CN110164574B - 一种蜂窝状燃料芯块的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核燃料制备技术领域，涉及一种蜂窝状燃料芯块的制备方法。所述的制备方法依次包括如下步骤且不包括磨削步骤：(1)造粒：称量原料粉末颗粒填充入模具，在液压机上进行预压，将预压压坯破碎后过筛，所得大颗粒与粘结剂混合后倒入球磨罐，放入磨球进行高能球磨；(2)压制：球磨得到的粉末过筛后，大颗粒填充入模具进行压制，脱模后得到芯块压坯；(3)烧结：将芯块压坯脱蜡后装入烧舟，放入烧结炉进行烧结，得到蜂窝状燃料芯块成品。利用本发明的蜂窝状燃料芯块的制备方法，能够用现有核燃料生产线进行较为复杂形状的核燃料芯块生产，省去磨削工序，提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种蜂窝状燃料芯块的制备方法
技术领域
本发明属于核燃料制备技术领域，涉及一种蜂窝状燃料芯块的制备方法。
背景技术
目前，在反应堆燃料技术方面使用最广泛的燃料芯块形式为实心圆柱状芯块或带有中心孔的圆柱状芯块，其加工制造一般选用常规粉末冶金工艺，该工艺较为成熟，一般包括造粒、压制、烧结、磨削等工序，各工序主要情况如下。
1)造粒
造粒的主要目的是改善芯块原料粉末的压制性能，降低压制中缺陷产生的可能性，从而达到控制芯块质量的目的。造粒一般是将芯块原料粉末(例如最常见的UO2粉末)预压，然后压坯破碎，擦筛后得到较粗颗粒的原料粉末(在现阶段工业化规模生产中一般以轧辊造粒方式实现)。较粗颗粒的原料粉末随后加入造孔剂、润滑剂混合均匀、球化，得到可以用于芯块压坯压制的粉末。
2)压制
压制是将球化后的粉末充填入模具，在液压机的压力下压制成芯块压坯，压坯密度控制在芯块理论密度的50-55％左右。该过程中的裂纹、掉盖、掉角等缺陷将直接影响芯块质量，而缺陷的产生除了与造粒工艺相关，也与压制过程中工艺相关，包括模具设计、压力控制等。由于目前芯块生产一般使用双向压制液压机，压力沿芯块两端面向内传导，在粉末颗粒的摩擦力作用下逐渐减弱，导致芯块压坯密度由两端向中间也呈逐渐下降的趋势，这一现象最终导致了烧结后芯块两端直径较大，中间直径较小，在烧结后可能需要磨削加工以确保满足设计技术要求。
3)烧结
烧结是将压坯装入烧结炉，在高温下进行烧结，得到芯块半成品的工序。例如最常见的UO2芯块是将压制好的压坯装入钼舟，在H2气氛下1750℃保温4个小时后得到。烧结后的芯块密度在理论密度的95％左右，芯块直径相对压坯直径收缩17％。
4)磨削
由于压制过程中的芯块内部压力分布不均匀，导致了芯块在烧结后的收缩不一致，因此一般需要对芯块加以磨削。在磨削过程中，由于芯块需要受到一定的外力，芯块内部缺陷可能会在外力作用下扩展，最终导致芯块报废。
以上是普通商用动力堆圆柱体芯块的大体制造过程，而在特种核动力反应堆中所使用的芯块，由于其工况苛刻，导致设计中重视堆芯热量的导出，故一般设计选用了复杂形状燃料芯块，如图1所示。
蜂窝状燃料芯块是复杂形状燃料芯块中的一种，其如采用目前常见的圆柱型芯块生产流程，存在以下问题：
1)芯块形状复杂，模具设计较为复杂，粉末内部压力传导更为困难，一方面导致压制缺陷大幅上升，压坯成品率下降；另一方面，压力传导困难导致了芯块压坯密度的不均匀。
2)芯块压坯密度不均匀在后续烧结过程中导致芯块烧结收缩不一致，芯块外形出现变形，增加了磨削工序的工作量，同时更多的磨削工序需求也进一步放大了芯块内部缺陷导致的磨削报废率，降低了芯块总的生产成品率。
上述问题导致蜂窝状燃料芯块无法以现有常规核燃料芯块生产工艺生产，需开发新的生产工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，以可用现有核燃料生产线进行较为复杂形状的核燃料芯块生产，省去磨削工序，提高生产效率，降低生产成本。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，所述的制备方法依次包括如下步骤且不包括磨削步骤：
(1)造粒：称量原料粉末颗粒填充入模具，在液压机上进行预压，将预压压坯破碎后过筛，所得大颗粒与粘结剂混合后倒入球磨罐，放入磨球进行高能球磨；
(2)压制：球磨得到的粉末过筛后，大颗粒填充入模具进行压制，脱模后得到芯块压坯；
