本發(fā)明屬于核燃料組件制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于核電燃料組件當(dāng)中，中心開孔的UO₂燃料芯塊的制造方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的開孔芯塊的制造方法主要采用化學(xué)方法配制有機(jī)單體丙烯酰胺、交聯(lián)劑亞基雙丙烯酰胺、分散劑聚丙烯酸銨與去離子水的預(yù)混液；之后采用球磨機(jī)將U₃O₈粉末與預(yù)混液進(jìn)行球磨分散，制備出U₃O₈漿料；加入引發(fā)劑過硫酸銨、催化劑四甲基乙二胺，混合均勻；將混合均勻的漿料加入模具，凝固后經(jīng)干燥、脫粘，得到環(huán)形U₃O₈生坯；在氫氣氣氛中、1730±10℃溫度下燒結(jié)2～3小時(shí)，得到環(huán)形UO₂芯塊?，F(xiàn)有技術(shù)在專利“環(huán)形UO₂燃料芯塊的制備方法”(申請專利號CN200910263465.5)中有詳細(xì)介紹。

現(xiàn)有開孔芯塊的制造技術(shù)中，引入的有機(jī)單體、交聯(lián)劑、分散劑、去離子水等種類較多，同時(shí)有U₃O₈漿料的存在，相應(yīng)的在燃料芯塊制造過程中需要采取臨界控制手段來預(yù)防臨界事故的發(fā)生。同時(shí)核燃料組件為了追求更高的燃耗并更好的解決PCI效應(yīng)，中心開孔尺寸非常小的燃料芯塊被設(shè)計(jì)出來，需要更加先進(jìn)的技術(shù)來保證芯塊的成品率和產(chǎn)量。

因此亟需研制一種粉末冶金的方法，以UO₂粉末為原料，通過混合、制粒、滾磨球化、壓制、燒結(jié)、磨削的工藝流程，從而解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，從而在保證臨界安全的前提下，連續(xù)、穩(wěn)定、批量地制造出合格的陶瓷UO₂中心開孔芯塊。

為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，包括以下步驟：

(1)確定原材料

本發(fā)明采用的原料為UO₂粉末和U₃O₈粉末的混合物以及潤滑劑；

其中U₃O₈粉末的添加量不超過批次總質(zhì)量的20％，潤滑劑的添加量不超過批次總質(zhì)量的0.4％，單批次總質(zhì)量不超過500kg；

(2)混合均勻化

按步驟(1)中確定的物質(zhì)配比將UO₂粉末和U₃O₈粉末的混合物放入密封的單錐的錐形混料機(jī)中，充0.5～1MPa氮?dú)膺M(jìn)行混合均勻化；

(3)預(yù)壓制粒

混合均勻后，進(jìn)行粉末的預(yù)壓制粒；

(4)混合球形化

制粒后的粉末加入不超過批次總質(zhì)量0.4％的潤滑劑后進(jìn)行雙錐的錐形混料計(jì)進(jìn)行混合球形化；

(5)生坯壓制

球形化后的粉末進(jìn)入旋轉(zhuǎn)壓機(jī)進(jìn)行生坯壓制，生坯壓制的規(guī)格是每塊是直徑為10～10.2mm，高度為15～16.5mm的柱狀，中心開孔直徑為1.3～4.5mm；

(6)高溫?zé)Y(jié)

壓制后的生坯在純氫氣氣氛、1730℃～1760℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)6～8h；

(7)磨削

在金剛石砂輪上進(jìn)行貫穿式磨削，將燒結(jié)后的生坯外表面磨削到產(chǎn)品設(shè)定的技術(shù)規(guī)格。

進(jìn)一步的，如上所述的一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，潤滑劑為阿克臘和草酸銨粉末中的至少一種，阿克臘是分析純的純度，粒徑＜100μm；草酸銨是分析純的純度，粒徑＜63μm。

進(jìn)一步的，如上所述的一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，UO₂粉末滿足以下技術(shù)指標(biāo)：①1≤U₂₃₅富集度≤5；1≤U₂₃₅富集度≤2時(shí)，偏差為±0.02％；2＜U₂₃₅富集度≤5時(shí)，偏差為±0.05％；②當(dāng)量硼含量≤4μg/g鈾；③粒度分布滿足正態(tài)分布，粒度的平均值為1.5～3μm；④氧鈾比為2.02～2.18；

U₃O₈粉末滿足以下技術(shù)指標(biāo)：①1≤U₂₃₅富集度≤5；1≤U₂₃₅富集度≤2時(shí)，偏差為±0.02％；2＜U₂₃₅≤5時(shí)，偏差為±0.05％；②當(dāng)量硼含量≤2.5μg/g鈾；③氧鈾比為2.6～2.7；④比表面的平均值為0.3-1.5m²/g；⑤松裝密度為1.2-3g/cm³。

進(jìn)一步的，如上所述的一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，步驟(2)中，錐形混料機(jī)的自轉(zhuǎn)速度為59轉(zhuǎn)/分，公轉(zhuǎn)速度為2轉(zhuǎn)/分，混合時(shí)間為30-40分鐘。

