本發明涉及核反應堆,尤其涉及一種陶瓷基中子吸收材料、其制備方法及反應堆控制棒。
背景技術:
1、核能是能源可持續性的一種重要選擇。在核電設備中,控制棒組件起到調控核反應的作用,對核電站安全運行起到重要作用。黑控制棒組件和灰控制棒組件都通常被用來控制核反應過程。其中黑控制棒組件通常采用強中子吸收材料,例如ag-in-cd合金和b4c等。灰控制棒組件則通常采用弱中子吸收材料,例如鉬基氧化鏑材料和不銹鋼等。
2、在控制棒參與正常運行控制的反應堆中,部分控制棒組件需要一直插入反應堆中,并通過機械調節控制棒插入深度來實現核反應的精確控制。為了保證控制棒組件的穩定運作,通常希望其中的中子吸收材料的反應性隨燃耗的變化曲線盡可能保持穩定,同時具有良好的物理性能。然而,傳統的中子吸收材料的導熱性能和耐熱性能均較差,難以滿足實際需求。
技術實現思路
1、基于此,為了解決上述背景中的問題,有必要提供一種能夠顯著提導熱性能和耐熱性能的陶瓷基中子吸收材料的制備方法。
2、根據本公開的一些實施例,提供了一種陶瓷基中子吸收材料的制備方法,其包括如下步驟:
3、將陶瓷基材、氧化鐿和氧化鈥混合并進行高能球磨處理,形成混合粉體,在所述混合粉體中,以質量份數計,陶瓷基材的質量份數為30~70份,氧化鐿的質量份數為10~30份,氧化鈥的質量份數在40份以下;以及,采用放電等離子燒結法對所述混合粉體進行燒結處理。
4、在本公開的一些實施例中,在所述混合粉體中,氧化鐿的質量占比為10%~25%。
5、在本公開的一些實施例中,在所述混合粉體中,氧化鈥的質量占比為5%~40%。
6、在本公開的一些實施例中,在所述混合粉體中,陶瓷基材的質量占比為30%~80%。
7、在本公開的一些實施例中,所述陶瓷基材包括氮化鋁。
8、在本公開的一些實施例中,對所述混合粉體進行燒結處理的步驟包括升溫過程和保溫過程;
9、在升溫過程中,控制升溫速度為50℃/min~150℃/min,并且,在升溫至400℃~600℃時施加3mpa~7mpa的軸向壓力,在升溫至800℃~1200℃時施加8mpa~12mpa的軸向壓力;同時,在保溫過程中,控制燒結溫度為1500℃~1800℃,控制燒結時間為5min~20min,控制施加的壓力為10mpa~50mpa。
10、在本公開的一些實施例中,在進行高能球磨處理的步驟中,向球磨罐中加入濕磨介質,固體組分與濕磨介質的質量比為1:(1~5);
11、在進行高能球磨處理的步驟中,磨球材質為氧化鋯,球料比為(5~15):1;
12、在進行高能球磨處理的步驟中,球磨總時間為10h~20h,球磨轉速為200rpm~600rpm。
13、在本公開的一些實施例中,在進行高能球磨處理之后以及進行燒結處理之前,還包括篩選獲得目數為200目~500目的所述混合粉體的步驟。
14、進一步地,本公開還提供了一種陶瓷基中子吸收材料,其由如上述任一實施例所述的陶瓷基中子吸收材料的制備方法制備得到。
15、進一步地,本公開還提供了一種反應堆控制棒,其包括如上述任一實施例所述的陶瓷基中子吸收材料。
16、在本公開實施例的陶瓷基中子吸收材料的制備方法中,將陶瓷基材、氧化鐿和氧化鈥進行高能球磨處理以獲得混合粉體,再采用放電等離子燒結法進行燒結處理。其中,通過采用特定組分的原料,結合高能球磨處理以及放電等離子燒結的方式進行燒結,能夠有效控制材料晶粒尺寸的過度生長,使得氧化鈥和氧化鐿材料均勻分散于陶瓷基材中,提高其致密程度,從而使得其在寬能量范圍內具有良好的中子吸收性能的同時,具有較好的使用壽命性能可適用于多類型的核反應堆設計。經過實驗驗證,該制備方法制備得到的陶瓷基中子吸收材料具有較好的導熱性能和較低的線膨脹系數,能夠在壓水反應堆中承受熱沖擊,在輻射條件下長期穩定運行。這有利于提升中子吸收材料的熱穩定性和高周期使用壽命。
17、上述說明僅是本發明技術方案的概述,為了能夠更清楚了解本發明的技術手段,并可依照說明書的內容予以實施,以下以本發明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。
1.一種陶瓷基中子吸收材料的制備方法,其特征在于,包括如下步驟:
2.根據權利要求1所述的陶瓷基中子吸收材料的制備方法,其特征在于,在所述混合粉體中,氧化鐿的質量占比為10%~25%。
3.根據權利要求1所述的陶瓷基中子吸收材料的制備方法,其特征在于,在所述混合粉體中,氧化鈥的質量占比為5%~40%。
4.根據權利要求1所述的陶瓷基中子吸收材料的制備方法,其特征在于,在所述混合粉體中,陶瓷基材的質量占比為30%~80%。
5.根據權利要求1~4任意一項所述的陶瓷基中子吸收材料的制備方法,其特征在于,所述陶瓷基材包括氮化鋁。
6.根據權利要求1~4任意一項所述的陶瓷基中子吸收材料的制備方法,其特征在于,對所述混合粉體進行燒結處理的步驟包括升溫過程和保溫過程;
7.根據權利要求1~4任意一項所述的陶瓷基中子吸收材料的制備方法,其特征在于,在進行高能球磨處理的步驟中,向球磨罐中加入濕磨介質,固體組分與濕磨介質的質量比為1:(1~5);
8.根據權利要求1~4任意一項所述的陶瓷基中子吸收材料的制備方法,其特征在于,在進行高能球磨處理之后以及進行燒結處理之前,還包括篩選獲得目數為200目~500目的所述混合粉體的步驟。
9.一種陶瓷基中子吸收材料,其特征在于,由如權利要求1~8任意一項所述的陶瓷基中子吸收材料的制備方法制備得到。
10.一種反應堆控制棒,其特征在于,包括如權利要求9所述的陶瓷基中子吸收材料。