CN109801727B - 燃料板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料板及其制备方法，包括：对芯坯的两个侧面进行削角；将削角后的芯坯进行组装；将组装后的组合体进行轧制，制备得到所述燃料板。本发明的芯坯经过削角之后，能够在轧制时减小燃料板两端的燃料芯体厚度，缓解燃料板两端的燃料芯体厚度比中间部分的芯体厚度高的现象，从而改善燃料组件的安全性及使用寿命。

Description

燃料板及其制备方法

技术领域

本发明涉及燃料板的加工领域，尤其涉及一种燃料板及其制备方法。

背景技术

研究和试验堆用弥散体燃料是由一种将裂变核燃料颗粒弥散在中子吸收能力低的基体中的混合燃料。在弥散体燃料中，高能的裂变反应被基体隔离开来，从而防止裂变引起的材料性能退化。同时，在高功率密度下弥散体燃料可实现高燃耗(重原子裂变数)，并可生产研究和试验堆运行所需的高中子注量。

1978年，为了减少核扩散风险美国阿贡实验室(ANL)实施了“降低研究和试验堆用燃料富集度计划(RERTR)”。该计划的主要目的是开发一种使用低浓铀(LEU)燃料替代现有高浓铀(HEU)燃料所需的技术，以实现对高浓铀堆芯的转换。开发的可用于堆芯转换的燃料应对反应堆的运行和堆芯布置影响小，对反应堆试验性能没有明显的影响，燃料性能满足反应堆安全要求，不明显增加反应堆的运行成本。在RERTR计划的框架下，法国、日本、韩国、加拿大、阿根廷等国都积极参与该计划的研究活动中，对低富集度高铀密度的弥散体燃料开展了大量的堆外和堆内性能研究，并取得重要成果，研发出可用于替代HEU反应堆堆芯的弥散体燃料。前期开发工作主要验证了UAlx-Al，U₃O₈-Al和U₃Si₂-Al弥散体燃料性能，尤其是U-235富集度小于20wt％的U₃Si₂-Al弥散体燃料的铀密度达到4.8g/cm3，且堆内辐照性能稳定，可以转换大约90％高浓铀反应堆，因此，被广泛应用于世界各国研究堆的低浓化转换中。美国核管会(NRC)于1988年批准了铀密度不超过4.8g/cm3的U₃Si₂-Al弥散体燃料在研究堆转换中的应用。我国于上世纪90年代开始研究U₃Si₂-Al弥散体燃料，并为巴基斯坦研究堆(PARR-1)提供了76组燃料组件，1999年开始为国内中国先进研究堆(CARR)和绵阳堆(NP)研发高密度的弥散体燃料，现已成功在这两个研究堆上使用。

U₃Si₂-Al弥散体燃料采用铀密度高U₃Si₂与铝粉混合压制烧结而成，由于铝具有高的热导率，从而被选为基体材料。U3Si2-Al燃料板通常采用滚压工艺将弥散体燃料与铝合金包壳轧制成一体。芯体中燃料相的体积份额不超过55％，空隙份额不超过7％。目前，国际上燃料板通常的轧制工艺主要包括：U₃Si₂-Al芯坯的制备、轧制坯的组坯、组坯的除气与焊接、热轧、冷轧、机加工和清洗。燃料板的轧制控制的主要参数：铀装量、铀均匀性、包壳厚度、燃料芯体与包壳的冶金结合、表面铀污染等。

由于轧制工艺的特性，一般轧制后的燃料板均呈现出两端铀分布不均匀的特点，即燃料板两端的燃料芯体厚度比中间部分的芯体厚度高，两端芯体厚度比理论值高约20％-30％左右(俗称，“狗骨”)。“狗骨”会对燃料板产生不利的影响：1)由于芯体增厚使得增厚区的燃料板包壳厚度减薄；2)芯体增厚使得燃料组件在堆内运行时产生局部的功率峰。这对燃料组件在堆内的安全运行造成了影响，限制了燃料组件的运行参数限值。“狗骨”的形成与轧制参数以及芯坯铀装量有密切的关系。尤其是高铀密度的燃料板轧制难度更大，如何尽可能降低燃料板轧制过程中形成的“狗骨”一直是燃料板轧制工艺改进的一个方向。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种燃料板及其制备方法，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明实施例提供了一种燃料板的制备方法，包括：

