CN104952500B - 铀钼合金弥散燃料板制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是铀钼合金弥散燃料板制备方法，包括以下步骤：A、配料步骤：取铀钼合金粉、铝硅合金粉备用；B、混料步骤：将铀钼合金粉、铝硅合金粉投入到三维混料机中进行三维混料操作；C、芯坯成型步骤：将混合后的物料投入到削角成型模具中，采用液压机压制出削角形状的燃料芯坯；D、芯坯除气步骤：将削角形状的燃料芯坯在真空状态中进行热处理除气后得到弥散芯坯；E、组坯步骤：将Al框架和盖板进行机械加工后，进行表面处理，同时将弥散芯坯设置在Al框架中，采用盖板组装后焊接密封，形成轧制坯；F、轧制步骤：将轧制坯加热进行热轧处理成弥散燃料板，热轧完的弥散燃料板进行起泡退火试验，对没有鼓泡的弥散燃料板进行冷轧。

Description

铀钼合金弥散燃料板制备方法

技术领域

本发明涉及铀钼燃料元件制造技术，具体涉及到了铀钼合金弥散燃料板制备方法。

背景技术

U-Mo合金燃料是一种新型的高铀密度燃料元件，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合金弥散燃料板制备技术是研发U-Mo合金燃料元件的关键基础技术。U-Mo合金弥散燃料板是由U-Mo合金粉均匀弥散的Al基芯体与铝合金包壳轧制复合而成的，其关键制备技术和工艺参数在国际上处于保密状态。

U-Mo合金弥散燃料板主要包括铀分布均匀性、芯体/包壳结合质量、包壳厚度等关键性能，其指标必须满足研究试验堆燃料元件的国际通用技术要求。其中：铀分布均匀性要求芯体均匀区在名义铀面密度的±20%以内，狗骨区在名义铀面密度的+30%～100%以内；芯体/包壳结合质量要求退火起泡检验燃料板有效区域内无肉眼可见起泡，且超声检验的不结合缺陷面积小于与φ2mm圆相当的面积；包壳厚度要求均匀区最小包壳厚度不小于0.30mm，狗骨区最小包壳厚度不小于0.25mm。

与研究试验堆现用的U₃Si₂-Al燃料元件相比，铀钼合金弥散燃料板的制备技术更加复杂，主要体现在：首先U-Mo合金的密度（ρ=17.6g/cm3）是U₃Si₂陶瓷密度（ρ=11.3g/cm³）的1.6倍，因此与基体Al粉的密度差更大，导致U-Mo合金粉与Al粉的混合均匀难度增大；其次，U-Mo合金燃料板芯体铀密度高于（5～8gU/cm³）U₃Si₂-Al燃料板（最大不超4.8gU/cm³），而弥散燃料板的铀密度越高，“狗骨”区铀均匀性越难控制；第三，U-Mo合金的熔点和硬度等物理性质与U₃Si₂陶瓷相差异较大，因此燃料板的轧制工艺技术需重新探索。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铀钼合金弥散燃料板的制备方法，制备出了满足技术条件的铀钼合金弥散燃料板，为研发新型铀钼合金燃料元件奠定了技术基础。

为解决以上技术难题，本发明的技术方案如下：

铀钼合金弥散燃料板制备方法，包括以下步骤：

A、配料步骤：取铀钼合金粉、铝硅合金粉备用；

B、混料步骤：将铀钼合金粉、铝硅合金粉投入到三维混料机中进行三维混料操作；

C、芯坯成型步骤：将混合后的物料投入到削角成型模具中，采用液压机压制出削角形状的燃料芯坯；

D、芯坯除气步骤：将削角形状的燃料芯坯在真空状态中进行热处理除气后得到弥散芯坯；

E、组坯步骤：将Al框架和盖板进行机械加工后，进行表面处理，同时将弥散芯坯设置在Al框架中，采用盖板组装后焊接密封，形成轧制坯；

F、轧制步骤：将轧制坯加热进行热轧处理成弥散燃料板，热轧完的弥散燃料板进行起泡退火试验，对没有鼓泡的弥散燃料板进行冷轧，使弥散燃料板达到预定尺寸，最后进行矫直，形成铀钼合金弥散燃料板。

