。

石墨核反應堆

石墨反應堆(RBMK)是核裂變反應堆中的一種，也是最常用、最早使用的一種。 石墨具有良好的中子減速效能，最早作為減速劑用於原子反應堆中，鈾一石墨反應堆是目前應用較多的一種原子反應堆。作為動力用的原子能反應堆中的減速材料應當具有高熔點、穩定、耐腐蝕的效能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高，雜質含量不應超過幾十個PPm ( PPm 為百萬分之一），特別是其中硼的含量應小於0.5 PPm 。

發現過程

鏈式反應

1938年，德華人奧托·哈恩和休特洛斯二人成功地使中子和鈾原子發生了碰撞。這項實驗有著非常重大的意義，它不僅使鈾原子簡單地發生了分裂，而且裂變後總的質量減少，同時放出能量。尤其重要的是鈾原子裂變時，除裂變碎片之外還射出2至3箇中子，這個中子又可以引起下一個鈾原子的裂變，從而發生連鎖反應。

RBMK反應堆示意圖

然而，天然鈾中用於鏈式反應的鈾235只佔0.7%，也就是每一千個鈾原子當中只有七個是鈾235，其餘的大部分是鈾238（佔99.2%）。

減速劑

而，只有鈾235才適合發生鏈式反應，用慢中子轟擊鈾235的核，會使其變成二到三種較輕的原子核，同時產生2-3個快中子，於是如何將產生的快中子變成適合使鈾235裂變的慢中子就成了一項考驗，人們需要找到一種中子減速劑，於是人們發現石墨具有良好的中子減速性。

核反應堆

儘管不管是鏈式反應還是用石墨做減速劑都是德華人發現的，但世界上第一個核反應堆卻誕生在美國。

1939年1月，用中子引起鈾原子核裂變的訊息傳到費米的耳朵裡，當時他已逃亡到美國哥倫比亞大學，費米不愧是個天才科學家，他一聽到這個訊息，馬上就直觀地設想了原子反應堆的可能性，開始為它的實現而努力。費米組織了一支研究隊伍，對建立原子反應堆問題進行徹底的研究。費米與助手們一起，經常通宵不眠地進行理論計算，思考反應堆的形狀設計，

有時還要親自去解決石墨材料的採購問題。

1942年12月2日，費米的研究組人員全體集合在美國芝加哥大學足球場的一個巨大石墨型反應堆前面。這時由費米發出訊號，緊接著從那座埋沒在石墨之間的7噸鈾燃料構成的巨大反應堆裡，控制棒緩慢地被拔了出來，隨著計數器發出了咔嚓咔嚓的響聲，到控制棒上升到一定程度，計數器的聲音響成了一片，這說明連鎖反應開始了。這是人類第一次釋放並控制了原子能的時刻。

這其中的原因是;當時德國定製的石墨純度不夠（反法西斯人士暗中摻了雜質），結果導致試驗的失敗，於是德華人否定了用石墨做減速劑的提案，轉而搜尋其它材料，於是德國沒有也永遠不能製造出原子彈了。

至於大家經常聽到有這樣的新聞：美國要求北韓、伊朗拆除其石墨反應堆，然後美國為他們建造輕水反應堆；這其中的原因是石墨反應堆中產生的核廢料更容易提取核燃料鈽，鈽可用於製造核彈。

結構

RBMK-1000核電機組採用的是前蘇聯獨特設計的大型石墨沸水反應堆，用石墨作慢化劑，石墨砌體直徑12米，高7米，重約1700噸，沸騰輕水作冷卻劑，輕水在壓力管內穿過堆芯而被加熱沸騰。堆芯石墨砌體中間孔道內可裝1660根燃料管, 每個通道內18根燃料管。反應堆是雙環路冷卻，每個環路與堆芯840根燃料管的平行垂直耐壓管相連，堆芯入口處冷卻劑溫度為270 ℃進入燃料管道，向上流動，被加熱區域性沸騰，匯流到一邊兩個的四個汽包中，汽包中的蒸氣直接進入汽輪機廠房，兩環路各對一臺汽輪發電機組（一堆兩機）各發額定功率一半的電功率。

