核石墨，指用于核反應(yīng)堆的炭石墨材料，也稱核反應(yīng)堆石墨。主要是原子反應(yīng)堆用中子減速劑、反射劑、生產(chǎn)同位素用的熱柱石墨、高溫氣冷堆用的球狀石墨和塊狀石墨等。核石墨材料在核反應(yīng)堆中，作為中子減速材料和反射材料被廣泛應(yīng)用，還可用作核燃料套或核燃料被覆材料。還有研究用石墨與碳化硅材料用作核聚變反應(yīng)堆的爐壁材料，但是如核石墨質(zhì)量不高也容易引發(fā)核事故。在核反應(yīng)堆應(yīng)用中，用量最多約是減速材料和反射材料。文獻(xiàn)顯示，在天然鈾石墨減速的卡爾德一霍爾型核反應(yīng)堆中，每10MW 電功率大約需要數(shù)百噸石墨，其中減速材料約占2/ 3，反射材料約占1/3。
用于核反應(yīng)堆的炭素材料，按材料分有石墨類、炭質(zhì)類、熱解石墨和各向同性石墨、含硼石墨等。按用途分有減速材料(慢化劑)、反射材料、包殼、熔煉鈾鹽坩堝等。
1、作為減速材料要求：
減速材料在核反應(yīng)堆內(nèi)235U等核分裂物質(zhì)在分裂時(shí)，放出的中子速度秒速約3萬(wàn)km(能量平均約為2MeV)，很難命中原子核，所以為提高核分裂的幾率，繼續(xù)維持連鎖反應(yīng)，則必須減緩中子速度，使之變?yōu)槊胨?000m的低速中子即所謂熱中子(能量約為0.025ev)。減速材料的用途就是把這種高速中子減緩成慢中子。減速材料基本性能要求如下：
2、作為反射材料要求：反射材料的用途是把逃離反應(yīng)堆的中子反射回來(lái)并送還堆芯，以防止中子的泄漏。對(duì)反射材料的核特性要求，雖不苛刻，但大體上與減速材料相當(dāng)。反射材料質(zhì)量要求如下：
3、防輻射材料要求：如在石墨中加入適量的硼，可制取良好的防放射性輻射線的材料，也可作反射材料。含硼石墨主要性能如下：
4、高溫氣冷堆要求：
高溫氣冷堆用石墨高溫氣冷核反應(yīng)堆的堆芯熱容量大，效率高又安全可靠，并能提供高溫?zé)釕?yīng)用的先進(jìn)反應(yīng)堆型。高溫氣冷核反應(yīng)堆一回路出口溫度可達(dá)950℃，它可滿足熱電聯(lián)供、稠油熱采、煤的氣化液化以及其他方面對(duì)大量高溫工藝熱的需求，是迄今國(guó)際上公認(rèn)的唯一能提供高溫工藝熱的多用途核能源。高溫氣冷核反應(yīng)堆用石墨材料有裝燃料的石墨球及反應(yīng)堆內(nèi)側(cè)絕熱炭磚。(1)石墨球。一般尺寸外徑60mm，內(nèi)徑50mm，空心球的外層以丙烯之類炭氫化合物為主料進(jìn)行熱解涂層，體積密度達(dá)到1.959/cm3成為致密層。石墨球的質(zhì)量要求如下:
(2)反應(yīng)堆內(nèi)側(cè)用絕熱炭磚(或石墨磚)。其功能是防止堆芯熱量向外殼擴(kuò)散，提高堆芯熱效率。為降低外殼處的放射性強(qiáng)度，一般采用含硼的炭素材料，主要性能如下：
核石墨生產(chǎn)基本上是在普通人造石墨生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上開(kāi)展起來(lái)的。核石墨生產(chǎn)有4個(gè)主要問(wèn)題，即高純度、高密度、各向異性和機(jī)械加工。
(1)高純度。核石墨減速劑的純度是最被重視的特性之一。首先選用純度高、雜質(zhì)含量少的石油焦和煤瀝青作原料。原料雜質(zhì)中硼含量要低，因1×10的硼含量相當(dāng)于增加lmb的截面，高溫石墨化大多數(shù)金屬雜質(zhì)在2800~3000℃揮發(fā)，而硼高于3000℃亦難除去，因硼與碳形成B4C3。對(duì)原料中硼含量要求極其嚴(yán)格，除原料外在生產(chǎn)中先后經(jīng)10多道工序減少外來(lái)的雜質(zhì)和合理工藝制度也是十分重要的。
(2)高密度。核石墨應(yīng)有較高的密度，一般控制在1.79/cm左右，基本上能滿足石墨堆運(yùn)行要求，石墨的體積密度表示慢化劑的有效慢化率，密度降低則單位體積內(nèi)的原子數(shù)減少，慢化率也就降低。
(3)各向異性小。石墨用于核反應(yīng)堆時(shí)，由于溫度上升產(chǎn)生熱膨脹和輻照引起的維格納(Wigner)生長(zhǎng)。這種現(xiàn)象在垂直于擠壓方向表現(xiàn)甚大，而平行于擠壓方向表現(xiàn)較小，則石墨塊不能按原始形狀同樣比例膨脹。因而石墨這種各向異性膨脹在由許多石墨塊堆積而成的慢化層的結(jié)構(gòu)是不能忽視的。石墨各向異性主要是由于石墨晶體結(jié)構(gòu)具有極度的各向異性性質(zhì)所致。另一方面在擠壓成型時(shí)焦炭顆粒的排列對(duì)制品的各向異性也具有決定性的影響，因此要在成型過(guò)程中采取措施減少各向異性度。(4)機(jī)械加工。石墨減速層和反射層是由經(jīng)過(guò)精加工的塊狀堆砌而成的。石墨砌體中有供燃料棒、控制棒、儀器和試驗(yàn)用的各種孔道，這些孔道均有準(zhǔn)確的尺寸，此外所有的石墨塊砌體能防止中子流和冷卻氣體的泄漏。為此核石墨加工比任何石墨制品加工要求有更高的精密度。實(shí)際上要求精度在幾絲之內(nèi)。為保證產(chǎn)品加工精度設(shè)有專用高精度加工機(jī)床。