研究试验堆现用的燃料元件为U₃Si₂-Al弥散燃料板，其制作工艺为：选用U₃Si₂粉和Al粉混合成型后组装在铝合金框架与盖板之间，然后轧制成薄板，可以参考现有技术《U₃Si₂-Al弥散型燃料元件》，该资料中未提及具体的轧制方法，其内容大量的披露了U₃Si₂-Al弥散型燃料元件的参数性能。

铀钼合金弥散燃料板的制备技术在国外处于保密状态，没有任何资料可以参考铀钼合金弥散燃料板的具体制备技术。首次，U-Mo合金的密度（ρ=17.6g/cm³）是U₃Si₂陶瓷密度（ρ=11.3g/cm³）的1.6倍，因此与基体Al粉的密度差更大，导致U-Mo合金粉与Al粉的混合均匀难度增大；其次，U-Mo合金燃料板芯体铀密度（5～8gU/cm³）高于U₃Si₂-Al燃料板（最大不超4.8gU/cm³），而弥散燃料板的铀密度越高，“狗骨”区铀均匀性越难控制；第三，U-Mo合金的熔点和硬度等物理性质与U₃Si₂陶瓷相差异较大，因此燃料板的制备技术需重新探索。

本发明通过制定合理的U-Mo合金弥散燃料板制备技术路线，在国内首次成功制备出满足技术要求的U-Mo合金弥散燃料板；通过确定合理的U-Mo合金粉粒度，有利于提高燃料颗粒的燃耗和与基体Al粉的混料均匀性；通过确定合理的基体Al-Si粉中的Si含量，有利于提高燃料元件的抗辐照性能；通过确定合理的Al-Si粉粒度，有利于主动与U-Mo合金粉混合均匀；通过制定合理的三维混料工艺参数，能保证U-Mo粉和Al-Si粉充分混合均匀，有利于提高燃料板的铀分布均匀性；通过制定合理的削角芯坯成型工艺参数，能制备出密度均匀、尺寸满足设计要求和强度满足轧制要求的削角燃料芯坯；通过制定合理的均匀热轧技术，能同时兼顾U-Mo合金弥散燃料板的铀分布均匀性、结合质量和包壳厚度等关键性能指标满足技术要求。

本发明能够成功制备出满足技术要求的U-Mo合金弥散燃料板，其中：芯体均匀区铀分布均匀性在名义面密度的±12%以内，狗骨区在名义面密度的±20%以内，远远优于技术要求；结合质量满足退火起泡检验和超声检验的判定要求；均匀区最小包壳厚度不小于0.32mm，狗骨区最小包壳厚度不小于0.28mm。

铀钼合金粉的粒度控制在44μm～125μm。

小于44μm的铀钼合金粉的质量分数不超过5%，大于125μm的铀钼合金粉的质量分数不超过5%。

铝硅合金粉中硅的质量分数为2%～6%，铝硅合金粉的粒度小于或等于74μm。

小于或等于44μm的铝硅合金粉的质量分数占80%以上。

上述技术中，选用上述铀钼合金粉的粒度，有利于提高燃料颗粒的燃耗和与铝硅合金粉的混料均匀性。选用上述Si含量的铝硅合金粉，有利于提高燃料元件的抗辐照性能；选用上述铝硅合金粉的粒度，有利于铝硅合金粉主动与铀钼合金粉混合均匀。

混料步骤的工艺参数为：三维混料机工作频率为10～30Hz，混料机主轴转速为2r/ min～6r/min，混料时间为60 min～120min。能保证铀钼合金粉和铝硅合金粉充分混合均匀，有利于提高燃料板的铀分布均匀性。

制备燃料芯坯的具体方法是：在削角成型模具中对混合后的物料进行压制，采用压制压力为500MPa～750Mpa、保压时间为10～20s，能制备出密度均匀、尺寸满足设计要求和强度满足轧制要求的削角燃料芯坯。

