鈾鉬合金彌散燃料板制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鈾鉬燃料元件制造技術(shù)，具體涉及到了鈾鉬合金彌散燃料板制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]U-Mo合金燃料是一種新型的高鈾密度燃料元件，具有輻照性能穩(wěn)定、鈾密度更高、后處理簡單等優(yōu)點，代表了世界研宄試驗堆用新一代燃料的發(fā)展方向。研宄試驗堆采用U-Mo合金燃料，可提高元件的鈾裝載量，延長燃料運行壽命，降低研宄試驗堆運行成本，減少燃料循環(huán)費用。
[0003]U-Mo合金彌散燃料板制備技術(shù)是研發(fā)U-Mo合金燃料元件的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。U-Mo合金彌散燃料板是由U-Mo合金粉均勻彌散的Al基芯體與鋁合金包殼軋制復(fù)合而成的，其關(guān)鍵制備技術(shù)和工藝參數(shù)在國際上處于保密狀態(tài)。
[0004]U-Mo合金彌散燃料板主要包括鈾分布均勻性、芯體/包殼結(jié)合質(zhì)量、包殼厚度等關(guān)鍵性能，其指標(biāo)必須滿足研宄試驗堆燃料元件的國際通用技術(shù)要求。其中:鈾分布均勻性要求芯體均勻區(qū)在名義鈾面密度的±20%以內(nèi)，狗骨區(qū)在名義鈾面密度的+30%?100%以內(nèi)；芯體/包殼結(jié)合質(zhì)量要求退火起泡檢驗燃料板有效區(qū)域內(nèi)無肉眼可見起泡，且超聲檢驗的不結(jié)合缺陷面積小于與Φ2_圓相當(dāng)?shù)拿娣e；包殼厚度要求均勾區(qū)最小包殼厚度不小于0.30mm，狗骨區(qū)最小包殼厚度不小于0.25mm。
[0005]與研宄試驗堆現(xiàn)用的U3Si2-Al燃料元件相比，鈾鉬合金彌散燃料板的制備技術(shù)更加復(fù)雜，主要體現(xiàn)在:首先U-Mo合金的密度(P =17.6g/cm3)是咕“陶瓷密度(P =11.3g/cm3)的1.6倍，因此與基體Al粉的密度差更大，導(dǎo)致U-Mo合金粉與Al粉的混合均勻難度增大；其次，U-Mo合金燃料板芯體鈾密度高于(5?8gU/cm3) U3Si2-Al燃料板(最大不超4.8gU/cm3)，而彌散燃料板的鈾密度越高，“狗骨”區(qū)鈾均勻性越難控制；第三，U-Mo合金的熔點和硬度等物理性質(zhì)與U3Si2陶瓷相差異較大，因此燃料板的軋制工藝技術(shù)需重新探索。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種鈾鉬合金彌散燃料板的制備方法，制備出了滿足技術(shù)條件的鈾鉬合金彌散燃料板，為研發(fā)新型鈾鉬合金燃料元件奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
[0007]為解決以上技術(shù)難題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
鈾鉬合金彌散燃料板制備方法，包括以下步驟:
A、配料步驟:取鈾鉬合金粉、鋁硅合金粉備用；
B、混料步驟:將鈾鉬合金粉、鋁硅合金粉投入到三維混料機中進(jìn)行三維混料操作；
C、芯坯成型步驟:將混合后的物料投入到削角成型模具中，采用液壓機壓制出削角形狀的燃料芯坯；
D、芯坯除氣步驟:將削角形狀的燃料芯坯在真空狀態(tài)中進(jìn)行熱處理除氣后得到彌散芯坯； E、組坯步驟^fAl框架和蓋板進(jìn)行機械加工后，進(jìn)行表面處理，同時將彌散芯坯設(shè)置在Al框架中，采用蓋板組裝后焊接密封，形成軋制坯；
F、軋制步驟:將軋制坯加熱進(jìn)行熱軋?zhí)幚沓蓮浬⑷剂习?，熱軋完的彌散燃料板進(jìn)行起泡退火試驗，對沒有鼓泡的彌散燃料板進(jìn)行冷軋，使彌散燃料板達(dá)到預(yù)定尺寸，最后進(jìn)行矯直，形成鈾鉬合金彌散燃料板。
[0008]研宄試驗堆現(xiàn)用的燃料元件為U3Si2-Al彌散燃料板，其制作工藝為:選用U3Si2粉和Al粉混合成型后組裝在鋁合金框架與蓋板之間，然后軋制成薄板，可以參考現(xiàn)有技術(shù)《U3Si2-Al彌散型燃料元件》，該資料中未提及具體的軋制方法，其內(nèi)容大量的披露了U3Si2-Al彌散型燃料元件的參數(shù)性能。
[0009]鈾鉬合金彌散燃料板的制備技術(shù)在國外處于保密狀態(tài)，沒有任何資料可以參考鈾鉬合金彌散燃料板的具體制備技術(shù)。首次，U-Mo合金的密度(P =17.6g/cm3)是U3Si2陶瓷密度(P =11.3g/cm3)的1.6倍，因此與基體Al粉的密度差更大，導(dǎo)致U-Mo合金粉與Al粉的混合均勻難度增大；其次，U-Mo合金燃料板芯體鈾密度(5?8gU/cm3)高于U3Si2-Al燃料板(最大不超4.8gU/cm3)，而彌散燃料板的鈾密度越高，“狗骨”區(qū)鈾均勻性越難控制；第三，U-Mo合金的熔點和硬度等物理性質(zhì)與U3Si2陶瓷相差異較大，因此燃料板的制備技術(shù)需重新探索。
