一種二氧化釷芯塊制備方法
【專利摘要】本發明屬于核燃料元件的制造【技術領域】，具體涉及一種二氧化釷芯塊制備方法。該方法包括粉末造粒工藝：以草酸沉淀法制備的二氧化釷粉末為原始材料，采用模壓成型的方法，將二氧化釷粉末壓制成片，然后置入顆粒機中破碎，過顆粒機篩網，再在頂擊式振篩機中振篩后制得二氧化釷芯塊成形用的顆粒；粉末成型工藝：對顆粒進行模壓成形，制得芯塊的生坯；芯塊燒結工藝：將二氧化釷芯塊生坯放入真空氣氛燒結爐內，抽真空洗爐后，通氬氣進行燒結。本發明采用粉末冶金工藝制備鈷芯塊，克服了二氧化釷粉末生坯密度低的困難，通過造粒、成型、燒結工藝制備出的芯塊密度高、晶粒尺寸滿足燃料元件制備的指標要求。
【專利說明】一種二氧化釷芯塊制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于核燃料元件的制造【技術領域】，具體涉及一種二氧化釷芯塊制備方法，具體應用于核反應堆用釷基燃料組件二氧化釷芯塊的制備。
【背景技術】
[0002]隨著核電的高速發展，尋找一種可替換鈾作為核燃料的材料越來越迫切。采用鈾-釷燃料來替換鈾燃料，可以有效緩解我國鈾資源的匱乏。在核反應堆內使用二氧化釷燃料棒取代部分二氧化鈾燃料棒，通過釷吸收中子增殖可得到233U，233U是優于235U、239Pu的燃料。在鈾-釷燃料制備工藝中，二氧化釷芯塊是燃料組件的核心部分，芯塊質量直接影響到熱效率、堆內安全等方面的問題。
[0003]二氧化釷芯塊技術要求有其特殊性:芯塊尺寸，直徑Φ12πιπι ;高度16臟，屬于較大塊的陶瓷芯塊。燒結芯塊密度相對于理論密度為95%?97%，晶粒尺寸要求在5 μ m?20 μ m之間，密度和晶粒尺寸控制范圍窄。
[0004]目前，制備二氧化釷陶瓷的主要工藝為空氣狀態燒結，制備的陶瓷作為耐火材料使用，對陶瓷的密度和晶粒尺寸沒有要求。采用此種工藝制備很難制備出滿足指標要求的二氧化釷芯塊。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種二氧化釷芯塊制備方法，能夠制備出相對密度為95%?97%，晶粒尺寸要求在5 μ m?20 μ m之間的無缺陷二氧化釷芯塊，滿足釷燃料組件在反應堆內工作的技術要求。
[0006]為達到上述目的，本發明所采取的技術方案為:
[0007]一種二氧化釷芯塊制備方法，該方法包括:
[0008]一、粉末造粒工藝:以草酸沉淀法制備的二氧化釷粉末為原始材料，采用模壓成型的方法，將二氧化釷粉末壓制成片，然后置入顆粒機中破碎，過顆粒機篩網，再在頂擊式振篩機中振篩后制得二氧化釷芯塊成形用的顆粒；
[0009]二、粉末成型工藝:對顆粒進行模壓成形，制得芯塊的生坯；
[0010]三、芯塊燒結工藝:將二氧化釷芯塊生坯放入真空氣氛燒結爐內，抽真空洗爐后，通氬氣進行燒結。
[0011]所述粉末造粒工藝:選用比表面20?30m2/g的原料預壓，壓力為85Mpa，粒度范圍150 ?380 μ m。
[0012]所述粉末成型工藝:使用YG15材料加工的硬質合金模具對顆粒進行模壓成形。
[0013]所述硬質合金模具由Crl2MoV模具外套、YG15模具內套組成，YG15模具內套兩端為1: 0.014深5mm的維度。
[0014]所述硬質合金模具尺寸為Φ 16.20mm。
[0015]采用硬脂酸鋅的四氯化碳濁液對硬質合金模具陰模內壁進行潤滑。