採用RBMK反應堆的電站結構

科學原理

將大塊的立方體的石墨堆砌起來，將核燃料棒插入其中，然後啟動反應堆，這樣鈾235裂變後放出的快中子就會被石墨減速，然後去撞擊新的鈾235原子核，於是產生鏈式反應。

石墨反應堆其它方面與其他核電站原理一樣，只是減速劑不同，其中石墨、重水是公認的最好的減速劑，因為此兩種反應堆的效率較高。

石墨反應堆是核裂變反應堆中的一種，也是最常用、最早使用的一種。 石墨具有良好的中子減速效能，最早作為減速劑用於原子反應堆中，鈾一石墨反應堆是目前應用較多的一種原子反應堆。作為動力用的原子能反應堆中的減速材料應當具有高熔點、穩定、耐腐蝕的效能，石墨完全可以滿足上述要求。作為原子反應堆用的石墨純度要求很高，雜質含量不應超過幾十個PPm ( PPm 為百萬分之一）。

石墨，在核工業中用於熱中子（聚變）反應堆，未來也可能用於核聚變反應堆，在熱中子反應堆中可用作燃料區中子慢化劑，作為圍繞燃料區的反射層材料以及材料內部結構的核心。

石墨是一種“減速劑”，可以減緩裂變過程中產生的快中子。快中子容易被鈾-238原子捕獲，從而被從鏈式反應過程中除去，使鏈式反應減弱。而運動較慢的“熱”中子會避開鈾-238原子，但容易使鈾-235原子裂變，產生2到3個新中子，從而使鏈式反應繼續下去。為了調節核裂變反應速率，就必須迅速有效地控制塊、慢中子的比例，在鈾-238原子捕獲太多中子之前就要將其速度減下來，否則鏈式反應無法進行。 簡而言之，給重子減速是為了維持鏈式反應。

最有效的反應減速劑依次是：重水（D2O），石墨（C），輕水（H2O）。重水很稀少，但石墨很豐富。

上圖：英式氣冷堆（世界上唯一採用二氧化碳氣體冷卻的核反應堆）中的石墨容器。核燃料塊被疊放在石墨容器當中。

1942年，恩里科·費米領導他的團隊，以天然鈾及其氧化物為原料，以石墨為調節劑，實現了世界上第一個自持鏈式核聚變反應，這是世界上首個核反應堆，被稱為“CP-1”反應堆。那時，使用了385噸石墨作為緩化材料，其中最常用的是AGOT石墨。從那時起，石墨被用作重要的核材料，受到大多數國家的重視，並對其製造工藝，物理性質，輻射效應做了大量研究。

上圖：水冷堆的工作原理。石墨被做成棒狀插入核燃料棒當中，用來控制反應速率。

石墨作為反應器材料的優點和缺點如下：

石墨具有極低的熱中子吸收截面和較高的慢中子散射截面。高慢重子散射截面有利於慢中子的散射以維持鏈式反應；而低中子吸收截面則防止中子被吸收。這兩方面的特性都有利於核反應堆使用較少的燃料以達到臨界或正常執行。

石墨是一種耐高溫材料，其三相點在1524兆帕下達4024℃，它不適用於熔化、鑄造、鍛造等熱加工方法，只能採用類似粉末冶金的方法制造。它不親金屬，強度隨溫度升高而降低。適用於2000℃以下，不會出現問題。

石墨具有良好的導熱性，在堆中能有效降低溫度梯度，不會產生過多的熱應力。

石墨化學性質非常穩定。除高溫氧化，水蒸氣外，還可耐酸、鹼、鹽腐蝕，可用於熔鹽反應堆和鈾鉍核反應堆的核心部件。

石墨的抗輻射效能優異，在反應器中使用壽命長達30至40年。

石墨可加工性強，可加工成各種形狀的部件。

石墨原料豐富，價格便宜，易生產高純度、高強度、不同密度要求的各種核石墨元件，但石墨也有缺點，它是各向異性晶體結構，分層分佈，原子密集在a，b晶面，同一層原子的最近距離為0.141nm，相互以共價鍵結合，具有很強的結合力;層間距0.335nm，層間為粘附範德華力，結合力較弱。石墨在物理、強度、輻射和其他行為方面的各向異性有鮮明的展現。

上圖：石墨的片層晶體結構。

石墨因其獨特的物理性質，是一種非常好的核反應控制材料。石墨將高速中子減速為慢中子，反而強化了裂變鏈式反應。