CN102672178A - 碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法。该方法是将碳化硼粉末与铝硅合金粉末经均匀混料后，压成预制芯坯，再进行热挤压，经退火及后续加工，得到可燃毒物芯块成品。本发明的制备方法操作简单，成本低，毒物芯块密度高且导热性能好，碳化硼分布均匀性好，满足核反应堆可燃毒物的设计使用要求。

Description

碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法
技术领域
本发明属于粉末冶金制造方法，具体涉及核反应堆用可燃毒物芯块的制备方法。
背景技术
为了延长核反应堆堆芯寿命，加深元件燃耗，必须在装料时加大剩余反应性。由于首次装料的元件是新的，剩余反应性很大，若全靠增加硼浓度来抑制反应性，很可能超过临界硼浓度，使反应性温度系数出现正值。为了既不超过临界硼浓度，又兼顾反应性控制，需要添加可燃毒物。使用一定数量的、可精确控制的固体可燃毒物来补偿堆芯反应性，有效地展平功率分布，使反应堆平稳、安全、高效运行。
目前在核反应堆中常用的可燃毒物有两种类型，一类是均匀型可燃毒物燃料，如UO2-Gd2O3，UO2-ZrB2等；另一类为分离型可燃毒物，如硼不锈钢、硼硅酸盐玻璃、B4C-Al2O3、B4C-Zr-2等。在分离型可燃毒物中，硼不锈钢由于吸收中子后“寄生吸收”较大，已经逐步地被其他可燃毒物所取代。硼硅酸盐玻璃是将硼玻璃放在不锈钢或锆合金包壳管内做毒物棒，但硼硅酸盐玻璃的强度低、对水冷却剂的抗腐蚀性极差。后来西屋公司开发了新型的通水环状可燃毒物WABA（Al2O3-B4C），与硼硅酸盐玻璃和硼不锈钢相比，提高了可燃毒物的有效性，增加了硼对燃料燃耗的消耗，但是环状毒物的加工相对比较困难。
由于Zr-2基体几乎没有“寄生吸收”，抗辐照性能好，并且与包壳的相容性好，是一种理想的可燃毒物材料，但由于锆粉的成本太高，导致锆基可燃毒物材料的造价高昂。铝合金具有良好的核性能，已被广泛用作生产堆和试验堆的元件包壳和堆芯结构材料。其中，铝硅合金是铝合金中应用最广的一类合金，有着良好的焊接性、抗蚀性和力学性能，当Si含量约为12%时，力学性能最佳。以铝硅共晶合金为基体的可燃毒物芯块，可以使得毒物芯块的价格相对便宜，并且铝硅合金作为基体对中子也无“寄生吸收”，导热性能优于锆合金基体，在许用温度下有着较好的力学性能和良好的抗蚀和耐辐照能力。
经检索，以铝硅共晶合金为基体的用于核反应堆的碳化硼-铝硅合金可燃毒物的制备工艺未见报导。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种成本和导热性能优于锆合金基体的碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法。
本发明的技术方案如下：
碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一 混料：按照预定的化学配比将碳化硼粉末与铝硅合金粉末在混料机中混合均匀；
步骤二 芯坯压制：将混合均匀的粉末采用单向模压压制成预制芯坯；
步骤三 热挤压：将预制芯坯放入挤压模具中，再将挤压模具放置到电阻炉中，经加热、升温、保温后挤压为型材；
步骤四 型材加工：将挤压型材退火、校直、切割，得到碳化硼在铝硅基体中均匀分布，密度为97~99%T.D的芯块成品。
其附加特征在于：
所述步骤一中采用的铝硅合金粉末为铝硅共晶合金粉末；
所述的铝硅共晶合金粉末为Al88Si12粉末。
所述步骤一中的碳化硼粉末的质量分数为1.49~1.68wt%、粒度5~30μm；铝硅合金粉末的质量分数为98.32~98.51wt %，粒度10~70μm；混合时间30~60min。
所述步骤二中混合粉末压制成预制芯坯的压力为250~300MPa；保压时间45~60s；
所述步骤三中电阻炉加热温度为400~550℃，升温速率10~15℃/min，保温时间30~180min；模具挤压比11，挤压速度2.5~4.0mm/s。
本发明的效果在于：本发明的制备方法是以铝硅合金为基体，将碳化硼作为中子吸收剂，均匀分布在铝硅合金基体中。本发明制备的碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块成本和导热性能优于锆合金基体。可燃毒物芯块致密度高，达97%T.D以上。
具体实施方式
本发明的碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法，是以铝硅合金为基体，碳化硼作为中子吸收剂，均匀分布在铝硅合金基体中，碳化硼粉末与铝硅合金粉末经均匀混料后，压制成预制芯坯，再进行热挤压，经型材加工，得到碳化硼在铝硅基体中均匀分布，密度为97%T.D以上的芯块成品。
具体制备步骤如下：
步骤一 混料：将质量分数为1.49~1.68wt%、粒度5~30μm的碳化硼粉末与质量分数98.32~98.51wt %，粒度10~70μm的铝硅合金粉，在混料机中混合均匀，混料时间30~60min；
步骤二 芯坯压制：将混合均匀的粉末在250~300MPa的压力下，采用单向模压压制成预制芯坯，保压时间45~60s；
步骤三 热挤压：将预制芯坯放入挤压模具中，再将挤压模具放置到电阻炉中加热至400~550℃，升温速率为10~15℃/min，保温30~180min后挤压为型材；模具挤压比11，挤压速度2.5~4.0mm/s；
步骤四 型材加工：将挤压型材退火、校直、切割，得到碳化硼在铝硅基体中均匀分布，密度为97~99%T.D的芯块成品。
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
步骤一 混料：将质量分数为1.49wt%、粒度30μm的碳化硼粉末与质量分数98.51wt%、粒度70μm的铝硅合金粉，在混料机中均匀混合，混料时间30min；
步骤二 芯坯压制：将混合粉末在300MPa的压力下，采用单向模压成碳化硼铝硅合金预制芯坯，保压时间60s；
步骤三 热挤压：将预制芯坯放入挤压模具中，再将挤压模具放置到电阻炉中加热至400℃，升温速率10℃/min，保温180min后挤压为型材；挤压模具的挤压比为11，挤压速度2.5mm/s；
步骤四 型材加工：对挤压出的型材退火、校直、切割，得到碳化硼在铝硅基体中均匀分布，密度为97%T.D的芯体成品。
实施例2
步骤一 混料：将质量分数为1.68wt%、粒度5μm的碳化硼粉末与质量分数98.32wt%、粒度10μm的铝硅合金粉，在混料机中均匀混合，混料时间60min；
步骤二 芯坯压制：将混合粉末在300MPa的压力下，采用单向模压成碳化硼铝硅合金预制芯坯，保压时间60s；
步骤三 热挤压：将预制芯坯放入挤压模具中，再将挤压模具放置到电阻炉中加热至550℃，升温速率15℃/min，保温60min后挤压为型材；挤压模具的挤压比为11，挤压速度4.0mm/s；
步骤四 型材加工：对挤压出的型材退火、校直、切割，得到碳化硼在铝硅基体中均匀分布，密度为99%T.D的芯体成品。
实施例3
步骤一 混料：将质量分数为1.64wt%、粒度20μm的碳化硼粉末与质量分数98.36wt%、粒度30μm的铝硅合金粉，在混料机中均匀混合，混料时间30min；
步骤二 芯坯压制：将混合粉末在250MPa的压力下，采用单向模压成碳化硼铝硅合金预制芯坯，保压时间60s；
步骤三 热挤压：将预制芯坯放入挤压模具中，再将挤压模具放置到电阻炉中加热至500℃，升温速率10℃/min，保温30min后挤压为型材；挤压模具的挤压比为11，挤压速度2.6mm/s；
步骤四 型材加工：对挤压出的型材退火、校直、切割，得到碳化硼在铝硅基体中均匀分布，密度为98.30%T.D的芯体成品。
实施例4
步骤一 混料：将质量分数为1.60wt%、粒度20μm的碳化硼粉末与质量分数98.40wt%、粒度30μm的铝硅合金粉，在混料机中均匀混合，混料时间45min；
步骤二 芯坯压制：将混合粉末在275MPa的压力下，采用单向模压成碳化硼铝硅合金预制芯坯，保压时间45s；
步骤三 热挤压：将预制芯坯放入挤压模具中，再将挤压模具放置到电阻炉中加热至450℃，升温速率12.5℃/min，保温120min后挤压为型材；挤压模具的挤压比为11，挤压速度3.4mm/s；
步骤四 型材加工：对挤压出的型材退火、校直、切割，得到碳化硼在铝硅基体中均匀分布，密度为98.62%T.D的芯体成品。