对芯坯的两个侧面进行削角；

将削角后的芯坯进行组装；

将组装后的组合体进行轧制。

在本发明的一些实施例中，所述两个侧面包括第一侧面和第二侧面，对芯坯的两个侧面进行削角，包括步骤：

对所述第一侧面的上部分或者该第一侧面，以与水平面呈第一角度的方向进行削角，确定一上斜剖面；

对所述第二侧面的下部分或者该第二侧面，以与水平面呈第二角度的方向进行削角，分别确定一下斜剖面。

在本发明的一些实施例中，所述第一角度与第二角度相同；

所述上斜剖面和下斜剖面的形状相同，且关于所述芯坯的中心呈中心对称。

在本发明的一些实施例中，所述上斜剖面的最低点与所述芯坯顶部之间的距离L1满足0＜L1＜1.2mm；所述下斜剖面的最高点与所述芯坯底部之间的距离L2满足0＜L2＜1.2mm。

在本发明的一些实施例中，所述第一角度和第二角度的范围为10°～15°。

在本发明的一些实施例中，将削角后的芯坯进行组装，包括步骤：

将加工并清洗干净的框架、上盖板、下盖板和削角之后的芯坯组装，所述上盖板和下盖板的内侧均设置有与所述削角之后的芯坯配合的空间；

将组装后的组装体在真空室内除气，并封焊成轧制坯。

在本发明的一些实施例中，将组装后的组合体进行轧制，包括步骤：

将所述轧制坯在490℃温度下，首次加热2小时，出炉轧制，减薄量20％；后续每次加热30分钟，减薄量20％；最后留20％的冷轧量，直至将轧制坯轧至预定的燃料板厚度。

在本发明的一些实施例中，还包括：将轧制后的组合体经过校平、射线透照确定其尺寸和位置，加工至预定的燃料板尺寸。

在本发明的一些实施例中，还包括：改善所述轧制后的组合体的形状：

根据所述轧制后的组合体沿轧制方向设置的框架焊接收口点，所述轧制方向为所述芯坯的较长边方向，所述框架焊接收口点在所述芯坯的较长边上；和/或

在轧制设备上设置一导向架，使得所述组装后的组合体在进入轧制设备之前，所述组装后的组合体与轧制设备的中心轴线平行。

本发明实施例还提供了一种燃料板，采用前述的燃料板的制备方法制备得到。

(三)有益效果

本发明的燃料板及其制备方法，相较于现有技术，至少具有以下优点：

1、通过改进芯坯的初始形状，将芯坯两端进行一定的削角处理，降低芯坯两端的燃料装量，使得芯体组坯经过热轧和冷轧后，燃料板两端的“狗骨”得以明显的减小，芯体增厚降低至20％以下，从而改善现有轧制工艺形成燃料板两端增厚现象。

2.根据芯坯削角设计框架盖板斜面以及框架焊接，轧制加工出的燃料板两端具有较低芯体增厚区，芯体厚度由原来的20-30％降低至20％以下，铀分布的不均匀性得到较大的改善，其分布不均匀性最大值由+27％降低到+20％以下，同时芯体的四边形形状也得到改善，从而提高了燃料组件在堆内运行的安全性、可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的燃料板的制备方法的步骤示意图；

图2为本发明实施例的燃料板的制备方法的工艺过程示意图；

图3为步骤S1中的削角示意图；

图4为步骤S2中的组装示意图；

图5为对组装后的组合体进行轧制的示意图；

图6为本发明实施例的燃料板的结构示意图；

图7为现有技术的燃料板与本发明实施例的燃料板的对比示意图。

具体实施方式

现有技术中，燃料板经常存在其两端的燃料芯体厚度比中间部分的芯体厚度高的现象(即狗骨现象)，有鉴于此，本申请提供了一种燃料板及其制备方法，通过改进芯坯的初始形状，将芯坯两端进行一定的削角处理，降低芯坯两端的燃料装量，使得芯体组坯经过热轧和冷轧后，狗骨现象得以明显的减小，从而改善现有轧制工艺形成燃料板两端增厚现象。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例的第一方面，提供了一种燃料板的制备方法，图1为本发明实施例的燃料板的制备方法的步骤示意图，如图1所示，该步骤包括以下步骤：

