鈾鉬合金彌散燃料板制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鈾鉬燃料元件制造技術，具體涉及到了鈾鉬合金彌散燃料板制備方法。
【背景技術】
[0002]U-Mo合金燃料是一種新型的高鈾密度燃料元件，具有輻照性能穩定、鈾密度更高、后處理簡單等優點，代表了世界研宄試驗堆用新一代燃料的發展方向。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，減少燃料循環費用。
[0003]U-Mo合金彌散燃料板制備技術是研發U-Mo合金燃料元件的關鍵基礎技術。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合而成的，其關鍵制備技術和工藝參數在國際上處于保密狀態。
[0004]U-Mo合金彌散燃料板主要包括鈾分布均勻性、芯體/包殼結合質量、包殼厚度等關鍵性能，其指標必須滿足研宄試驗堆燃料元件的國際通用技術要求。其中:鈾分布均勻性要求芯體均勻區在名義鈾面密度的±20%以內，狗骨區在名義鈾面密度的+30%?100%以內；芯體/包殼結合質量要求退火起泡檢驗燃料板有效區域內無肉眼可見起泡，且超聲檢驗的不結合缺陷面積小于與Φ2_圓相當的面積；包殼厚度要求均勾區最小包殼厚度不小于0.30mm，狗骨區最小包殼厚度不小于0.25mm。
[0005]與研宄試驗堆現用的U3Si2-Al燃料元件相比，鈾鉬合金彌散燃料板的制備技術更加復雜，主要體現在: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與U3Si2陶瓷相差異較大，因此燃料板的軋制工藝技術需重新探索。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種鈾鉬合金彌散燃料板的制備方法，制備出了滿足技術條件的鈾鉬合金彌散燃料板，為研發新型鈾鉬合金燃料元件奠定了技術基礎。
[0007]為解決以上技術難題，本發明的技術方案如下:
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中進行熱處理除氣后得到彌散芯坯； E、組坯步驟^fAl框架和蓋板進行機械加工后，進行表面處理，同時將彌散芯坯設置在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:將軋制坯加熱進行熱軋處理成彌散燃料板，熱軋完的彌散燃料板進行起泡退火試驗，對沒有鼓泡的彌散燃料板進行冷軋，使彌散燃料板達到預定尺寸，最后進行矯直，形成鈾鉬合金彌散燃料板。
[0008]研宄試驗堆現用的燃料元件為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，可以參考現有技術《U3Si2-Al彌散型燃料元件》，該資料中未提及具體的軋制方法，其內容大量的披露了U3Si2-Al彌散型燃料元件的參數性能。
[0009]鈾鉬合金彌散燃料板的制備技術在國外處于保密狀態，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。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與U3Si2陶瓷相差異較大，因此燃料板的制備技術需重新探索。
[0010]本發明通過制定合理的U-Mo合金彌散燃料板制備技術路線，在國內首次成功制備出滿足技術要求的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，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，能制備出密度均勻、尺寸滿足設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，能同時兼顧U-Mo合金彌散燃料板的鈾分布均勻性、結合質量和包殼厚度等關鍵性能指標滿足技術要求。
[0011]本發明能夠成功制備出滿足技術要求的U-M0合金彌散燃料板，其中:芯體均勻區鈾分布均勻性在名義面密度的±12%以內，狗骨區在名義面密度的±20%以內，遠遠優于技術要求；結合質量滿足退火起泡檢驗和超聲檢驗的判定要求；均勻區最小包殼厚度不小于0.32mm，狗骨區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的鈾鉬合金粉的質量分數不超過5%，大于125 μ m的鈾鉬合金粉的質量分數不超過5%。
[0014]鋁硅合金粉中硅的質量分數為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的鋁硅合金粉的質量分數占80%以上。
[0016]上述技術中，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為:三維混料機工作頻率為10?30Hz，混料機主軸轉速為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、結合質量和包殼厚度等關鍵性能指標滿足技術要求。
[0020]本發明的效果在于:根據本發明制備得到的鈾鉬合金彌散燃料板，其芯體均勻區鈾分布均勻性在名義面密度的±12%以內，狗骨區在名義面密度的±20%以內，遠遠優于技術要求；結合質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要求。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的工藝技術路線圖。
[0022]圖2為布料裝置的側視圖。
[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構關系圖。
[0025]圖中的附圖標記分別表示為: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。