轧制步骤中热轧轧制坯的具体工艺是：采用多道次中等变形量的均匀热轧技术轧制成弥散燃料板，轧制温度为480℃～520℃，轧制道次为6～8道，前三道轧制每道变形量为25%～28%。能同时兼顾铀钼合金弥散燃料板的铀分布均匀性、结合质量和包壳厚度等关键性能指标满足技术要求。

本发明的效果在于：根据本发明制备得到的铀钼合金弥散燃料板，其芯体均匀区铀分布均匀性在名义面密度的±12%以内，狗骨区在名义面密度的±20%以内，远远优于技术要求；结合质量满足退火起泡检验和超声检验的判定要求；燃料板包壳厚度满足技术要求。

附图说明

图1为本发明的工艺技术路线图。

图2为布料装置的侧视图。

图3为布料台和固定台的俯视图。

图4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所示。

图1中U-Mo合金为铀钼合金的简写，Al-Si合为金铝硅合金的简写，Al框架为铝框架的简写。

铀钼合金弥散燃料板制备方法，包括以下步骤：

A、配料步骤：取铀钼合金粉、铝硅合金粉备用；

B、混料步骤：将铀钼合金粉、铝硅合金粉投入到三维混料机中进行三维混料操作；

C、芯坯成型步骤：将混合后的物料投入到削角成型模具中，采用液压机压制出削角形状的燃料芯坯；

D、芯坯除气步骤：将削角形状的燃料芯坯在真空状态中进行热处理除气后得到弥散芯坯；

E、组坯步骤：将Al框架和盖板进行机械加工后，进行表面处理，同时将弥散芯坯设置在Al框架中，采用盖板组装后焊接密封，形成轧制坯；

F、轧制步骤：将轧制坯加热进行热轧处理成弥散燃料板，热轧完的弥散燃料板进行起泡退火试验，对没有鼓泡的弥散燃料板进行冷轧，使弥散燃料板达到预定尺寸，最后进行矫直，形成铀钼合金弥散燃料板。

研究试验堆现用的燃料元件为U₃Si₂-Al弥散燃料板，其制作工艺为：选用U₃Si₂粉和Al粉混合成型后组装在铝合金框架与盖板之间，然后轧制成薄板，可以参考现有技术《U₃Si₂-Al弥散型燃料元件》，该资料中未提及具体的轧制方法，其内容大量的披露了U₃Si₂-Al弥散型燃料元件的参数性能。

铀钼合金弥散燃料板的制备技术在国外处于保密状态，没有任何资料可以参考铀钼合金弥散燃料板的制备过程，U-Mo合金的密度（ρ=17.6g/cm³）是U₃Si₂陶瓷密度（ρ=11.3g/cm³）的1.6倍，因此与基体Al粉的密度差更大，导致U-Mo合金粉与Al粉的混合均匀难度增大；其次，U-Mo合金燃料板芯体铀密度（5～8gU/cm³）高于U₃Si₂-Al燃料板（最大不超4.8gU/cm³），而弥散燃料板的铀密度越高，“狗骨”区铀均匀性越难控制；第三，U-Mo合金的熔点和硬度等物理性质与U₃Si₂陶瓷相差异较大，因此燃料板的制备技术需重新探索。

本发明通过制定合理的U-Mo合金弥散燃料板制备技术路线，在国内首次成功制备出满足技术要求的U-Mo合金弥散燃料板；通过确定合理的U-Mo合金粉粒度，有利于提高燃料颗粒的燃耗和与基体Al粉的混料均匀性；通过确定合理的基体Al-Si粉中的Si含量，有利于提高燃料元件的抗辐照性能；通过确定合理的Al-Si粉粒度，有利于主动与U-Mo合金粉混合均匀；通过制定合理的三维混料工艺参数，能保证U-Mo粉和Al-Si粉充分混合均匀，有利于提高燃料板的铀分布均匀性；通过制定合理的削角芯坯成型工艺参数，能制备出密度均匀、尺寸满足设计要求和强度满足轧制要求的削角燃料芯坯；通过制定合理的均匀热轧技术，能同时兼顾U-Mo合金弥散燃料板的铀分布均匀性、结合质量和包壳厚度等关键性能指标满足技术要求。