S1、对芯坯的两个侧面进行削角；

S2、将削角后的芯坯进行组装；

S3、将组装后的组合体进行轧制，制备得到所述燃料板。

接着，将对这三个步骤进行详细描述。

在步骤S1中，两个侧面包括第一侧面和第二侧面，步骤S1具体包括以下子步骤：

S11、对所述第一侧面的上部分或者该第一侧面，以与水平面呈第一角度的方向进行削角，确定一上斜剖面；

S12、对所述第二侧面的下部分或者该第二侧面，以与水平面呈第二角度的方向进行削角，分别确定一下斜剖面。

图2为本发明实施例的燃料板的制备方法的工艺过程示意图，请参照图2，以下将以U₃Si₂-Al弥散体燃料板轧制的工艺流程为例进行说明。

芯坯的制作过程如下：将制备好且颗粒尺寸小于149μm的U₃Si₂燃料粉末与纯铝粉末混合，经过压机压制成型，在保证燃料芯坯的铀装量满足设计要求的情况下，对长方形燃料芯坯的两端(对角线方向)削斜角，再经490℃，2小时的烧结后，精加工而成。

图3为步骤S1中的削角示意图，如图3所示，削角，可以指将第一侧面的全部进行削角，也可以指将第一侧面的部分进行削角，可以根据用户的实际需求进行选择。

CARR是我国第一个使用U₃Si₂-Al平板型燃料组件的高功率研究堆，燃料组件具有铀密度高，热流密度高，冷却剂流速高的特点。标准燃料组件由21块尺寸为890mm(长)×70.8mm(宽)×1.36mm(厚)燃料板及侧板、矩形插头、支撑梳、销钉、提梁、螺钉等部件组成；跟随体燃料组件由17块尺寸为880mm(长)×58.2mm(宽)燃料板及侧板、上下连接板等部件组成。标准燃料组件的燃料板芯体尺寸为850mm(长)×61.6mm(宽)×0.6mm(厚)；跟随体燃料组件燃料板芯体尺寸为850mm(长)×49mm(宽)×0.6mm(厚)。

为了防止芯坯的两个侧面削角之后过于薄，因此，在本发明的优选实施例中，上斜剖面的最低点与所述芯坯顶部之间的距离L1满足0＜L1＜1.2mm；下斜剖面的最高点与所述芯坯底部之间的距离L2满足0＜L2＜1.2mm。

优选地，所述第一角度与第二角度相同，所述上斜剖面和下斜剖面的形状相同，且关于所述芯坯的中心呈中心对称，如此，在该芯坯轧制时能够使得两端均匀，便于铀的均匀分布。

第一角度与第二角度一般为锐角，优选地，其范围为10°～15°，这样能够使得在该芯坯轧制后，燃料板的两端均匀且不至于太厚或者太薄。

图4为步骤S2中的组装示意图，在步骤S2中，其主要包括以下子步骤：

S21、将加工框架、上盖板、下盖板和削角之后的芯坯组装(呈三明治式的结构)，得到组装后的组装体，且所述上盖板和下盖板的内侧均设置有与所述削角之后的芯坯配合的空间；

S22、将组装后的组装体在真空室内除气，并封焊成轧制坯。

图5为对组装后的芯坯进行轧制的示意图，在步骤S3中，其主要包括以下子步骤：

S31、将所述轧制坯在490℃温度下，首次加热2小时，出炉轧制，减薄量20％；

S32、后续每次加热30分钟，减薄量20％；

S33、最后留20％的冷轧量，直至将轧制坯轧至预定的燃料板厚度。

也就是说，轧制坯先热轧，然后冷轧达到包壳和芯体(削角后的芯坯)的冶金结合。燃料板的最终厚度靠冷轧完成，且冷轧减薄厚度控制在10％左右。

燃料板都作起泡试验(温度482-500℃，保持一小时)及作超声检测，确保燃料芯体与包壳之间的冶金结合，燃料板的空隙率控制在(7±3)％范围。加工完的燃料板表面必须光滑，在燃料区不允许存在大于深0.05mm的擦伤(划痕、凹坑或斑迹)。在燃料区外面的燃料板上，压痕深不得超过0.3mm，直径不得超过6.4mm。

燃料板整个表面不允许有湿(水)汽、污物、油、有机物、锈、石墨或其它外来物。不允许在清洗燃料板或在其它任何程序中使用研磨剂、氯化物物质。燃料板依据设计要求进行切割，并作包壳厚度和燃料芯体厚度的检查。经检验，燃料芯体不均匀性小于20％。