進(jìn)一步的，如上所述的一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，步驟(3)中，制粒時(shí)的壓力為20～70kN，制粒粉末過篩時(shí)篩網(wǎng)尺寸為1.5mm～2.0mm。

進(jìn)一步的，如上所述的一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，步驟(4)中，錐形混料計(jì)的頻率為25Hz，球化時(shí)間10-30分鐘。

進(jìn)一步的，如上所述的一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，步驟(5)中，壓制速度為70～250塊/分鐘，壓制壓力為2～8MPa,壓制時(shí)生坯密度保持在5.6g/cm³～6.2g/cm³。

進(jìn)一步的，如上所述的一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，步驟(7)中，柱面粗糙度小于3.2μm。

本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果在于：

本發(fā)明采用粉末冶金的方法制備開孔芯塊，避免了漿體容易引發(fā)的臨界問題，同時(shí)可穩(wěn)定、批量地制造出合格的陶瓷UO₂中心開孔芯塊，解決了高燃耗燃料組件中心開孔芯塊制造的技術(shù)難題。

附圖說明

圖1為工藝流程簡圖。

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種采用粉末冶金法進(jìn)行中心開孔UO₂燃料芯塊的制造方法，包括以下步驟：

(1)確定原材料

本發(fā)明采用的原料為UO₂粉末和U₃O₈粉末的混合物以及潤滑劑；

其中U₃O₈粉末的添加量不超過批次總質(zhì)量的20％，潤滑劑的添加量不超過批次總質(zhì)量的0.4％，單批次總質(zhì)量不超過500kg；

潤滑劑為阿克臘和草酸銨粉末中的至少一種，阿克臘是分析純的純度，粒徑＜100μm；草酸銨是分析純的純度，粒徑＜63μm；

UO₂粉末滿足以下技術(shù)指標(biāo)：①1≤U₂₃₅富集度≤5；1≤U₂₃₅富集度≤2時(shí)，偏差為±0.02％；2＜U₂₃₅富集度≤5時(shí)，偏差為±0.05％；②當(dāng)量硼含量≤4μg/g鈾；③粒度分布滿足正態(tài)分布，粒度的平均值為1.5～3μm；④氧鈾比為2.02～2.18；

U₃O₈粉末滿足以下技術(shù)指標(biāo)：①1≤U₂₃₅富集度≤5；1≤U₂₃₅富集度≤2時(shí)，偏差為±0.02％；2＜U₂₃₅≤5時(shí)，偏差為±0.05％；②當(dāng)量硼含量≤2.5μg/g鈾；③氧鈾比為2.6～2.7；④比表面的平均值為0.3-1.5m²/g；⑤松裝密度為1.2-3g/cm³；

(2)混合均勻化

按步驟(1)中確定的物質(zhì)配比將UO₂粉末和U₃O₈粉末的混合物放入密封的單錐的錐形混料機(jī)中，充0.5～1MPa氮?dú)膺M(jìn)行混合均勻化；錐形混料機(jī)的自轉(zhuǎn)速度為59轉(zhuǎn)/分，公轉(zhuǎn)速度為2轉(zhuǎn)/分，混合時(shí)間為30-40分鐘；

(3)預(yù)壓制粒

混合均勻后，進(jìn)行粉末的預(yù)壓制粒；制粒時(shí)的壓力為20～70kN，制粒粉末過篩時(shí)篩網(wǎng)尺寸為1.5mm～2.0mm；

(4)混合球形化

制粒后的粉末加入不超過批次總質(zhì)量0.4％的潤滑劑后進(jìn)行雙錐的錐形混料計(jì)進(jìn)行混合球形化；步驟(4)中，錐形混料計(jì)的頻率為25Hz，球化時(shí)間10-30分鐘；

(5)生坯壓制

球形化后的粉末進(jìn)入旋轉(zhuǎn)壓機(jī)進(jìn)行生坯壓制，生坯壓制的規(guī)格是每塊是直徑為10～10.2mm，高度為15～16.5mm的柱狀，中心開孔直徑為1.3～4.5mm；壓制速度為70～250塊/分鐘，壓制壓力為2～8MPa,壓制時(shí)生坯密度保持在5.6g/cm³～6.2g/cm³；

(6)高溫?zé)Y(jié)

壓制后的生坯在純氫氣氣氛、1730℃～1760℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)6～8h；

(7)磨削

在金剛石砂輪上進(jìn)行貫穿式磨削，將燒結(jié)后的生坯外表面磨削到產(chǎn)品設(shè)定的技術(shù)規(guī)格，柱面粗糙度小于3.2μm。

目前中心開孔芯塊制造技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在了AP1000燃料組件芯塊制造過程中，不同富集度的芯塊已經(jīng)被制造，并且通過了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方和核電站用戶的認(rèn)可。

同時(shí)中心開孔芯塊制造技術(shù)已在國家科技重大專項(xiàng)—CAP1400自主化燃料組件研制第一階段，即定型組件研制過程中得到應(yīng)用，并在其后續(xù)研制及工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)中得到進(jìn)一步的推廣。