本发明能够成功制备出满足技术要求的U-Mo合金弥散燃料板，其中：芯体均匀区铀分布均匀性在名义面密度的±12%以内，狗骨区在名义面密度的±20%以内，远远优于技术要求；结合质量满足退火起泡检验和超声检验的判定要求；均匀区最小包壳厚度不小于0.32mm，狗骨区最小包壳厚度不小于0.28mm。

铀钼合金粉的粒度控制在44μm～125μm。

小于44μm的铀钼合金粉的质量分数不超过5%，大于125μm的铀钼合金粉的质量分数不超过5%。

铝硅合金粉中硅的质量分数为2%～6%，铝硅合金粉的粒度小于或等于74μm。

小于或等于44μm的铝硅合金粉的质量分数占80%以上。

上述技术中，选用上述铀钼合金粉的粒度，有利于提高燃料颗粒的燃耗和与铝硅合金粉的混料均匀性。选用上述Si含量的铝硅合金粉，有利于提高燃料元件的抗辐照性能；选用上述铝硅合金粉的粒度，有利于铝硅合金粉主动与铀钼合金粉混合均匀。

混料步骤的工艺参数为：三维混料机工作频率为10～30Hz，混料机主轴转速为2r/ min～6r/min，混料时间为60 min～120min。能保证铀钼合金粉和铝硅合金粉充分混合均匀，有利于提高燃料板的铀分布均匀性。

制备燃料芯坯的具体方法是：采用压制压力为500MPa～750Mpa、保压时间为10～20s的成型模具，对混合后的物料进行压制。能制备出密度均匀、尺寸满足设计要求和强度满足轧制要求的削角的燃料芯坯。

轧制步骤中热轧轧制坯的具体工艺是：采用多道次中等变形量的均匀热轧技术轧制成弥散燃料板，轧制温度为480℃～520℃，轧制道次为6～8道，前三道轧制每道变形量为25%～28%。能同时兼顾铀钼合金弥散燃料板的铀分布均匀性、结合质量和包壳厚度等关键性能指标满足技术要求。

根据上述技术方法，本实施例进行了具体的实施操作如下：将粒度为44μm～125μm的U-Mo合金粉末和粒度小于74μm的Al-Si合金粉在特制三维混料机中进行混料，其中Si的质量分数为2～6%，混料机工作频率为10～30Hz，混料机主轴转速为2～6r/min，混料时间为60～120min；混料均匀后将混合粉体放入削角成型模具中压制成燃料芯坯，压制压力为500MPa～750MPa，保压时间为10～20s；在真空状态中对燃料芯坯进行热处理除气得到弥散芯坯；Al框架及盖板机械加工后，进行表面处理；将弥散芯坯与进行Al框架及盖板组装后焊接密封，形成轧制坯；将轧制坯放入热处理炉中加热后，采用热轧机将其轧制成弥散燃料板，轧制温度为480～520℃，轧制道次为6～8道，前三道轧制每道变形量为25%～28%；热轧完的燃料板进行起泡退火试验，对没有鼓泡的燃料板进行冷轧，使其达到预定尺寸，最后利用矫直机进行矫直，形成U-Mo合金弥散燃料板。

上述方法成功制备出20余块满足技术要求的U-Mo合金弥散燃料板，其中：芯体均匀区铀分布均匀性在名义面密度的±12%以内，狗骨区在名义面密度的±20%以内，远远优于技术要求；结合质量满足退火起泡检验和超声检验的判定要求；燃料板包壳厚度满足技术要求。

