本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆新型燃料芯塊制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法及模具。

背景技術(shù)：

目前的壓水堆核燃料芯塊均為實(shí)心UO₂陶瓷型燃料，盡管其具有熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性好，中子俘獲截面低，各向異性小，輻照穩(wěn)定性好，對(duì)包殼與冷卻劑有良好的相容性，燃耗深度比金屬型燃料大等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也是比較顯著的，主要表現(xiàn)在密度低、質(zhì)硬而脆、不易加工、熱導(dǎo)率小、輻照時(shí)芯塊溫差大，有輻照腫脹和芯塊開裂傾向等。實(shí)心圓柱體結(jié)構(gòu)的芯塊，在實(shí)際運(yùn)行過程中內(nèi)部溫度要遠(yuǎn)高于外層的溫度，導(dǎo)致反應(yīng)堆的功率受到限制，降低了熱交換效率和反應(yīng)堆的燃深，提高了成本，造成燃料的浪費(fèi)。

改變芯塊的形狀，在反應(yīng)堆中使用環(huán)形芯塊，可以有效解決這一問題。這種芯塊的使用可以大大提高芯塊的上限溫度，具有高性能壓水堆燃料芯塊的特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法及模具，其以UO₂粉末為原料，通過粉末冶金工藝制備出一種薄壁環(huán)形燃料芯塊。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案：一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法，其包括如下步驟：

步驟(a)，將UO₂粉末裝入壓塊模具，壓制成塊；采用壓機(jī)壓制成型，壓制壓力為15～35T；

步驟(b)，將步驟(a)壓制所得UO₂塊使用顆粒機(jī)破碎，再使用篩分機(jī)篩分，獲得150～300μm粒度的UO₂粉末；

步驟(c)，按照一定質(zhì)量配比向步驟(b)所得UO₂粉末內(nèi)添加潤(rùn)滑劑，添加潤(rùn)添加量為UO₂粉末質(zhì)量的0.1～0.5wt％，混合均勻；

步驟(d)，將步驟(c)所得UO₂粉末裝入成型模具中，生坯高度控制在10～20mm，生坯密度控制在5.0～5.6g/cm³，成型獲得環(huán)形芯塊；

步驟(e)，環(huán)形芯塊在氫氣氣氛下還原燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在1650～1800℃、高溫保溫時(shí)間2～9h。

如上所述的一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法，其步驟(c)所述的潤(rùn)滑劑添加為阿克蠟或硬脂酸鋅。

如上所述的一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法，其步驟(e)燒結(jié)后UO₂環(huán)形芯塊，壁厚1～3mm，芯塊端面垂直度≤0.05mm，粗糙度≤2.2μm。

如上所述的一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法，其步驟(e)燒結(jié)后UO₂環(huán)形芯塊晶粒尺寸均勻，尺寸范圍為6.5～25μm；氣孔分布均勻，最大氣孔小于0.25mm，芯塊平均開口孔率＜1％，最大開口孔率＜2％，且無明顯顆粒邊界。

本發(fā)明所述的一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法用的成型模具，其包括根據(jù)環(huán)形芯塊幾何外形設(shè)計(jì)的成型陰模、上沖頭、下沖頭、套環(huán)；將套環(huán)套入下沖頭上，再將下沖頭從成型陰模下部裝入，使套環(huán)位置固定在成型陰模內(nèi)低于下部三分之一區(qū)域；將UO₂粉末按一定質(zhì)量稱重從上部裝入成型陰模內(nèi)，使其分散均勻；然后將上沖頭從上部裝入，手動(dòng)預(yù)壓，獲得環(huán)形芯塊。

本發(fā)明的效果在于：

本發(fā)明所述的環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法及模具，其以UO₂粉末為原料，通過粉末冶金工藝制備出一種薄壁環(huán)形燃料芯塊。

