CN106653126A - 一种环形uo2燃料芯块制备方法及模具 - Google Patents

一种环形uo2燃料芯块制备方法及模具 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种环形UO2燃料芯块制备方法及模具。其步骤：(a)将UO2粉末装入压块模具，压制成块；(b)将压制所得UO2块使用颗粒机破碎，再使用筛分机筛分；(c)按照一定质量配比向步骤(b)所得UO2粉末内添加润滑剂，混合均匀；(d)将步骤(c)所得UO2粉末装入成型模具中，成型获得环形芯块；(e)环形芯块在氢气气氛下还原烧结。本发明所述的环形UO2燃料芯块制备方法及模具，其以UO2粉末为原料，通过粉末冶金工艺制备出一种薄壁环形燃料芯块。本发明制得的环形UO2芯块，表面外观良好，其密度、化学成分均满足技术指标要求，可以应用于轻水堆，有效提高堆芯功率密度。

Description

一种环形UO2燃料芯块制备方法及模具
技术领域
本发明属于核反应堆新型燃料芯块制备技术领域，具体涉及到一种环形UO2燃料芯块制备方法及模具。
背景技术
目前的压水堆核燃料芯块均为实心UO2陶瓷型燃料，尽管其具有熔点高、热稳定性好，中子俘获截面低，各向异性小，辐照稳定性好，对包壳与冷却剂有良好的相容性，燃耗深度比金属型燃料大等优点，但其缺点也是比较显著的，主要表现在密度低、质硬而脆、不易加工、热导率小、辐照时芯块温差大，有辐照肿胀和芯块开裂倾向等。实心圆柱体结构的芯块，在实际运行过程中内部温度要远高于外层的温度，导致反应堆的功率受到限制，降低了热交换效率和反应堆的燃深，提高了成本，造成燃料的浪费。
改变芯块的形状，在反应堆中使用环形芯块，可以有效解决这一问题。这种芯块的使用可以大大提高芯块的上限温度，具有高性能压水堆燃料芯块的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环形UO2燃料芯块制备方法及模具，其以UO2粉末为原料，通过粉末冶金工艺制备出一种薄壁环形燃料芯块。
实现本发明目的的技术方案：一种环形UO2燃料芯块制备方法，其包括如下步骤：
步骤(a)，将UO2粉末装入压块模具，压制成块；采用压机压制成型，压制压力为15～35T；
步骤(b)，将步骤(a)压制所得UO2块使用颗粒机破碎，再使用筛分机筛分，获得150～300μm粒度的UO2粉末；
步骤(c)，按照一定质量配比向步骤(b)所得UO2粉末内添加润滑剂，添加润添加量为UO2粉末质量的0.1～0.5wt％，混合均匀；
步骤(d)，将步骤(c)所得UO2粉末装入成型模具中，生坯高度控制在10～20mm，生坯密度控制在5.0～5.6g/cm3，成型获得环形芯块；
步骤(e)，环形芯块在氢气气氛下还原烧结，烧结温度控制在1650～1800℃、高温保温时间2～9h。
如上所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其步骤(c)所述的润滑剂添加为阿克蜡或硬脂酸锌。
如上所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其步骤(e)烧结后UO2环形芯块，壁厚1～3mm，芯块端面垂直度≤0.05mm，粗糙度≤2.2μm。
如上所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其步骤(e)烧结后UO2环形芯块晶粒尺寸均匀，尺寸范围为6.5～25μm；气孔分布均匀，最大气孔小于0.25mm，芯块平均开口孔率＜1％，最大开口孔率＜2％，且无明显颗粒边界。
本发明所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法用的成型模具，其包括根据环形芯块几何外形设计的成型阴模、上冲头、下冲头、套环；将套环套入下冲头上，再将下冲头从成型阴模下部装入，使套环位置固定在成型阴模内低于下部三分之一区域；将UO2粉末按一定质量称重从上部装入成型阴模内，使其分散均匀；然后将上冲头从上部装入，手动预压，获得环形芯块。