此外，为了确定最终制备的燃料板的尺寸和形状，在步骤S3之后，还可以包括步骤：

S41、将轧制后的组合体经过校平、射线透照确定其尺寸和位置，加工至预定的燃料板尺寸；

S42、根据所述轧制后的组合体沿轧制方向设置的框架焊接收口点，所述轧制方向为所述芯坯的较长边方向，所述框架焊接收口点在所述芯坯的较长边上，从而改善所述轧制后的组合体的形状。

此外，为了进一步改善所述轧制后的组合体的形状，还可以在轧制设备上设置一导向架，使得所述组装后的组合体在进入轧制设备之前，所述组装后的组合体与轧制设备的中心轴线平行。

在此之后，请参照图6和图7，图6为本发明实施例的燃料板的结构示意图，图7为现有技术的燃料板与本发明实施例的燃料板的对比示意图，明显可见，本发明实施例的燃料板(如图6b所示)相较于现有技术的燃料板(如图6a所示)，其芯坯两端的燃料装量降低，芯体增厚降低，能够改善现有轧制工艺形成燃料板两端增厚现象；此外，其芯体形状更趋近于一个矩形，使得铀的分布更均匀，从而提高了燃料组件在堆内运行的安全性、可靠性。

本发明实施例还提供了一种燃料板，如图6所示，采用前述的燃料板的制备方法制备得到，燃料板由6061铝合金包壳和U₃Si₂-Al燃料芯体组成，U-235的富集度为19.75±0.20wt％，铀硅化物的硅含量为7.5wt％，芯体的铀密度为4.3gU/cm3。燃料芯体使用的U₃Si₂粉末颗粒度在44-149μm之间，铝粉末颗粒应小于149μm。框架和包壳为6061铝合金，框架由一块整板加工而成。

燃料芯体在轴向分两区，I区(均匀区)长度≥820mm，II区(两端的非均匀区，即“狗骨”)长度≤15mm)。I区在任一个2.0mm直径范围内测量的235U表面密度(g/cm2)，允许偏差必须在名义值的±12％内。II区偏差必须在规定值的+20～-100％之内。

综上，本发明的燃料板及其制备方法，通过改进芯坯的初始形状，将芯坯两端进行一定的削角处理，降低芯坯两端的燃料装量，使得芯体组坯经过热轧和冷轧后，燃料板两端的“狗骨”现象得以明显的减小，芯体增厚降低至20％以下，从而改善现有轧制工艺形成燃料板两端增厚现象。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料板的制备方法，包括：

对芯坯的两个侧面进行削角；

将削角后的芯坯进行组装；

将组装后的组合体进行轧制；

其中，所述两个侧面包括第一侧面和第二侧面，对芯坯的两个侧面进行削角，包括步骤：

对所述第一侧面的上部分或者该第一侧面，以与水平面呈第一角度的方向进行削角，确定一上斜剖面；

对所述第二侧面的下部分或者该第二侧面，以与水平面呈第二角度的方向进行削角，确定一下斜剖面。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一角度与第二角度相同；

所述上斜剖面和下斜剖面的形状相同，且关于所述芯坯的中心呈中心对称。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述上斜剖面的最低点与所述芯坯顶部之间的距离L1满足0＜L1＜1.2mm；所述下斜剖面的最高点与所述芯坯底部之间的距离L2满足0＜L2＜1.2mm。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一角度和第二角度的范围为10°～15°。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，将削角后的芯坯进行组装，包括步骤：

将加工并清洗干净的框架、上盖板、下盖板和削角之后的芯坯组装，所述上盖板和下盖板的内侧均设置有与所述削角之后的芯坯配合的空间；

将组装后的组装体在真空室内除气，并封焊成轧制坯。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，将组装后的组合体进行轧制，包括步骤：

将所述轧制坯在490℃温度下，首次加热2小时，出炉轧制，减薄量20％；后续每次加热30分钟，减薄量20％；最后留20％的冷轧量，直至将轧制坯轧至预定的燃料板厚度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，还包括：将轧制后的组合体经过校平、射线透照确定其尺寸和位置，加工至预定的燃料板尺寸。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，还包括：改善所述轧制后的组合体的形状：

根据所述轧制后的组合体沿轧制方向设置的框架焊接收口点，所述轧制方向为所述芯坯的较长边方向，所述框架焊接收口点在所述芯坯的较长边上；和/或

在轧制设备上设置一导向架，使得所述组装后的组合体在进入轧制设备之前，所述组装后的组合体与轧制设备的中心轴线平行。

9.一种燃料板，采用如权利要求1至8中任一所述的燃料板的制备方法制备得到。