本發(fā)明制得的環(huán)形UO₂芯塊，表面外觀良好，其密度、化學(xué)成分均滿足技術(shù)指標(biāo)要求，可以應(yīng)用于輕水堆，有效提高堆芯功率密度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的成型模具組裝圖。

圖中：1.上沖頭；2.成型陰模；3.套環(huán)；4.下沖頭。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法及模具作進(jìn)一步描述。

實(shí)施例1

本發(fā)明所述的一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法，其包括如下步驟：

步驟(a)，將UO₂粉末裝入Ф40mm的壓塊模具，壓制成塊；采用壓機(jī)壓制成型，壓制壓力為25T；

步驟(b)，將步驟(a)壓制所得UO₂塊使用顆粒機(jī)破碎，再使用篩分機(jī)篩分，獲得150～300μm粒度的UO₂粉末；

步驟(c)，按照一定質(zhì)量配比向步驟(b)所得UO₂粉末內(nèi)添加潤(rùn)滑劑，添加潤(rùn)添加量為UO₂粉末質(zhì)量的0.3wt％，混合均勻；所述的潤(rùn)滑劑添加為阿克蠟；

步驟(d)，將步驟(c)所得UO₂粉末裝入成型模具中，生坯高度控制在15mm，生坯密度控制在5.3g/cm³，成型獲得環(huán)形芯塊；

步驟(e)，環(huán)形芯塊在氫氣氣氛下還原燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在1700℃、6小時(shí)。燒結(jié)后所得的UO₂環(huán)形芯塊，壁厚2mm，芯塊端面垂直度≤0.05mm，粗糙度≤2.2μm。UO₂環(huán)形芯塊晶粒尺寸均勻，尺寸范圍為6.5～25μm；氣孔分布均勻，最大氣孔小于0.25mm，芯塊平均開口孔率＜1％，最大開口孔率＜2％，且無明顯顆粒邊界。

如圖1所述，采用的成型模具包括根據(jù)UO₂環(huán)形芯塊幾何外形設(shè)計(jì)的成型陰模2、上沖頭1、下沖頭4、套環(huán)3；將套環(huán)3套入下沖頭4上，再將下沖頭4從成型陰模2下部裝入，使套環(huán)3位置固定在成型陰模2內(nèi)低于下部三分之一區(qū)域；將UO₂粉末按一定質(zhì)量稱重從上部裝入成型陰模2內(nèi)，使其分散均勻；然后將上沖頭2從上部裝入，手動(dòng)預(yù)壓，獲得環(huán)形芯塊。

實(shí)施例2

本發(fā)明所述的一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法，其包括如下步驟：

步驟(a)，將UO₂粉末裝入壓塊模具，壓制成塊；采用壓機(jī)壓制成型，壓制壓力為15T；

步驟(b)，將步驟(a)壓制所得UO₂塊使用顆粒機(jī)破碎，再使用篩分機(jī)篩分，獲得200～300μm粒度的UO₂粉末；

步驟(c)，按照一定質(zhì)量配比向步驟(b)所得UO₂粉末內(nèi)添加潤(rùn)滑劑，添加潤(rùn)添加量為UO₂粉末質(zhì)量的0.1wt％，混合均勻；所述的潤(rùn)滑劑添加為硬脂酸鋅；

步驟(d)，將步驟(c)所得UO₂粉末裝入成型模具中，生坯高度控制在10mm，生坯密度控制在5.0g/cm³，成型獲得環(huán)形芯塊；

步驟(e)，環(huán)形芯塊在氫氣氣氛下還原燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在1650℃、3小時(shí)。燒結(jié)后所得的UO₂環(huán)形芯塊，壁厚1mm，芯塊端面垂直度≤0.05mm，粗糙度≤2.2μm。UO₂環(huán)形芯塊晶粒尺寸均勻，尺寸范圍為6.5～25μm；氣孔分布均勻，最大氣孔小于0.25mm，芯塊平均開口孔率＜1％，最大開口孔率＜2％，且無明顯顆粒邊界。

