CN117929130B - 一种小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的精确测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的测量方法，包括下列步骤：步骤1：获取小尺寸球形核燃料样品；步骤2：量测所述样品颗粒的粒径大小；步骤3：对所述样品进行压碎，获得所述样品的压碎载荷；步骤4：根据所述样品颗粒粒径大小及所述压碎荷载计算所述样品的压碎强度。本发明的量测方法使单个球形核燃料颗粒在整个压碎强度测量过程中易于转运；本方法可直接针对单个球形核燃料颗粒的直径和压碎载荷进行精确测量；采用本方法测量单个球形核燃料颗粒的压碎强度所需的辅助设备少，操作方式简便易行，测量效率高。

Description

一种小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的精确测量方法
技术领域
本发明属于核能技术领域，具体涉及核燃料性能检测，特别是一种小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的测量方法。
背景技术
高温气冷堆采用的球形核燃料元件，以耐高温的石墨作为慢化剂、以化学惰性的氦气作为冷却剂，是国际核能界公认的具有良好安全特性的堆型。高温气冷堆具有安全性好、效率高、经济性好和用途广泛等优势。在高温气冷堆球形核燃料元件的研发过程中，通常需要对核燃料颗粒的力学性能，特别是压碎强度进行测量与评价，然而，针对微米级小尺寸的球形核燃料颗粒样品，目前尚没有建立相关的力学性能测量与评价方法，严重影响了球形核燃料颗粒的研发与应用进程。因此，亟需提供一种针对微米级小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的测量方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明主要提供一种能够快速有效获得单个及多个球形微米级小尺寸核燃料颗粒压碎强度的测量方法，本发明具体的技术方案如下：
一种小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的测量方法，包括下列步骤：
步骤1：获取小尺寸球形核燃料样品；
步骤2：量测样品颗粒的粒径大小；
步骤3：对样品进行压碎，获得样品的压碎载荷；
步骤4：根据样品颗粒粒径大小及压碎荷载计算样品的压碎强度。
具体的，步骤1中获取小尺寸球形核燃料样品的步骤包括：利用采样工具沾取乙醇后，接触小尺寸球型核燃料颗粒样品，使样品吸附于采样工具。
具体的，步骤2中量测样品颗粒的粒径大小的步骤包括：将吸附有样品的采样工具靠近沾有乙醇的载波片，使样品由采样工具移转至载波片上，将载玻片转移至光学显微镜下进行观察，测量样品的直径大小。
具体的，步骤3中，采用微机控制电子万能试验机对单个样品进行压碎实验，获得样品发生破碎前的最大载荷即为压碎载荷。
具体的，小尺寸球形核燃料颗粒的尺寸范围为10μm～1000μm。
具体的，根据所述样品的直径大小和及所述压碎载荷，按照下列公式计算得到单个所述样品的压碎强度：
式中：/>为球形核燃料颗粒样品的压碎强度；/>为样品发生破碎前的最大载荷，即压碎载荷；/>为样品的半径；/>为微机控制电子万能试验机压头的泊松比；/>为样品的泊松比；/>为微机控制电子万能试验机压头的弹性模量；/>为核燃料颗粒样品的弹性模量。
本发明的有益效果在于：
单个球形核燃料颗粒在整个压碎强度测量过程中易于转运；本方法可直接针对单个球形核燃料颗粒的直径和压碎载荷进行精确测量；采用本方法测量单个球形核燃料颗粒的压碎强度所需的辅助设备少，操作方式简便易行，测量效率高。
附图说明
图1为直径78.840μm的球形模拟核燃料颗粒样品的金相照片。
图2为10个直径范围为50μm～100μm的球形模拟核燃料颗粒样品压碎实验过程中的载荷-位移曲线。
图3为10个直径范围为300μm～400μm的球形模拟核燃料颗粒样品压碎实验过程中的载荷-位移曲线。
图4为10个直径范围为800μm～900μm的球形模拟核燃料颗粒样品压碎实验过程中的载荷-位移曲线。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明主要提供了一种小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的测量方法，包括下列步骤:
步骤1：获取小尺寸球形核燃料样品；其中包括利用采样工具沾取乙醇后，接触小尺寸球型核燃料颗粒样品，使样品吸附于采样工具。
步骤2：量测样品颗粒的粒径大小；其中包括将吸附有样品的采样工具靠近沾有乙醇的载波片，使样品由采样工具移转至载波片上，将载玻片转移至光学显微镜下进行观察，测量样品的直径大小。
步骤3：对样品进行压碎，获得样品的压碎载荷；其中包括采用微机控制电子万能试验机对单个样品进行压碎实验，获得样品发生破碎前的最大载荷即为压碎载荷。
步骤4：根据样品颗粒粒径大小及压碎荷载，按照下列公式计算得到单个样品的压碎强度：
式中：/>为球形核燃料颗粒样品的压碎强度；/>为样品发生破碎前的最大载荷，即压碎载荷；/>为样品的半径；/>为微机控制电子万能试验机压头的泊松比；/>为样品的泊松比；/>为微机控制电子万能试验机压头的弹性模量；/>为核燃料颗粒样品的弹性模量。
在上述技术方案中，采样的具体操作方法包括：