[0010]本發(fā)明通過制定合理的U-Mo合金彌散燃料板制備技術(shù)路線，在國內(nèi)首次成功制備出滿足技術(shù)要求的U-Mo合金彌散燃料板；通過確定合理的U-Mo合金粉粒度，有利于提高燃料顆粒的燃耗和與基體Al粉的混料均勻性；通過確定合理的基體Al-Si粉中的Si含量，有利于提高燃料元件的抗福照性能；通過確定合理的Al-Si粉粒度，有利于主動與U-Mo合金粉混合均勻；通過制定合理的三維混料工藝參數(shù)，能保證U-Mo粉和Al-Si粉充分混合均勻，有利于提高燃料板的鈾分布均勻性；通過制定合理的削角芯坯成型工藝參數(shù)，能制備出密度均勻、尺寸滿足設(shè)計要求和強度滿足軋制要求的削角燃料芯坯；通過制定合理的均勻熱軋技術(shù)，能同時兼顧U-Mo合金彌散燃料板的鈾分布均勻性、結(jié)合質(zhì)量和包殼厚度等關(guān)鍵性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。
[0011]本發(fā)明能夠成功制備出滿足技術(shù)要求的U-M0合金彌散燃料板，其中:芯體均勻區(qū)鈾分布均勻性在名義面密度的±12%以內(nèi)，狗骨區(qū)在名義面密度的±20%以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于技術(shù)要求；結(jié)合質(zhì)量滿足退火起泡檢驗和超聲檢驗的判定要求；均勻區(qū)最小包殼厚度不小于0.32mm，狗骨區(qū)最小包殼厚度不小于0.28mm。
[0012]鈾鉬合金粉的粒度控制在44 μπι?125 μm。
[0013]小于44 μ m的鈾鉬合金粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5%，大于125 μ m的鈾鉬合金粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5%。
[0014]鋁硅合金粉中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%?6%，鋁硅合金粉的粒度小于或等于74 μ m。
[0015]小于或等于44 μ m的鋁硅合金粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占80%以上。
[0016]上述技術(shù)中，選用上述鈾鉬合金粉的粒度，有利于提高燃料顆粒的燃耗和與鋁硅合金粉的混料均勻性。選用上述Si含量的鋁硅合金粉，有利于提高燃料元件的抗輻照性能；選用上述鋁硅合金粉的粒度，有利于鋁硅合金粉主動與鈾鉬合金粉混合均勻。
[0017]混料步驟的工藝參數(shù)為:三維混料機工作頻率為10?30Hz，混料機主軸轉(zhuǎn)速為2r/ min?6r/min，混料時間為60 min?120min。能保證鈾鉬合金粉和銷娃合金粉充分混合均勻，有利于提高燃料板的鈾分布均勻性。
[0018]制備燃料芯坯的具體方法是:在削角成型模具中對混合后的物料進(jìn)行壓制，采用壓制壓力為500MPa?750Mpa、保壓時間為10?20s，能制備出密度均勻、尺寸滿足設(shè)計要求和強度滿足軋制要求的削角燃料芯坯。
[0019]軋制步驟中熱軋軋制坯的具體工藝是:采用多道次中等變形量的均勻熱軋技術(shù)軋制成彌散燃料板，軋制溫度為480°C?520°C，軋制道次為6?8道，前三道軋制每道變形量為25%?28%。能同時兼顧鈾鉬合金彌散燃料板的鈾分布均勻性、結(jié)合質(zhì)量和包殼厚度等關(guān)鍵性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。
[0020]本發(fā)明的效果在于:根據(jù)本發(fā)明制備得到的鈾鉬合金彌散燃料板，其芯體均勻區(qū)鈾分布均勻性在名義面密度的±12%以內(nèi)，狗骨區(qū)在名義面密度的±20%以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于技術(shù)要求；結(jié)合質(zhì)量滿足退火起泡檢驗和超聲檢驗的判定要求；燃料板包殼厚度滿足技術(shù)要求。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的工藝技術(shù)路線圖。
[0022]圖2為布料裝置的側(cè)視圖。
[0023]圖3為布料臺和固定臺的俯視圖。
[0024]圖4為布料臺與成型模具的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。
[0025]圖中的附圖標(biāo)記分別表示為:1、固定臺；2、布料臺；3、螺栓；4、限位螺母；5、插入孔；6、成型模具；7、下模。