CN112820432A - 一种钼基弥散燃料芯坯制备工艺 - Google Patents

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郭洪
刘文涛
杜江平
郝若彤
刘伟
李波
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燕鹏
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Abstract

本发明属于铀基核燃料芯坯应用技术领域，具体涉及一种钼基弥散燃料芯坯制备工艺。步骤1，把混合后粉末压制成圆柱片状压坯，然后对压坯进行破碎筛分，获取颗粒作为成型粉末；使用造粒后二氧化铀粉末与钼粉按质量百分比3：2进行配料，配料后放入三维混料机进行混料；将混合粉压制为圆柱片状芯坯，然后对芯坯进行破碎筛分，过筛网后装入三维混料机进行再一次混料；步骤2，采用模压以及等静压成型，采用硬脂酸锌四氯化碳作为成型的润滑剂；步骤3，在氢气气氛下进行烧结。本发明采用一次成型，加工要求较低，对物料损耗较少。

Description

一种钼基弥散燃料芯坯制备工艺
技术领域
本发明属于铀基核燃料芯坯应用技术领域，具体涉及一种钼基弥散燃料芯坯制备工艺。
背景技术
研究试验堆燃料元件按其燃料芯体物质形态可分为金属型、陶瓷型、弥散体型。
早期研究试验堆主要采用金属型U-Al合金板型燃料。其后发展为陶瓷型燃料元件，陶瓷型燃料主要包括UO2及含铀和钚的氧化物、碳化物和氮化物。优点是熔点高、热稳定性好，辐照稳定性好，燃耗深度比金属型燃料大。缺点是是密度低，质硬而脆，不易加工，热导率小，辐照芯块温差大、中心温度高，有辐照肿胀和芯块开裂倾向等。
为提高UO2核燃料热导率主要有以下2种技术路线：添加高热导率第二相，制备热导率增强型UO2芯块；制备大晶粒度的UO2燃料芯块，减少晶界处热传导损耗。
其中候选增强相主要为碳化硅(SiC)、氧化铍(BeO)、金刚石、钼(Mo)等高热导率材料。
近年来美国爱德华国家实验室采用放电等离子烧结制备了19个孔，3英寸(76.2mm)长的贫UO2-W的CERMET燃料，单个原型元件长度为3/4英寸(19.05mm)，采用拼接方法制备元件其强度较低，存在一定的局限性。
发明内容
由于陶瓷型燃料质硬而脆，不易加工，热导率小，辐照芯块温差大、中心温度高，有辐照肿胀和芯块开裂倾向等问题，为了改善燃料性能，本发明提供一种钼基弥散燃料芯坯制备工艺，将陶瓷燃料微球(UO2)弥散于Mo粉中，压制成多孔芯坯。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种钼基弥散燃料芯坯制备工艺，
步骤1，粉末准备
步骤1.1，造粒，把混合后粉末压制成圆柱片状压坯，然后对压坯进行破碎筛分，获取颗粒作为成型粉末；
步骤1.2，混料，使用造粒后二氧化铀粉末与钼粉按质量百分比3：2进行配料，配料后放入三维混料机进行混料；
步骤1.3，预压制粒，将混合粉压制为圆柱片状芯坯，然后对芯坯进行破碎筛分，过筛网后装入三维混料机进行再一次混料；
步骤2，钼基多孔弥散芯坯成型
采用模压以及等静压成型，采用硬脂酸锌四氯化碳作为成型的润滑剂；
步骤3，钼基多孔弥散芯坯烧结
在氢气气氛下进行烧结。
步骤1.1，把混合后粉末压制成圆柱片状压坯，高径比在1：3～1：5。
步骤1.1，获取150μm～300μm之间的颗粒作为成型粉末。
步骤1.2，配料重量为350g。
步骤1.2，混料时间为60min。
步骤1.3，将混合粉压制为圆柱片状芯坯，高径比在1：3～1：1。
步骤1.3，过50目筛网后装入三维混料机进行再一次混料。
步骤2，成型压力为70～100MPa，成型保压时间10s～15s。
步骤3，在氢气气氛下进行烧结，升温速率为5℃/min。
步骤3，烧结在300℃保温2h，800℃及1200℃各保温1h，温度最终控制在1750℃±10℃保温2h，然后通氩气，随炉冷却。
本发明所取得的有益效果为：
本发明与现有多孔芯块相比，具有如下显著优点：
芯坯采用长芯坯设计，一次成型，芯坯强度高。
本发明采用一次成型，加工要求较低，对物料损耗较少。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明涉及一种钼基多孔二氧化铀核燃料芯坯的制备方法，其发明内容主要包括混合粉末制备、芯块成型以及芯块烧结的方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为，通过制粒制备粉末，通过模具压制制备多孔芯坯，成型芯坯烧结。具体步骤为：
步骤1，粉末准备
步骤1.1，造粒，本发明制粒主要包括预压饼、破碎和筛分工序。把混合后粉末压制成圆柱片状压坯，高径比在1：3～1：5。然后对压坯进行破碎筛分，获取150μm～300μm之间的颗粒作为成型粉末。
步骤1.2，混料，使用制粒后二氧化铀粉末与钼粉按质量百分比3：2进行配料，配料重量为350g。配料后放入三维混料机进行混料，混料时间为60min。
步骤1.3，预压制粒，将混合粉压制为圆柱片状芯坯，高径比在1：3～1：1。然后对芯坯进行破碎筛分，过50目筛网后装入三维混料机进行再一次混料。
步骤2，钼基多孔弥散芯坯成型
芯块成型，本发明成型采用模压以及等静压成型，采用硬脂酸锌四氯化碳作为成型的润滑剂，芯坯成型工艺参数主要为成型压力、保压时间等。芯块成型粉末均为350g，成型压力为70～100MPa，成型保压时间10s～15s。
步骤3，钼基多孔弥散芯坯烧结
钼基二氧化铀芯坯烧结，在氢气气氛下进行，升温速率为5℃/min。烧结在300℃保温2h，800℃及1200℃各保温1h，温度最终控制在1750℃±10℃保温2h,然后通氩气，随炉冷却。
一种钼基多孔弥散燃料芯坯，设计为通过钼粉的加入改善二氧化铀芯块加工性能以及热导率低、芯体辐照温差大、中心温度高等问题，以下为其制备过程。
针对上述已设计好的钼基多孔弥散燃料芯坯，其制造方法包括以下步骤：
步骤1，粉末准备
步骤1.1，造粒，本发明制粒主要包括预压饼、破碎和筛分工序。把混合后粉末压制成圆柱片状压坯，然后对压坯进行破碎筛分，获取150μm～300μm之间的颗粒作为成型粉末。
步骤1.2，混料，使用制粒后二氧化铀粉末与钼粉按质量百分比3：2进行配料，配料重量为350g。配料后放入三维混料机进行混料，混料时间为60min。
步骤1.3，造粒，粉末经过制粒工序后可以改善流动性，提高其成型能力。使用高强钢模具作为制粒模具采用压力2.7t/cm2，保压时间为20～25s的压制工艺压制坯体，高径比控制为1：3。然后对压坯进行破碎筛分获取150μm～300μm之间的颗粒作为成品粒。
步骤2，钼基多孔芯坯成型
成型，成型为模压成型，成型模具为多孔六棱结构，成型前使用毛笔将硬脂酸锌+四氯化碳润滑剂涂刷于阴模以及上下成型垫与物料接触面上，用电吹风吹干备用。
将阴模放在下成型垫上，将混好的物料装入模具中。调整压机压力为70～100MPa，压制到位后，保压时间20s。压制后使用脱模器将芯坯顶出。
步骤3，钼基多孔芯坯烧结
烧结，将芯坯按顺序放置于料舟上，装炉，调整升温速率为5℃/min，使用高纯氢气，交替抽真空、充氢，不得少于三次，最后一次充氢，炉内真空度达到：10Pa以内。
烧结在300℃保温2h，800℃及1200℃各保温1h，温度最终控制在1750℃±10℃保温2h,然后通氩气，随炉冷却。
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。
本发明介绍了一种钼基多孔芯坯的制备方法，其特征是通过二氧化铀粉末制备，通过加入钼粉，进行混料，实现了两种粉末充分均匀混合，再进行造粒，最终以模压成型或等静压的方式，得到带多孔芯坯，并于1750℃进行烧结，得到了要求密度的芯坯。