[0016]所述粉末成型工藝:二氧化釷芯塊的成型壓力350MPa，保壓時間為10秒；采用壓機機械脫模，使成型每塊芯坯的平均密度偏差控制在±0.02g/cm3之間，生坯密度達到5.4g/cm3。
[0017]所述芯塊燒結工藝:在氬氣氣氛下，在500 °C和800 °C分別保溫I個小時，在1750°C時保溫4小時，芯塊燒結采用的是階梯式升溫方式；然后降溫，在降溫過程中，隨爐冷卻。
[0018]所述芯塊燒結工藝:燒結時芯塊采用直立式，采用高達350MPa的單位壓制壓力，涂抹硬脂酸鋅的四氯化碳乳濁液得到外觀質量完好的生坯，再通過直立式燒結制備出輕微細腰，無彎腰的合格二氧化釷芯塊。
[0019]本發明所取得的有益效果為:
[0020]本發明采用粉末冶金工藝制備鈷芯塊，克服了二氧化釷粉末生坯密度低的困難，通過造粒、成型、燒結工藝制備出的芯塊密度高、晶粒尺寸滿足燃料元件制備的指標要求。
[0021]①二氧化釷粉末造粒化過程中不添加成形劑和潤滑劑，同時鈷芯塊成形生坯時在陰模內壁涂抹的潤滑劑，在燒結時能夠除去，都保證了入堆鈷芯塊雜質總量的控制要求通過制粒和采用YG15硬質合金模具，提高了粉料的流動性和模具的最大壓制壓力，因而使燒結芯塊生坯有較高的密度和更良好的軸向均勻性，又導致了燒結溫度的降低和燒結后密度的提高，減少了加工余量，提高了粉末的利用率，降低了能耗；③燒結時采用階梯式升溫，分別在500°C和800°C進行保溫，可以充分釋放內部氣體，能夠使粉末中的氣體雜質得到充分釋放，降低雜質含量；
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明所述二氧化釷芯塊成形模具陰模結構示意圖；
[0023]圖2為本發明所述二氧化釷芯塊燒結工藝曲線；
[0024]圖中:l、Crl2MoV模具外套；2、YG15模具內套；3、1: 0.014深5mm的錐度。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0026]本發明所述一種二氧化釷芯塊制備方法包括粉末造粒工藝、粉末成型工藝、芯塊燒結工藝。二氧化釷造粒過程中不添加成形劑和潤滑劑，直接采用二氧化釷粉末預壓成型、擦篩工藝；燒結時采用階梯式升溫，分別在500°C和800°C進行保溫，可以充分釋放內部氣體和應力，能夠使素坯中的氣體雜質充分排出。
[0027]以草酸沉淀法制備的二氧化釷粉末為原始材料，采用模壓成型的方法，將二氧化釷粉末壓制成片，然后置入顆粒機中破碎，過顆粒機篩網，再在頂擊式振篩機中振篩后制得二氧化釷芯塊成形用的顆粒；然后使用YG15材料加工的硬質合金模具進行模壓成形，制得芯塊的生坯，為降低成型壓力及脫模壓力，可采用硬脂酸鋅的四氯化碳濁液對陰模內壁進行潤滑；隨后將二氧化釷芯塊生坯放入真空氣氛燒結爐內，抽真空洗爐后，通氬氣進行燒結；本發明制備出的二氧化釷芯塊相對密度為95%?97%，晶粒尺寸要求在5 μ m?20 μ m之間的無缺陷二氧化釷芯塊，滿足釷燃料組件在反應堆內工作的技術要求。
[0028]一、粉末造粒工藝
[0029]由于頸草酸沉淀工藝制備的二氧化釷粉末的粒度較小，為了保證燒結芯塊密度和一定的孔隙率，必須對二氧化釷粉末進行造粒，同時在造粒過程中不能帶入任何雜質，確保芯塊的雜質含量滿足技術要求。
[0030]選用比表面20?30m2/g的原料預壓，壓力為85Mpa，粒度范圍150?380 μ m。造粒過程中必須對造粒粒度均勻性、尺寸大小進行嚴格控制，降低對成型過程中的生坯密度的差異性的影響程度，同時改善粉末的流動性。