（1）采用容积为1mL左右的金属小勺从样品容器中取约为0.5g的核燃料颗粒样品置于实验台面的滤纸上，并将其铺开至滤纸上出现单个样品为止；
（2）取一块厚度为1mm左右的载玻片置于实验台面上，采用容积为5mL左右的滴管取少量的乙醇，滴一滴到载玻片表面上；
（3）取一支长度为100mm左右的直头不锈钢镊子，采用镊子头尖端位置蘸取少量乙醇，然后用含有乙醇液滴的位置轻轻接触滤纸上的单个样品，样品即吸附于不锈钢镊子尖端上；
（4）将不锈钢镊子头尖端吸附有样品的位置轻轻靠近载玻片上的乙醇液滴，当样品接触到乙醇液滴，样品将自动转移至载玻片上；
（5）将载有样品的载玻片轻轻转移至光学金相显微镜的载物台上，静置2min~3min后，采用金相显微镜测量样品的直径；
（6）采用滴管取少量的乙醇，滴一滴到压碎强度测量仪样品台面的靠近中心位置；
（7）采用不锈钢镊子头尖端蘸取少量乙醇，然后在载玻片上轻轻接触样品，样品随后吸附于不锈钢镊子尖端上；
（8）将吸附有样品的不锈钢镊子头尖端靠近压碎强度测量仪的样品台面居中位置的乙醇液滴，样品将自动转移至微机控制电子万能试验机的样品台面上。
（9）采用微机控制电子万能试验机对样品进行压碎实验，获得核燃料颗粒发生破碎前的最大载荷（压碎载荷）；
（10）根据测量获得的核燃料颗粒样品的直径和压碎载荷。
根据前述的技术方案及操作步骤，提供具体实施例如下。
实施例
采用容积约为1mL的金属小勺从不锈钢容器中取一勺平均直径为80μm±5μm的球形核燃料颗粒（其密度为（97.0±1.5）%T.D.）样品置于实验台上尺寸为100mm×100mm的滤纸上。采用金属小勺将球形核燃料颗粒样品逐渐铺开，直至观察到滤纸上出现单个孤立样品为止。取一块厚度约为1.5mm的载玻片置于实验台面上，采用容积为5mL的滴管取少量的乙醇，滴一滴到载玻片表面上。采用一支长度为130mm的直头不锈钢镊子头尖端蘸取少量乙醇，然后在滤纸上接触单个样品，样品吸附于不锈钢镊子尖端。将镊子头尖端靠近蘸有乙醇的载玻片，样品从镊子头尖端转移至载玻片上。将载玻片转移至光学金相显微镜下进行观察，测量样品的直径大小。然后采用蘸有乙醇的镊子头将样品转移至移至微机控制电子万能试验机样品台上，对样品进行压碎实验，获得载荷-位移曲线，曲线上的载荷最大值即为样品的压碎载荷。
根据测量得到的核燃料颗粒样品的直径大小和压碎载荷，按照下列公式计算得到单个样品的压碎强度：
式中：/>为球形核燃料颗粒样品的压碎强度；/>为样品发生破碎前的最大载荷，即压碎载荷；/>为样品的半径；/>为微机控制电子万能试验机压头的泊松比；/>为样品的泊松比；/>为微机控制电子万能试验机压头的弹性模量；/>为核燃料颗粒样品的弹性模量。
分别针对3种尺寸范围（50μm～100μm、300μm～400μm、800μm～900μm）的球形模拟核燃料颗粒取10个样品重复上述实验步骤，实验过程中测量得到的样品的直径和相应的压碎载荷以及计算得到的3种尺寸范围的球形模拟核燃料颗粒样品的压碎强度值分别见表1所示。
表1 球形模拟核燃料颗粒样品的直径、压碎载荷和压碎强度
从上述实施例可以看出，本发明方法中的单个球形核燃料颗粒样品在整个压碎强度测量过程中易于转运。本发明方法可直接针对单个球形核燃料颗粒的直径和压碎载荷进行精确测量，球形核燃料颗粒样品直径测量的精度可达0.01μm，压碎载荷测量的精度可达0.01N。采用本发明方法测量单个球形核燃料颗粒压碎强度的过程中所需的辅助设备少，仅涉及镊子、乙醇、滤纸、载玻片等，操作方式简便易行，测量效率高。此外，从表1可以看出，采用本发明方法分别获得的3种不同尺寸范围的球形核燃料颗粒样品的压碎强度值的相对标准偏差（RSD）均不超过8%，说明本发明所述的测量方法的稳定性和可靠性好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的测量方法，其特征在于包括下列步骤：
步骤1：获取小尺寸球形核燃料样品；
步骤2：量测所述样品的颗粒的粒径大小；
步骤3：对所述样品进行压碎，获得所述样品的压碎载荷；
步骤4：根据所述样品颗粒粒径大小及所述压碎载荷计算所述样品的压碎强度；
所述步骤1中获取小尺寸球形核燃料样品的步骤包括：利用采样工具沾取乙醇后，接触小尺寸球型核燃料颗粒样品，使所述样品吸附于所述采样工具；
所述步骤2中量测所述样品颗粒的粒径大小的步骤包括：将吸附有所述样品的所述采样工具靠近沾有乙醇的载波片，使所述样品由所述采样工具移转至载玻片上，将所述载玻片转移至光学显微镜下进行观察，测量所述样品的直径大小；
根据所述样品的直径大小和及所述压碎载荷，按照下列公式计算得到单个所述样品的压碎强度σc：
式中：σc为球形核燃料颗粒样品的压碎强度；Fc为样品发生破碎前的最大载荷，即压碎载荷；d为样品的半径；μ1为微机控制电子万能试验机压头的泊松比；μ2为样品的泊松比；E1为微机控制电子万能试验机压头的弹性模量；E2为核燃料颗粒样品的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的一种小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的测量方法，其特征在于：所述步骤3中，采用微机控制电子万能试验机对单个所述样品进行压碎实验，获得所述样品发生破碎前的最大载荷即为所述压碎载荷。
3.根据权利要求1所述的一种小尺寸球形核燃料颗粒压碎强度的测量方法，其特征在于，其特征在于：所述小尺寸球形核燃料颗粒的尺寸范围为10μm～1000μm。
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