对比例1：

本对比例，选用铀钼合金粉和铝硅合金粉为原料，以传统混料方法、常规芯坯制作方法和现有轧制方法制备铀钼合金弥散燃料板，其步骤如下：

A、配料步骤：取不满足本专利粒度要求的铀钼合金粉、铝硅合金粉备用；

B、混料步骤：将铀钼合金粉、铝硅合金粉投入到传统混料机中进行混料操作；

C、芯坯成型步骤：将混合后的物料投入到传统成型模具中，压制出燃料芯坯；

D、组坯步骤：将Al框架和盖板进行机械加工后，进行表面处理，同时将燃料芯坯设置在Al框架中，采用盖板组装后焊接密封，形成轧制坯；

E、轧制步骤：将轧制坯进行常规轧制处理。

上述方法制备出20余块U-Mo合金弥散燃料板，其中：芯体均匀区铀分布均匀性超过名义面密度的±22%以上，狗骨区超过名义面密度的+33%以上，芯体/包壳结合质量要求退火起泡检验燃料板有效区域内肉眼可见起泡；因此对比例1制备得到的U-Mo合金弥散燃料板不合格。

从对比例1和本发明的实施例1可以看出，本发明介绍了一种以粉末冶金和轧制复合为核心技术的U-Mo合金弥散燃料板制备技术，该技术包括合理的制备技术路线、原材料粉末的粒度要求、三维混料工艺参数、削角芯坯成型工艺参数和均匀热轧工艺参数。通过制定以上合理的技术参数，本发明能够制备出满足研究堆燃料元件技术要求的U-Mo合金弥散燃料板，其中铀均匀性远远优于技术指标。

实施例2

在实施例1的基础上，本发明还包括布料步骤，该布料步骤即将混合后的物料投入到成型模具中，其具体操作，如图2、图3、图4所示，该步骤采用特殊的布料装置，其布料装置的结构为：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。

布料步骤的具体步骤如下：

（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。

优选的，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 (7)

1.铀钼合金弥散燃料板制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、配料步骤：取铀钼合金粉、铝硅合金粉备用；

B、混料步骤：将铀钼合金粉、铝硅合金粉投入到三维混料机中进行三维混料操作；

C、芯坯成型步骤：采用将混合后的物料投入到削角成型模具中，制备出削角形状的燃料芯坯；

D、芯坯除气步骤：将削角形状的燃料芯坯在真空状态中进行热处理除气后得到弥散芯坯；

E、组坯步骤：将Al框架和盖板进行机械加工后，进行表面处理，同时将弥散芯坯设置在Al框架中，采用盖板组装后焊接密封，形成轧制坯；

F、轧制步骤：将轧制坯加热进行热轧处理成弥散燃料板，热轧完的弥散燃料板进行起泡退火试验，对没有鼓泡的弥散燃料板进行冷轧，使弥散燃料板达到预定尺寸，最后进行矫直，形成铀钼合金弥散燃料板；

铝硅合金粉中硅的质量分数为2%～6%，铝硅合金粉的粒度小于或等于74μm。

2.根据权利要求1所述的铀钼合金弥散燃料板制备方法，其特征在于：铀钼合金粉的粒度控制在44μm～125μm。

3.根据权利要求1所述的铀钼合金弥散燃料板制备方法，其特征在于：小于44μm的铀钼合金粉的质量分数不超过5%，大于125μm的铀钼合金粉的质量分数不超过5%。

4.根据权利要求1所述的铀钼合金弥散燃料板制备方法，其特征在于：小于或等于44μm的铝硅合金粉的质量分数占80%以上。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的铀钼合金弥散燃料板制备方法，其特征在于：混料步骤的工艺参数为：三维混料机工作频率为10～30Hz，混料机主轴转速为2 r/ min～6r/min，混料时间为60 min～120min。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的铀钼合金弥散燃料板制备方法，其特征在于：制备燃料芯坯的具体方法是：采用液压机将削角成型模具中的混合物料压制成燃料芯坯，其压制压力为500MPa～750Mpa，保压时间为10～20s。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的铀钼合金弥散燃料板制备方法，其特征在于：轧制步骤中热轧轧制坯的具体工艺是：采用多道次中等变形量的均匀热轧技术轧制成弥散燃料板，轧制温度为480℃～520℃，轧制道次为6～8道，前三道轧制每道变形量为25%～28%。