(3)烧结：将芯块压坯脱蜡后装入烧舟，放入烧结炉进行烧结，得到蜂窝状燃料芯块成品。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其中步骤(1)中，所述的原料粉末选自UO2粉末、UN粉末、UO2-W粉末中的一种或几种。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其中步骤(1)中，预压压力50-100MPa。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其中步骤(1)中，粘结剂添加比例占大颗粒质量的1-5％。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其中步骤(1)中，高能球磨条件为：球料体积比为3:1-5:1，球磨转速为300-500转/分，球磨时间为16-48小时。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其中步骤(2)中，压制压力为50-500Mpa，压制时间为5-60s。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其中步骤(3)中，脱蜡温度为200-600℃，脱蜡时间为6-24小时。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其中步骤(3)中，脱蜡过程为真空脱蜡或载气脱蜡。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其中步骤(3)中，烧结温度为1700-1800℃，烧结时间为2-4小时。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其中步骤(3)中，烧结气氛为H2或N2。
本发明的有益效果在于，利用本发明的蜂窝状燃料芯块的制备方法，能够用现有核燃料生产线进行较为复杂形状的核燃料芯块生产，省去磨削工序，提高生产效率，降低生产成本。
蜂窝状燃料芯块是特种核动力反应堆中较为常见的一种核燃料芯块，其用途较为广泛，但无法将常规核燃料芯块生产工艺应用于它的生产。虽然可以通过热挤压、热压、热等静压等工艺进行蜂窝状燃料芯块生产，但如需应用这些工艺，需新建大量设施，生产成本极高而生产效率低下。因此，本发明开发了一种新型的芯块生产工艺，使现有核燃料生产线具备蜂窝状燃料芯块的生产能力，未来可为特种核动力反应堆供料。
本发明的特点体现在：
1)有机粘结剂添加比例上升
通过提高加入的石蜡等有机粘结剂或润滑剂的含量至1-5％，改善粉末流动性以及成型性能，粉末能更好地适应蜂窝状燃料芯块成型需要。
2)更换混料球化工艺
常规核燃料芯块生产中由于有机粘结剂含量较低，一般使用三维运动混合机等低能混合设备进行有机粘结剂与原料粉末的混合，使其混合均匀。但在本发明中，由于有机粘结剂添加比例最高可达5％，因此采用低能常规混合技术无法混合均匀。在本发明中创造性地利用高能球磨工艺开展粘结剂的混合以及后续球化操作，其原理是：高能球磨过程中，由于磨球与物料、磨球与球磨罐以及磨球相互之间发生大量的碰撞，产生较大热量，使物料中有机粘结剂由固态转化为液态或气态，均匀的包覆在原料粉末颗粒表面，从而实现了高有机粘结剂含量下的均匀混合，并且改善了粉末压制性能。
3)增加脱蜡工序
本发明中有机粘结剂添加比例较高，为保证烧结得到的芯块密度合格，需在烧结前对芯块进行脱蜡。
4)省略磨削工艺
本发明中有机粘结剂配方以及球化工艺的改变，使压制得到的芯块压坯内部密度较为均匀，烧结变形小，可以更简便的实现芯块外形尺寸控制，因此省略芯块磨削工艺，减少在磨削过程中产生的芯块废品。
附图说明
图1为特种核动力反应堆用复杂形状燃料芯块示意图。
图2为实施例中本发明的蜂窝状燃料芯块的制备方法的流程图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
实施例1：蜂窝状燃料芯块的制备(一)
称量UO2粉末50g，石蜡粉末0.5g。将UO2粉末填充入模具，在液压机上进行预压，预压压力50MPa。将预压压坯破碎，破碎得到的大颗粒过筛后与0.5g石蜡粉末一起倒入ZrO2球磨罐，放入ZrO2磨球进行高能球磨，条件为：球料体积比为3:1，球磨转速为300转/分，球磨时间为48小时。球磨得到的粉末过筛后备用。