Claims (10)

1.一种钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：
步骤1，粉末准备
步骤1.1，造粒，把混合后粉末压制成圆柱片状压坯，然后对压坯进行破碎筛分，获取颗粒作为成型粉末；
步骤1.2，混料，使用造粒后二氧化铀粉末与钼粉按质量百分比3：2进行配料，配料后放入三维混料机进行混料；
步骤1.3，预压制粒，将混合粉压制为圆柱片状芯坯，然后对芯坯进行破碎筛分，过筛网后装入三维混料机进行再一次混料；
步骤2，钼基多孔弥散芯坯成型
采用模压以及等静压成型，采用硬脂酸锌四氯化碳作为成型的润滑剂；
步骤3，钼基多孔弥散芯坯烧结
在氢气气氛下进行烧结。
2.根据权利要求1所述的钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：步骤1.1，把混合后粉末压制成圆柱片状压坯，高径比在1：3～1：5。
3.根据权利要求1所述的钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：步骤1.1，获取150μm～300μm之间的颗粒作为成型粉末。
4.根据权利要求1所述的钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：步骤1.2，配料重量为350g。
5.根据权利要求1所述的钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：步骤1.2，混料时间为60min。
6.根据权利要求1所述的钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：步骤1.3，将混合粉压制为圆柱片状芯坯，高径比在1：3～1：1。
7.根据权利要求1所述的钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：步骤1.3，过50目筛网后装入三维混料机进行再一次混料。
8.根据权利要求1所述的钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：步骤2，成型压力为70～100MPa，成型保压时间10s～15s。
9.根据权利要求1所述的钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：步骤3，在氢气气氛下进行烧结，升温速率为5℃/min。
10.根据权利要求1所述的钼基弥散燃料芯坯制备工艺，其特征在于：步骤3，烧结在300℃保温2h，800℃及1200℃各保温1h，温度最终控制在1750℃±10℃保温2h，然后通氩气，随炉冷却。
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