[发明专利]含硼锆合金可燃毒物中空芯块的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于核材料制造工艺，具体涉及含硼锆合金可燃毒物芯块的制备方法。

背景技术

目前制备的碳化硼锆合金可燃毒物均为实心芯块，如：1963年4月，BMI-1627中“Effect of high boron burnups on B₄C and ZrB₂ dispersions in Al₂O₃ and Zircaloy-2”介绍了以Zr-2粉与碳化硼粉为原料，用热挤压的方法制备碳化硼锆合金可燃毒物实心芯块。又如：《Trans.Jap.Inst.Metals》 第14卷第6期，504－510页的“Hot swage fabrication of Zircaloy-2 rod containing B₄C”介绍了用热模锻的方法制备碳化硼锆合金可燃毒物实心芯块制备方法。再如：专利号为98124660.5的中国专利“碳化硼锆合金可燃毒物芯块的制备方法”介绍了用橡胶模半等静压法成型，高真空炉中脱氢烧结制备碳化硼锆合金可燃毒物实心芯块的方法。

碳化硼锆合金可燃毒物实心芯块原材料利用率较低，而且由于可燃毒物吸收中子截面较大，存在较强的自屏效应，这样在反应堆周期末有一定的硼残留，会引起反应堆在周期末反应性不足。如：《原子能科学技术》1998年1月第32卷第1期“几种新型可燃毒物的特性以及在我国的应用前景”中认为，具有WABA(Wet Annular Burnable Absorber)结构的可燃毒物中子吸收性能好，硼残留量低，WABA结构的可燃毒物使用薄壁中空芯块，在相同的工况下硼燃烧更完全，硼残留量少，这样可减少由硼残留而引起的反应性“惩罚”，从而延长燃料在反应堆中的运行时间。

为了减少可燃毒物在反应堆后期的硼残余量，减少反应性“惩罚”，增加燃料燃耗，需制备出含硼锆合金可燃毒物中空芯块，使芯块的致密度，开口孔率等指标达到含硼锆合金在反应堆中使用的相关技术要求。 

经检索，含硼锆合金可燃毒物中空芯块制备方法未见报道。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种符合含硼锆合金可燃毒物相关技术要求的含硼锆合金可燃毒物中空芯块的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种含硼锆合金可燃毒物中空芯块的制备方法，包括将氢化锆-2粉与碳化硼粉混合的混料工艺、将氢化锆-2与碳化硼混料压制成中空芯块坯体工艺、将该中空芯块坯体脱氢烧结及将中空芯块坯体机加工各工艺，步骤如下：

步骤一  混料工艺：将称量好的氢化锆-2粉与碳化硼粉混合，然后将粉料放入混料器中混合；其中碳化硼的粒径<5μm，质量分数为0.5~2%，余量为氢化锆-2粉；混料时间为30~120min；

步骤二  钢模压制成型工艺：把混匀的氢化锆-2粉与碳化硼粉料装入带芯杆的钢模中压制成中空芯块坯体；其中将粉料压制成中空芯块坯体的成型压力为200~600MPa；

步骤三  脱氢烧结工艺：把压制成的中空芯块坯体放入高真空烧结炉中进行脱氢烧结，在真空度低于0.1Pa时升温，在800℃~850℃下保温脱氢，直到烧结炉膛的真空度下降到0.1Pa以下，再升温到1100℃~1400℃，保温60~240min，保温结束后中空芯块坯体随炉冷却；

步骤四 芯块加工工艺：将冷却后的中空芯块坯体进行机加工，制成硼含量为0.4~1.6wt%的含硼锆合金可燃毒物中空芯块成品。

其附加特征在于：

所述步骤四中的含硼锆合金可燃毒物中空芯块成品，其外径为10~10.3mm、高度为10~30mm、壁厚为1~1.5mm，致密度为95~97.8%T.D，开口孔率为0.6~2%。

本发明的效果在于：与碳化硼锆合金可燃毒物实心芯块相比，可燃毒物中空芯块可减少反应堆周期后期的硼残余量，增加燃料燃耗。本发明的方法通过减小超硬材料粒径及控制用量，如碳化硼的粒径<5μm、质量分数为0.5~2%，解决了含超硬材料粉料难于用钢模成型的技术难题，大幅度提高了含超硬颗料坯体的成型精度和原材料的利用率，与用橡胶模成型制备实心碳化硼锆合金可燃毒物芯块相比，原材料氢化锆的用量降低60%以上。采用本发明方法制备出的含硼锆合金可燃毒物中空芯块的壁厚小于2mm，其致密度达到95%T.D以上，开口孔率小于2%，符合含硼锆合金在反应堆中使用的相关技术要求。

具体实施方式