[发明专利]一种蜂窝状燃料芯块的制备方法

说明书

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。

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