本发明的效果在于：
本发明所述的环形UO2燃料芯块制备方法及模具，其以UO2粉末为原料，通过粉末冶金工艺制备出一种薄壁环形燃料芯块。
本发明制得的环形UO2芯块，表面外观良好，其密度、化学成分均满足技术指标要求，可以应用于轻水堆，有效提高堆芯功率密度。
附图说明
图1为本发明所述的成型模具组装图。
图中：1.上冲头；2.成型阴模；3.套环；4.下冲头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法及模具作进一步描述。
实施例1
本发明所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其包括如下步骤：
步骤(a)，将UO2粉末装入Ф40mm的压块模具，压制成块；采用压机压制成型，压制压力为25T；
步骤(b)，将步骤(a)压制所得UO2块使用颗粒机破碎，再使用筛分机筛分，获得150～300μm粒度的UO2粉末；
步骤(c)，按照一定质量配比向步骤(b)所得UO2粉末内添加润滑剂，添加润添加量为UO2粉末质量的0.3wt％，混合均匀；所述的润滑剂添加为阿克蜡；
步骤(d)，将步骤(c)所得UO2粉末装入成型模具中，生坯高度控制在15mm，生坯密度控制在5.3g/cm3，成型获得环形芯块；
步骤(e)，环形芯块在氢气气氛下还原烧结，烧结温度控制在1700℃、6小时。烧结后所得的UO2环形芯块，壁厚2mm，芯块端面垂直度≤0.05mm，粗糙度≤2.2μm。UO2环形芯块晶粒尺寸均匀，尺寸范围为6.5～25μm；气孔分布均匀，最大气孔小于0.25mm，芯块平均开口孔率＜1％，最大开口孔率＜2％，且无明显颗粒边界。
如图1所述，采用的成型模具包括根据UO2环形芯块几何外形设计的成型阴模2、上冲头1、下冲头4、套环3；将套环3套入下冲头4上，再将下冲头4从成型阴模2下部装入，使套环3位置固定在成型阴模2内低于下部三分之一区域；将UO2粉末按一定质量称重从上部装入成型阴模2内，使其分散均匀；然后将上冲头2从上部装入，手动预压，获得环形芯块。
实施例2
本发明所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其包括如下步骤：
步骤(a)，将UO2粉末装入压块模具，压制成块；采用压机压制成型，压制压力为15T；
步骤(b)，将步骤(a)压制所得UO2块使用颗粒机破碎，再使用筛分机筛分，获得200～300μm粒度的UO2粉末；
步骤(c)，按照一定质量配比向步骤(b)所得UO2粉末内添加润滑剂，添加润添加量为UO2粉末质量的0.1wt％，混合均匀；所述的润滑剂添加为硬脂酸锌；
步骤(d)，将步骤(c)所得UO2粉末装入成型模具中，生坯高度控制在10mm，生坯密度控制在5.0g/cm3，成型获得环形芯块；
步骤(e)，环形芯块在氢气气氛下还原烧结，烧结温度控制在1650℃、3小时。烧结后所得的UO2环形芯块，壁厚1mm，芯块端面垂直度≤0.05mm，粗糙度≤2.2μm。UO2环形芯块晶粒尺寸均匀，尺寸范围为6.5～25μm；气孔分布均匀，最大气孔小于0.25mm，芯块平均开口孔率＜1％，最大开口孔率＜2％，且无明显颗粒边界。
如图1所述，采用的成型模具包括根据UO2环形芯块几何外形设计的成型阴模2、上冲头1、下冲头4、套环3；将套环3套入下冲头4上，再将下冲头4从成型阴模2下部装入，使套环3位置固定在成型阴模2内低于下部三分之一区域；将UO2粉末按一定质量称重从上部装入成型阴模2内，使其分散均匀；然后将上冲头2从上部装入，手动预压，获得环形芯块。
实施例3
本发明所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其包括如下步骤：
步骤(a)，将UO2粉末装入压块模具，压制成块；采用压机压制成型，压制压力为25T；
步骤(b)，将步骤(a)压制所得UO2块使用颗粒机破碎，再使用筛分机筛分，获得150～200μm粒度的UO2粉末；
