[发明专利]一种二氧化钍芯块制备方法

说明书

技术领域

本发明属于核燃料元件的制造技术领域，具体涉及一种二氧化钍芯块制备方法，具体应用于核反应堆用钍基燃料组件二氧化钍芯块的制备。

背景技术

随着核电的高速发展，寻找一种可替换铀作为核燃料的材料越来越迫切。采用铀-钍燃料来替换铀燃料，可以有效缓解我国铀资源的匮乏。在核反应堆内使用二氧化钍燃料棒取代部分二氧化铀燃料棒，通过钍吸收中子增殖可得到²³³U，²³³U是优于²³⁵U、²³⁹Pu的燃料。在铀-钍燃料制备工艺中，二氧化钍芯块是燃料组件的核心部分，芯块质量直接影响到热效率、堆内安全等方面的问题。

二氧化钍芯块技术要求有其特殊性：芯块尺寸，直径Φ12mm；高度16mm，属于较大块的陶瓷芯块。烧结芯块密度相对于理论密度为95%～97%，晶粒尺寸要求在5μm～20μm之间，密度和晶粒尺寸控制范围窄。

目前，制备二氧化钍陶瓷的主要工艺为空气状态烧结，制备的陶瓷作为耐火材料使用，对陶瓷的密度和晶粒尺寸没有要求。采用此种工艺制备很难制备出满足指标要求的二氧化钍芯块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二氧化钍芯块制备方法，能够制备出相对密度为95%～97%，晶粒尺寸要求在5μm～20μm之间的无缺陷二氧化钍芯块，满足钍燃料组件在反应堆内工作的技术要求。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种二氧化钍芯块制备方法，该方法包括：

一、粉末造粒工艺：以草酸沉淀法制备的二氧化钍粉末为原始材料，采用模压成型的方法，将二氧化钍粉末压制成片，然后置入颗粒机中破碎，过颗粒机筛网，再在顶击式振筛机中振筛后制得二氧化钍芯块成形用的颗粒；

二、粉末成型工艺：对颗粒进行模压成形，制得芯块的生坯；

三、芯块烧结工艺：将二氧化钍芯块生坯放入真空气氛烧结炉内，抽真空洗炉后，通氩气进行烧结。

所述粉末造粒工艺：选用比表面20～30m²/g的原料预压，压力为85Mpa，粒度范围150～380μm。

所述粉末成型工艺：使用YG15材料加工的硬质合金模具对颗粒进行模压成形。

所述硬质合金模具由Cr12MoV模具外套、YG15模具内套组成，YG15模具内套两端为1∶0.014深5mm的锥度。

所述硬质合金模具尺寸为Φ16.20mm。

采用硬脂酸锌的四氯化碳浊液对硬质合金模具阴模内壁进行润滑。

所述粉末成型工艺：二氧化钍芯块的成型压力350MPa，保压时间为10秒；采用压机机械脱模，使成型每块芯坯的平均密度偏差控制在±0.02g/cm³之间，生坯密度达到5.4g/cm³。

所述芯块烧结工艺：在氩气气氛下，在500℃和800℃分别保温1个小时，在1750℃时保温4小时，芯块烧结采用的是阶梯式升温方式；然后降温，在降温过程中，随炉冷却。

所述芯块烧结工艺：烧结时芯块采用直立式，采用高达350MPa的单位压制压力，涂抹硬脂酸锌的四氯化碳乳浊液得到外观质量完好的生坯，再通过直立式烧结制备出轻微细腰，无弯腰的合格二氧化钍芯块。

本发明所取得的有益效果为：

本发明采用粉末冶金工艺制备钴芯块，克服了二氧化钍粉末生坯密度低的困难，通过造粒、成型、烧结工艺制备出的芯块密度高、晶粒尺寸满足燃料元件制备的指标要求。

①二氧化钍粉末造粒化过程中不添加成形剂和润滑剂，同时钴芯块成形生坯时在阴模内壁涂抹的润滑剂，在烧结时能够除去，都保证了入堆钴芯块杂质总量的控制要求；②通过制粒和采用YG15硬质合金模具，提高了粉料的流动性和模具的最大压制压力，因而使烧结芯块生坯有较高的密度和更良好的轴向均匀性，又导致了烧结温度的降低和烧结后密度的提高，减少了加工余量，提高了粉末的利用率，降低了能耗；③烧结时采用阶梯式升温，分别在500℃和800℃进行保温，可以充分释放内部气体，能够使粉末中的气体杂质得到充分释放，降低杂质含量；

附图说明

图1为本发明所述二氧化钍芯块成形模具阴模结构示意图；

图2为本发明所述二氧化钍芯块烧结工艺曲线；

图中：1、Cr12MoV模具外套；2、YG15模具内套；3、1∶0.014深5mm的锥度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。