称取4g造粒完成的粉末填充入硬质合金模具，在液压机上对模具施加500MPa的压力，保压5s后脱模，得到芯块压坯。
先将芯块压坯脱蜡，脱蜡温度为600℃，脱蜡时间6小时，脱蜡过程为真空脱蜡。将脱蜡后的压坯装入烧舟，放入烧结炉在高温下进行烧结，烧结温度为1750℃，烧结保温时间为3小时，烧结气氛为高纯H2。烧结后即可得到芯块成品。
实施例2：蜂窝状燃料芯块的制备(二)
称量UN粉末50g，石蜡粉末1g。将UN粉末填充入模具，在液压机上进行预压，预压压力80MPa。将预压压坯破碎，破碎得到的大颗粒过筛后与1g石蜡粉末一起倒入ZrO2球磨罐，放入ZrO2磨球进行高能球磨，条件为：球料体积比为4:1，球磨转速为400转/分，球磨时间为32小时。球磨得到的粉末过筛后备用。
称取4g造粒完成的粉末填充入硬质合金模具，在液压机上对模具施加300MPa的压力，保压30s后脱模，得到芯块压坯。
先将芯块压坯脱蜡，脱蜡温度为400℃，脱蜡时间12小时，脱蜡过程为载气脱蜡，载气选择高纯N2，载气压力为10KPa。将脱蜡后的压坯装入烧舟，放入烧结炉在高温下进行烧结，烧结温度为1700℃，烧结保温时间为4小时，烧结气氛为高纯N2。烧结后即可得到芯块成品。
实施例3：蜂窝状燃料芯块的制备(三)
称量UO2-W粉末50g，石蜡粉末2.5g。将UO2-W粉末填充入模具，在液压机上进行预压，预压压力100MPa。将预压压坯破碎，破碎得到的大颗粒过筛后与2.5g石蜡粉末一起倒入ZrO2球磨罐，放入ZrO2磨球进行高能球磨，条件为：球料体积比为5:1，球磨转速为500转/分，球磨时间为16小时。球磨得到的粉末过筛后备用。
称取4g造粒完成的粉末填充入硬质合金模具，在液压机上对模具施加50MPa的压力，保压60s后脱模，得到芯块压坯。
将芯块压坯装入钨坩埚，开始脱蜡，脱蜡温度为200℃，脱蜡时间24小时，脱蜡过程为载气脱蜡，载气选择高纯Ar，载气压力为10KPa。将脱蜡后的压坯装入烧舟，放入烧结炉在高温下进行烧结，烧结温度为1800℃，烧结保温时间为2小时，烧结气氛为高纯H2。烧结后即可得到芯块成品。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种蜂窝状燃料芯块的制备方法，其特征在于，所述的制备方法依次包括如下步骤且不包括磨削步骤：
（1）造粒：称量原料粉末颗粒填充入模具，在液压机上进行预压，将预压压坯破碎后过筛，所得大颗粒与粘结剂混合后倒入球磨罐，放入磨球进行高能球磨；
（2）压制：球磨得到的粉末过筛后，大颗粒填充入模具进行压制，脱模后得到芯块压坯；
（3）烧结：将芯块压坯脱蜡后装入烧舟，放入烧结炉进行烧结，得到蜂窝状燃料芯块成品，
其中：
步骤（1）中，所述的原料粉末选自UO2粉末、UN粉末、UO2-W粉末中的一种或几种；
步骤（1）中，粘结剂添加比例占原料粉末颗粒质量的1-5%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，预压压力50-100MPa。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，高能球磨条件为：球料体积比为3:1-5:1，球磨转速为300-500转/分，球磨时间为16-48小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，压制压力为50-500Mpa，压制时间为5-60s。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，脱蜡温度为200-600℃，脱蜡时间为6-24小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，脱蜡过程为真空脱蜡或载气脱蜡。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，烧结温度为1700-1800℃，烧结时间为2-4小时。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，烧结气氛为H2或N2。
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