Claims (6)

1.碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法，其特征在于：所述制备方法的具体步骤如下：
步骤一 混料：按照预定的化学配比将碳化硼粉末与铝硅合金粉末在混料机中混合均匀；
步骤二 芯坯压制：将混合均匀的粉末采用单向模压压制成预制芯坯；
步骤三 热挤压：将预制芯坯放入挤压模具中，再将挤压模具放置到电阻炉中，经加热、升温、保温后挤压为型材；
步骤四 型材加工：将挤压型材退火、校直、切割，得到碳化硼在铝硅基体中均匀分布，密度为97~99%T.D的芯块成品。
2. 按照权利要求1所述的碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法，其特征在于：所述步骤一中采用的铝硅合金粉末为铝硅共晶合金粉末。
3. 按照权利要求2所述的碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法，其特征在于：所述的铝硅共晶合金粉末为Al88Si12粉末。
4. 按照权利要求1所述的碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的碳化硼粉末的质量分数为1.49~1.68wt%、粒度5~30μm；铝硅合金粉末的质量分数为98.51~98.32wt %，粒度10~70μm；混合时间30~60min。
5. 按照权利要求1所述的碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法，其特征在于：所述步骤二中混合粉末压制成预制芯坯的压力为250~300MPa；保压时间45~60s。
6. 按照权利要求1所述的碳化硼-铝硅合金可燃毒物芯块的制备方法，其特征在于：所述步骤三中电阻炉加热温度为400~550℃，升温速率10~15℃/min，保温时间30~180min；模具挤压比11，挤压速度2.5~4.0mm/s。
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