CN104942286B - 大密度差燃料坯成型的无落差布料装置及其布料方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的大密度差燃料坯成型的无落差布料装置及其布料方法，包括固定台、与固定台上表面齐平的布料台，布料台开有插入孔，插入孔内插入有螺栓，螺栓的外径套设有限位螺母，限位螺母位于布料台下方，还包括成型模具，成型模具的模腔内设置有可以上下活动的下模，螺栓插入到模腔内并与下模顶压连接。

Description

大密度差燃料坯成型的无落差布料装置及其布料方法

技术领域

本发明涉及铀钼燃料元件制造技术，具体涉及到了大密度差燃料坯成型的无落差布料装置及其布料方法。

背景技术

U-Mo合金燃料是一种新型的高铀密度燃料元件，U-Mo合金燃料的生产原料为铀钼合金粉和铝硅合金粉，具有辐照性能稳定、铀密度更高、后处理简单等优点，代表了世界研究试验堆用新一代燃料的发展方向。研究试验堆采用U-Mo合金燃料，可提高元件的铀装载量，延长燃料运行寿命，降低研究试验堆运行成本，减少燃料循环费用。

U-Mo合金弥散燃料元件由U-Mo燃料颗粒弥散在Al基体粉末中的燃料芯坯和包壳材料轧制复合而成。芯体铀均匀性是U-Mo合金弥散燃料元件的关键技术指标，铀均匀性好，可大大降低燃料元件局部过热导致元件严重肿胀或破损的风险，其直接影响着燃料元件的辐照性能和使用寿命。U-Mo合金燃料芯坯的均匀分布质量是影响元件芯体铀均匀性的关键因素。U-Mo合金燃料芯坯由混合均匀的U-Mo合金粉和Al合金粉在成型模具中压制而成。U-Mo/Al混合粉在从混料容器倒入成型模具模腔的布料过程中，由于U-Mo粉的密度（ρ=17.6g/cm³）远高于Al粉（ρ=2.7g/cm³）的密度，采用普通布料方法进行倒料时，由于存在高度落差，U-Mo/Al混合粉中的重颗粒（U-Mo粉）会因重力作用产生偏聚问题，导致U-Mo粉和Al粉进入模腔后重新分布不均匀，并且落差越大，偏聚越严重。此外，在后续的刮料过程中，普通布料时由于刮料深度较大，不利于刮料操作和粉料平整度判断，刮料难度较大，刮料次数较多，而刮料次数越多，混合粉的原始均匀分布状态破坏程度越高。因此为解决U-Mo/Al混合粉布料过程中的重力偏聚和刮料难的问题，需要设计一套专用布料装置，减少混合粉进入模腔时的高度落差和刮料深度；同时由于U-Mo粉为放射性核物料，必须在手套箱内进行布料和成型，因此要求布料装置简单可靠，便于在手套箱内操作。

发明内容

本发明的目的在于提供本发明公布了大密度差燃料坯成型的无落差布料装置及其布料方法，有效解决了U-Mo/Al混合粉布料过程中的重力偏聚和刮料难的问题，为改善U-Mo合金弥散燃料元件铀均匀性提供了技术保障。

为解决上述缺点，本发明的技术方案如下：

大密度差燃料坯成型的无落差布料装置，包括固定台、与固定台上表面齐平的布料台，布料台开有插入孔，插入孔内插入有螺栓，螺栓的外径套设有限位螺母，限位螺母位于布料台下方，还包括成型模具，成型模具的模腔内设置有可以上下活动的下模，螺栓插入到模腔内并与下模顶压连接。

上述结构的设计原理为：在固定台（也即铸造台）相邻位置设置与固定台上表面齐平的布料台，这样在布料完成后的成型模具开有直接平移到固定台，保证成型模具内的混合粉不会发生重力落差现象。由于成型模具为底部设置有下模、上方设置有上模的中空结构，其内部的模腔具备一定的深度，要使得混合粉放置到模腔内，采用传统结构和方法必然是以倾倒的方式将混合粉放置到模腔内，这就会造成重力落差现象，使得原本混合均匀的混合粉进入模腔后重新分布不均匀，因此，本发明的布料台设置有由螺栓、限位螺母构成的重力落差克服结构，同时将下模设置成可以上下活动的活动下模，这样我们通过螺栓顶压下模，让下模到达预定位置后，再以零间隙的方式将混料容器内的混合粉放置到下模上，然后旋转螺栓，使得下模缓慢移动到布料台表面上，完成混合粉的入料操作，最后盖上上模，完成整个成型模具的平移操作，将成型模具水平移动到固定台上，启动压机进行芯坯压制。该装置采用插入旋顶式结构设计，能够有效消除布料高度落差。