[0031]二、粉末成型工藝
[0032]成型設備可選擇普通壓力試驗機或專業的粉末成型設備，成型壓力、壓制時間以及模具尺寸可根據設計要求進行設計和選定。
[0033]二氧化釷是一種脆性材料，由于粉末較細，導致流動性差，生坯密度不易提高，為此我們將鋼制模具改為YG15硬質合金模具，硬質合金模具具有更高的光潔度，而且沖頭的承壓能力更高，能夠負荷較高的單位壓制壓力，模具尺寸為Φ16.20mm，二氧化釷芯塊的成型壓力350MPa，保壓時間為10秒。采用壓機機械脫模，使成型每塊芯坯的平均密度偏差控制在±0.02g/cm3之間，生還密度達到5.4g/cm3,以滿足燒結質量的要求。
[0034]成型模具陰模結構示意圖如圖1所示，由Crl2MoV模具外套1、YG15模具內套2組成，YG15模具內套2兩端為1: 0.014深5mm的錐度3。
[0035]三、芯塊燒結工藝
[0036]在氬氣氣氛下，在500°C和800°C分別保溫I個小時，在1750°C時保溫4小時，芯塊燒結采用的是階梯式升溫方式。然后降溫，在降溫過程中，隨爐冷卻。
[0037]燒結時芯塊采用直立式，這樣避免了燒結時由于重力原因出現的彎腰現象。在Φ16.20mm的模具上采用高達350MPa的單位壓制壓力，涂抹硬脂酸鋅的四氯化碳乳濁液可以得到外觀質量完好的生坯，再通過直立式燒結制備出輕微細腰，無彎腰的合格二氧化釷芯塊。
[0038]燒結工藝曲線如圖2所示。
[0039]實施例1
[0040]第一步:取60g 二氧化釷粉末，在50MPa壓力下成形，壓制成片狀鈷坯。
[0041]第二步:將第一步制得的片狀鈷坯過顆粒機破碎，顆粒機采用600μπι孔徑不銹鋼篩網，在振篩機中振篩，篩分出尺寸在150?380μπι之間的顆粒。
[0042]第三步:把制得的顆粒放入硬質合金模具中，裝料量為15g，壓機加壓至成形壓力為3000MPa，壓制成直徑16.20mm,高度19.3mm的鈷芯塊生坯。
[0043]第四步:將通過表面質量檢測的二氧化釷芯塊生坯置入氬氣氣氛燒結爐內，進行芯塊燒結。平均升溫速率為2.8°C /min，在500°C和800°C分別保溫I小時，燒結溫度為1650°C ,保溫時間為4小時，隨爐冷卻，燒結后制得燒結二氧化釷芯塊。即可得到本發明所述的鈷芯塊。
[0044]實施例二
[0045]第一步:取70g鈷粉末，在10MPa壓力下成形，壓制成片狀鈷坯。
[0046]第二步:將第一步制得的片狀二氧化釷坯經過顆粒機破碎，顆粒機采用600 μ m孔徑不銹鋼篩網，在振篩機中振篩，篩分出尺寸在150?380μπι之間的顆粒。
[0047]第三步:把制得的顆粒放入硬質合金模具中，裝料量為22g，壓機加壓至成形壓力為400MPa,壓制成直徑16.2mm,高度20.1mm的鈷芯塊生還。
[0048]第四步:將通過表面質量檢測的鈷芯塊生坯置入氬氣氣氛燒結爐內，進行芯塊燒結。平均升溫速率為2.9/min，在500°C和800°C分別保溫I小時，燒結溫度為1700°C，保溫時間為4小時，隨爐冷卻，燒結后制得燒結二氧化釷芯塊。即可得到本發明所述的鈷芯塊。
[0049]實施例三
[0050]第一步:取70g 二氧化釷粉末，在85MPa壓力下成形，壓制成片狀二氧化釷坯。