如圖1所述，采用的成型模具包括根據(jù)UO₂環(huán)形芯塊幾何外形設(shè)計(jì)的成型陰模2、上沖頭1、下沖頭4、套環(huán)3；將套環(huán)3套入下沖頭4上，再將下沖頭4從成型陰模2下部裝入，使套環(huán)3位置固定在成型陰模2內(nèi)低于下部三分之一區(qū)域；將UO₂粉末按一定質(zhì)量稱重從上部裝入成型陰模2內(nèi)，使其分散均勻；然后將上沖頭2從上部裝入，手動(dòng)預(yù)壓，獲得環(huán)形芯塊。

實(shí)施例3

本發(fā)明所述的一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法，其包括如下步驟：

步驟(a)，將UO₂粉末裝入壓塊模具，壓制成塊；采用壓機(jī)壓制成型，壓制壓力為25T；

步驟(b)，將步驟(a)壓制所得UO₂塊使用顆粒機(jī)破碎，再使用篩分機(jī)篩分，獲得150～200μm粒度的UO₂粉末；

步驟(c)，按照一定質(zhì)量配比向步驟(b)所得UO₂粉末內(nèi)添加潤(rùn)滑劑，添加潤(rùn)添加量為UO₂粉末質(zhì)量的0.2wt％，混合均勻；所述的潤(rùn)滑劑添加為阿克蠟或硬脂酸鋅；

步驟(d)，將步驟(c)所得UO₂粉末裝入成型模具中，生坯高度控制在17mm，生坯密度控制在5.4g/cm³，成型獲得環(huán)形芯塊；

步驟(e)，環(huán)形芯塊在氫氣氣氛下還原燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在1800℃、2小時(shí)。燒結(jié)制備的芯塊尺寸外觀、化學(xué)成分和密度等均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

如圖1所述，采用的成型模具包括根據(jù)UO₂環(huán)形芯塊幾何外形設(shè)計(jì)的成型陰模2、上沖頭1、下沖頭4、套環(huán)3；將套環(huán)3套入下沖頭4上，再將下沖頭4從成型陰模2下部裝入，使套環(huán)3位置固定在成型陰模2內(nèi)低于下部三分之一區(qū)域；將UO₂粉末按一定質(zhì)量稱重從上部裝入成型陰模2內(nèi)，使其分散均勻；然后將上沖頭2從上部裝入，手動(dòng)預(yù)壓，獲得環(huán)形芯塊。

實(shí)施例4

本發(fā)明所述的一種環(huán)形UO₂燃料芯塊制備方法，其包括如下步驟：

步驟(a)，將UO₂粉末裝入壓塊模具，壓制成塊；采用壓機(jī)壓制成型，壓制壓力為35T；

步驟(b)，將步驟(a)壓制所得UO₂塊使用顆粒機(jī)破碎，再使用篩分機(jī)篩分，獲得150～250μm粒度的UO₂粉末；

步驟(c)，按照一定質(zhì)量配比向步驟(b)所得UO₂粉末內(nèi)添加潤(rùn)滑劑，添加潤(rùn)添加量為UO₂粉末質(zhì)量的0.5wt％，混合均勻；所述的潤(rùn)滑劑添加為阿克蠟或硬脂酸鋅；

步驟(d)，將步驟(c)所得UO₂粉末裝入成型模具中，生坯高度控制在20mm，生坯密度控制在5.6g/cm³，成型獲得環(huán)形芯塊；

步驟(e)，環(huán)形芯塊在氫氣氣氛下還原燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在1650℃、9小時(shí)。燒結(jié)制備的芯塊尺寸外觀、化學(xué)成分和密度等均達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

上面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作了詳細(xì)說明，上述實(shí)施方式僅為本發(fā)明的最優(yōu)實(shí)施例，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。