优选的，为了增加下模在移动构成的稳定性，所述螺栓为锥角螺栓，螺栓位于布料台上方的一端为圆锥形端。所述下模面向螺栓的一面设置有锥形盲孔，螺栓的圆锥形端插入到锥形盲孔内。

基于所述大密度差燃料坯成型的无落差布料装置的布料方法，包括以下步骤：

（1）、组装步骤：根据燃料芯坯高度预先设定好限位螺母在螺杆上的位置，将成型模具放置到布料台，旋转螺栓，使得螺栓与下模顶压连接，同时继续顶高下模，直至限位螺母与布料台贴紧；

（2）、入料步骤：将混料容器的杯口贴着下模的上表面，将混合粉从左至右倒在下模的上表面上，再采用刮料刀将混合粉刮平，随后旋转螺杆将下模轻轻旋低至贴紧布料台，将成型模具的上模放入模腔中；

（3）、平移成型模具，将装有混合粉的成型模具从布料台平移至固定台。

采用刮料刀将混合粉刮平的次数控制在2次以内。

所述混合粉为燃料相材料密度与基体材料密度差异较大的混合粉。例如：所述混合粉为铀钼合金粉和铝硅合金粉的混合粉。又例如：所述混合粉为铀钼合金粉和铝粉的混合粉。又例如：所述混合粉为U₃Si₂合金粉和铝粉的混合粉。

本发明的效果在于：本发明通过设计插入旋顶式结构的无落差布料装置，基本避免了U-Mo燃料芯坯布料过程中的U-Mo粉重新偏聚的问题，有效改善了燃料板均匀区的铀分布均匀性。采用本发明进行布料，与普通布料相比，刮料深度低，刮料次数少，能够更快更好的将混合粉刮平，有利于保持混合粉的原始均匀分布状态。本发明中的无落差布料装置简单可靠，便于在手套箱内操作。

附图说明

图1为布料装置的侧视图。

图2为布料台和固定台的俯视图。

图3为布料台与成型模具的结构关系图。

图中的附图标记分别表示为：1、固定台；2、布料台；3、螺栓；4、限位螺母；5、插入孔；6、成型模具；7、下模。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图3所示。

大密度差燃料坯成型的无落差布料装置，包括固定台1、与固定台上表面齐平的布料台2，布料台开有插入孔5，插入孔5内插入有螺栓3，螺栓3的外径套设有限位螺母4，限位螺母4位于布料台2下方，还包括成型模具6，成型模具6的模腔内设置有可以上下活动的下模7，螺栓3插入到模腔内并与下模7顶压连接。

上述结构的设计原理为：在固定台1（也即铸造台）相邻位置设置与固定台上表面齐平的布料台2，这样在布料完成后的成型模具6开有直接平移到固定台1，保证成型模具6内的混合粉不会发生重力落差现象。由于成型模具6为底部设置有下模、上方设置有上模的中空结构，其内部的模腔具备一定的深度，要使得混合粉放置到模腔内，采用传统结构和方法必然是以倾倒的方式将混合粉放置到模腔内，这就会造成重力落差现象，使得原本混合均匀的混合粉进入模腔后重新分布不均匀，因此，本发明的布料台设置有由螺栓3、限位螺母4构成的重力落差克服结构，同时将下模设置成可以上下活动的活动下模，这样我们通过螺栓3顶压下模，让下模到达预定位置后，再以零间隙的方式将混料容器内的混合粉放置到下模上，然后旋转螺栓3，使得下模缓慢移动到布料台表面上，完成混合粉的入料操作，最后盖上上模，完成整个成型模具6的平移操作，将成型模具6水平移动到固定台1上，启动压机进行芯坯压制。该装置采用插入旋顶式结构设计，能够有效消除布料高度落差。

优选的，为了增加下模在移动构成的稳定性，所述螺栓3为锥角螺栓，螺栓3位于布料台2上方的一端为圆锥形端。所述下模7面向螺栓3的一面设置有锥形盲孔，螺栓3的圆锥形端插入到锥形盲孔内。

基于所述大密度差燃料坯成型的无落差布料装置的布料方法，包括以下步骤：

（1）、组装步骤：根据燃料芯坯高度预先设定好限位螺母在螺杆上的位置，将成型模具6放置到布料台，旋转螺栓3，使得螺栓3与下模7顶压连接，同时继续顶高下模7，直至限位螺母与布料台贴紧；