[0051]第二步:將第一步制得的片狀二氧化釷坯過顆粒機破碎，顆粒機采用600 μ m孔徑不銹鋼篩網，在振篩機中振篩，篩分出尺寸在150?380μπι之間的顆粒。
[0052]第三步:把制得的顆粒放入硬質合金模具中，裝料量為20g，壓機加壓至成形壓力為350MPa，壓制成直徑16.20mm,高度20.0mm的鈷芯塊生坯。
[0053]第四步:將通過表面質量檢測的二氧化釷芯塊生坯置入氬氣氣氛燒結爐內，進行芯塊燒結。在氬氣氣氛中，平均升溫速率為3.2V /min，在500°C和800°C分別保溫I小時，燒結溫度為1750°C，保溫時間為4小時，隨爐冷卻，燒結后制得燒結二氧化釷芯塊。
[0054]經本發明制備的二氧化釷芯塊，直徑為12.25?12.32mm,高度達到12.1mm，密度達到95?97%T.D.，平均晶粒6?8 μ m，孔洞分布均勻，滿足了入堆使用要求。
【權利要求】
1.一種二氧化釷芯塊制備方法，其特征在于:該方法包括: 一、粉末造粒工藝:以草酸沉淀法制備的二氧化釷粉末為原始材料，采用模壓成型的方法，將二氧化釷粉末壓制成片，然后置入顆粒機中破碎，過顆粒機篩網，再在頂擊式振篩機中振篩后制得二氧化釷芯塊成形用的顆粒； 二、粉末成型工藝:對顆粒進行模壓成形，制得芯塊的生坯； 三、芯塊燒結工藝:將二氧化釷芯塊生坯放入真空氣氛燒結爐內，抽真空洗爐后，通氬氣進行燒結。
2.根據權利要求1所述的二氧化釷芯塊制備方法，其特征在于:所述粉末造粒工藝:選用比表面20?30m2/g的原料預壓，壓力為85Mpa，粒度范圍150?380 μ m。
3.根據權利要求1所述的二氧化釷芯塊制備方法，其特征在于:所述粉末成型工藝:使用YG15材料加工的硬質合金模具對顆粒進行模壓成形。
4.根據權利要求3所述的二氧化釷芯塊制備方法，其特征在于:所述硬質合金模具由Crl2MoV模具外套(1)、YG15模具內套(2)組成，YG15模具內套(2)兩端為1: 0.014深5mm的錐度(3)。
5.根據權利要求4所述的二氧化釷芯塊制備方法，其特征在于:所述硬質合金模具尺寸為 Φ 16.20mm。
6.根據權利要求3所述的二氧化釷芯塊制備方法，其特征在于:采用硬脂酸鋅的四氯化碳濁液對硬質合金模具陰模內壁進行潤滑。
7.根據權利要求1所述的二氧化釷芯塊制備方法，其特征在于:所述粉末成型工藝:二氧化釷芯塊的成型壓力350MPa，保壓時間為10秒；采用壓機機械脫模，使成型每塊芯坯的平均密度偏差控制在±0.02g/cm3之間，生坯密度達到5.4g/cm3。
8.根據權利要求1所述的二氧化釷芯塊制備方法，其特征在于:所述芯塊燒結工藝:在氬氣氣氛下，在500°C和800°C分別保溫1個小時，在1750°C時保溫4小時，芯塊燒結采用的是階梯式升溫方式；然后降溫，在降溫過程中，隨爐冷卻。
9.根據權利要求1所述的二氧化釷芯塊制備方法，其特征在于:所述芯塊燒結工藝:燒結時芯塊采用直立式，采用高達350MPa的單位壓制壓力，涂抹硬脂酸鋅的四氯化碳乳濁液得到外觀質量完好的生坯，再通過直立式燒結制備出輕微細腰，無彎腰的合格二氧化釷芯塊。
【文檔編號】C04B35/51GK104446478SQ201310451243
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】任永崗, 陳連重, 李愛軍, 杜繼軍, 田春雨, 劉江濤, 王虹, 馬曉娟, 郭洪, 齊永良, 侯麗楠 申請人:中核北方核燃料元件有限公司