步骤(c)，按照一定质量配比向步骤(b)所得UO2粉末内添加润滑剂，添加润添加量为UO2粉末质量的0.2wt％，混合均匀；所述的润滑剂添加为阿克蜡或硬脂酸锌；
步骤(d)，将步骤(c)所得UO2粉末装入成型模具中，生坯高度控制在17mm，生坯密度控制在5.4g/cm3，成型获得环形芯块；
步骤(e)，环形芯块在氢气气氛下还原烧结，烧结温度控制在1800℃、2小时。烧结制备的芯块尺寸外观、化学成分和密度等均达到技术指标要求。
如图1所述，采用的成型模具包括根据UO2环形芯块几何外形设计的成型阴模2、上冲头1、下冲头4、套环3；将套环3套入下冲头4上，再将下冲头4从成型阴模2下部装入，使套环3位置固定在成型阴模2内低于下部三分之一区域；将UO2粉末按一定质量称重从上部装入成型阴模2内，使其分散均匀；然后将上冲头2从上部装入，手动预压，获得环形芯块。
实施例4
本发明所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其包括如下步骤：
步骤(a)，将UO2粉末装入压块模具，压制成块；采用压机压制成型，压制压力为35T；
步骤(b)，将步骤(a)压制所得UO2块使用颗粒机破碎，再使用筛分机筛分，获得150～250μm粒度的UO2粉末；
步骤(c)，按照一定质量配比向步骤(b)所得UO2粉末内添加润滑剂，添加润添加量为UO2粉末质量的0.5wt％，混合均匀；所述的润滑剂添加为阿克蜡或硬脂酸锌；
步骤(d)，将步骤(c)所得UO2粉末装入成型模具中，生坯高度控制在20mm，生坯密度控制在5.6g/cm3，成型获得环形芯块；
步骤(e)，环形芯块在氢气气氛下还原烧结，烧结温度控制在1650℃、9小时。烧结制备的芯块尺寸外观、化学成分和密度等均达到技术指标要求。
上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种环形UO2燃料芯块制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤(a)，将UO2粉末装入压块模具，压制成块；采用压机压制成型，压制压力为15～35T；
步骤(b)，将步骤(a)压制所得UO2块使用颗粒机破碎，再使用筛分机筛分，获得150～300μm粒度的UO2粉末；
步骤(c)，按照一定质量配比向步骤(b)所得UO2粉末内添加润滑剂，添加润添加量为UO2粉末质量的0.1～0.5wt％，混合均匀；
步骤(d)，将步骤(c)所得UO2粉末装入成型模具中，生坯高度控制在10～20mm，生坯密度控制在5.0～5.6g/cm3，成型获得环形芯块；
步骤(e)，环形芯块在氢气气氛下还原烧结，烧结温度控制在1650～1800℃、高温保温时间2～9h。
2.根据权利要求1所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其特征在于，步骤(c)所述的润滑剂添加为阿克蜡或硬脂酸锌。
3.根据权利要求1所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其特征在于，步骤(e)烧结后UO2环形芯块，壁厚1～3mm，芯块端面垂直度≤0.05mm，粗糙度≤2.2μm。
4.根据权利要求1所述的一种环形UO2燃料芯块制备方法，其特征在于，步骤(e)烧结后UO2环形芯块晶粒尺寸均匀，尺寸范围为6.5～25μm；气孔分布均匀，最大气孔小于0.25mm，芯块平均开口孔率＜1％，最大开口孔率＜2％，且无明显颗粒边界。
5.一种用于权利要求1至4所述任意环形UO2燃料芯块制备方法用的成型模具，其特征在于，该成型模具包括根据环形芯块几何外形设计的成型阴模(2)、上冲头(1)、下冲头(4)、套环(3)；将套环(3)套入下冲头(4)上，再将下冲头(4)从成型阴模(2)下部装入，使套环(3)位置固定在成型阴模(2)内低于下部三分之一区域；将UO2粉末按一定质量称重从上部装入成型阴模(2)内，使其分散均匀；然后将上冲头(2)从上部装入，手动预压，获得环形芯块。
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