（2）、入料步骤：将混料容器的杯口贴着下模的上表面，将混合粉从左至右倒在下模7的上表面上，再采用刮料刀将混合粉刮平，随后旋转螺杆将下模轻轻旋低至贴紧布料台，将成型模具的上模放入模腔中；

（3）、平移成型模具，将装有混合粉的成型模具从布料台平移至固定台。

采用刮料刀将混合粉刮平的次数控制在2次以内。

所述混合粉为燃料相材料密度与基体材料密度差异较大的混合粉。例如：所述混合粉为铀钼合金粉和铝硅合金粉的混合粉。又例如：所述混合粉为铀钼合金粉和铝粉的混合粉。又例如：所述混合粉为U₃Si₂合金粉和铝粉的混合粉。

根据上装置结构和上述方法，采用芯体铀密度高达6.5gU/cm³的（U-Mo）-Al弥散燃料芯坯作为实施例。在成型手套箱内将成型模具的各个部件清洗干净后放置在布料台上，移动成型模具使下模的锥形盲孔与布料台的插入孔重合，根据（U-Mo）-Al燃料芯坯高度预先设定好限位螺母在螺杆的位置，将螺杆通过布料台的插入孔进入下模的锥形盲孔中；旋转螺杆将成型模具模腔内的下模顶高，直至限位螺母与布料台贴紧；然后将混料容器的杯口贴近下模的上表面，以消除倒料时的高度落差，将U-Mo/Al混合粉从左至右倒入模腔内，再采用刮料刀将混合粉刮平，尽量将刮料次数控制在2次以内；随后旋转螺杆将下模轻轻旋低至贴紧布料台，将成型模具的上模放入模腔中。最后将装有U-Mo/Al混合粉的成型模具从布料台平移至固定台，使成型模具的上模对准压机压头中心，启动压机将其压制成燃料芯坯。将（U-Mo）-Al弥散芯坯与Al框架组装，轧制成最终的（U-Mo）-Al弥散燃料板。采用γ射线吸收法对（U-Mo）-Al弥散燃料板的铀均匀性进行了检测，检测结果表明均匀区铀均匀性可达±12%以内，满足不超过±20%的技术要求，说明采用本布料装置制备的（U-Mo）-Al弥散芯坯对改善燃料板铀均匀性的效果很好。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.大密度差燃料坯成型的无落差布料装置，其特征在于：包括固定台（1）、与固定台上表面齐平的布料台（2），布料台开有插入孔（5），插入孔（5）内插入有螺栓（3），螺栓（3）的外径套设有限位螺母（4），限位螺母（4）位于布料台（2）下方，还包括成型模具（6），成型模具（6）的模腔内设置有可以上下活动的下模（7），螺栓（3）插入到模腔内并与下模（7）顶压连接。

2.根据权利要求1所述的大密度差燃料坯成型的无落差布料装置，其特征在于：所述螺栓（3）为锥角螺栓，螺栓（3）位于布料台（2）上方的一端为圆锥形端。

3.根据权利要求2所述的大密度差燃料坯成型的无落差布料装置，其特征在于：所述下模（7）面向螺栓（3）的一面设置有锥形盲孔，螺栓（3）的圆锥形端插入到锥形盲孔内。

4.基于权利要求1或2所述大密度差燃料坯成型的无落差布料装置的布料方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、组装步骤：根据燃料芯坯高度预先设定好限位螺母在螺杆上的位置，将成型模具（6）放置到布料台，旋转螺栓（3），使得螺栓（3）与下模（7）顶压连接，同时继续顶高下模（7），直至限位螺母与布料台贴紧；

（2）、入料步骤：将混料容器的杯口贴着下模的上表面，将混合粉从左至右倒在下模（7）的上表面上，再采用刮料刀将混合粉刮平，随后旋转螺杆将下模轻轻旋低至贴紧布料台，将成型模具的上模放入模腔中；

（3）、平移成型模具，将装有混合粉的成型模具从布料台平移至固定台。

5.根据权利要求4所述的布料方法，其特征在于：采用刮料刀将混合粉刮平的次数控制在2次以内。

6.根据权利要求4所述的布料方法，其特征在于：所述混合粉为燃料相材料密度与基体材料密度差异较大的混合粉。

7.根据权利要求4所述的布料方法，其特征在于：所述混合粉为铀钼合金粉和铝硅合金粉的混合粉。

8.根据权利要求4所述的布料方法，其特征在于：所述混合粉为铀钼合金粉和铝粉的混合粉。

9.根据权利要求4所述的布料方法，其特征在于：所述混合粉为U₃Si₂合金粉和铝粉的混合粉。