一種製備高溫堆燃料元件UO₂核芯的方法

2023-08-05 12:00:41 4

專利名稱：一種製備高溫堆燃料元件UO2核芯的方法
技術領域：
本發明涉及高溫氣堆燃料元件U02核芯的製備工藝中的焙燒、還原和燒結，屬於反應堆核
燃料元件製造方法技術領域。
背景技術：
在以溶膠-凝膠法為基礎的1102燃料核芯的製備工藝中，不論是外膠凝、內膠凝還是全膠
凝工藝，在凝膠球乾燥之後，都要進行焙燒、還原和燒結，以得到尺寸和球形度符合設計要
求、均勻、緻密的1102陶瓷微球。焙燒、還原和燒結三個工藝在U02核芯的生產中被定義為幹 法工藝。幹法工藝的主要作用是乾燥後的凝膠球含有聚乙烯醇、甲基纖維素和四氫糠醇等 含碳氫化合物，焙燒的主要作用是通過加熱使這些碳氫化合物氧化，生成C02、 CO、 ftO蒸氣 等可逸出氣體。焙燒後微球的化學成分是UO,，為了得到U02微球，需要對其進行低溫還原，
而燒結的目的是使微球密實化、提高強度和輻照時對裂變產物的滯留阻擋能力。
在高溫氣冷堆燃料元件U02核芯的生產中，幹法工藝主要有以下幾種不同途徑:德國NUKEM 流程中(H. Huschka et al， IAEA-161, 37-47， Vienna(1974))，焙燒在馬弗爐中完成，通過 鼓風機向爐內通入空氣，煅燒溫度450。C;還原和燒結在分為4個溫區的推舟爐(連續爐)中 進行，前兩個溫區進行還原，最高溫度為70(TC，後兩個溫區進行燒結，最高溫度160(TC。 義大利專利No. 727301; No. 778786所描述的SNAM流程中，幹法工藝分別在兩個推舟爐中 進行焙燒在一個垂直移動床爐內進行，空氣氣氛，爐內溫度呈梯度分布，最高可用溫度為 700°C;還原燒結在高溫爐中進行，該高溫爐分為兩個溫區，分別進行還原和燒結，氣氛為4 %H2+96%Ar。在日本專利JP2006038764A和JP2006038793 A的描述中幹法工藝分兩步完成 在馬弗爐中進行焙燒，溫度400 600。C，空氣氣氛；還原和燒結在一臺高頻感應加熱爐中進 行，首先在H2下400 70(TC還原，然後在120(TC以上溫度進行燒結，氣氛為H2。南非工藝 中(AnneleenmUller, 3fd International Meeting on HTR)，焙燒在的馬弗爐中進行，400°C， 空氣氣氛；還原和燒結在鐘罩式電阻爐中進行，首先在450 65(TC還原，然後在1600°C燒 結，純ft氣氛。我國在10兆瓦高溫氣冷堆燃料元件生產期間，1]02核芯生產的幹法工藝中的 焙燒、還原和燒結分別在三臺爐子中進行。
為了保證核芯微球焙燒充分，還原完全，在焙燒和還原過程中微球在託盤或柑堝內都需 要儘可能單層排布。在以上所述的工藝中，NUKEM流程和SNAM流程中還原和燒結在推舟爐 中連續進行，適合於日產在100KgU微球的大規模連續生產，對日產要求在50KgU以下的生產
不利於節能降耗；日本和南非工藝中，還原和燒結在高溫爐中進行，由於還原時微球單層排 布，在一定容積的爐內裝料量少，因此造成燒結時生產效率低。其次，把還原和燒結放在一 臺爐內進行，在還原過程中由於氧化鈾的化學反應會產生數量可觀的水，對高溫燒結爐的發 熱材料、保溫材料在高溫下都有很大的浸蝕，爐子的壽命大大縮短，增大了生產成本。第三， 從焙燒爐出料後，微球需要重新布料裝料，增加工藝步驟。在我國io兆瓦高溫氣冷堆燃料元 件生產工藝中，由於使用三臺爐子分別獨立完成焙燒、還原和燒結，設備數量多；U02微球從 焙燒、還原到燒結完成，需要168小時，周期長，成本高，不適合規模化生產。因此本發明 提出一種新的幹法工藝，將焙燒和還原放在一臺爐內進行，燒結單獨進行。這樣可以減少工 藝時間，減少操作步驟，降低生產成本。

發明內容
本發明的目的在於為製備U02核芯微球提供一種新的幹法工藝，主要目標是減少微球的焙 燒、還原、燒結周期，降低生產成本，適於日產在4 50KgU的規模化生產；二是消除還原產 生的水汽對高溫燒結爐內鎢鉬發熱體、保溫材料的腐蝕破壞，提高爐子的使用壽命。
本發明將乾燥後微球的熱處理的三個過程分別在兩臺爐子裡完成，即在一臺低溫爐中完 成微球的焙燒和還原，然後再在一臺氣氛保護得高溫爐中完成微球的燒結。
一種製備高溫堆燃料元件U02核芯的方法，其過程是
1、 將經過陳化、洗滌和乾燥處理後的原料微球(成份是1103和有機物)鋪設於不鏽鋼託 盤中，鋪設厚度在0. 6 2ram;將託盤置於低溫爐中；
2、 利用空壓機在低溫爐中通入空氣，空氣流量80ml 200ml/min，開通水冷系統，然後 開始升溫焙燒，300T之前的升溫速度為每分鐘1 2T， 300之後的升溫速度為每分鐘5 10°C ，在450 550。C保溫1小時，尾氣經過濾處理後排入排風系統；
3、 焙燒完成之後，停止通入空氣，抽真空10 30分鐘，然後通入Ar洗爐20 40分鐘， 通入H2或H2鄉+Ar混合氣體，其流量調整為5 10ml/min。在這個過程中，爐子溫度維持在焙 燒過程中的最終保溫溫度(450 550°C);
4、 按照每分鐘5 1(TC的升溫速度進行還原。最高還原溫度為650 700°C，並保溫1 4 小時；保溫完成後關閉加熱電源，爐子水冷降溫；
當溫度降至50 70°C時，關閉H2氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出託盤； 取出還原後的微球裝入燒結用的坩堝中，將坩堝置於高溫燒結爐中；
5、 高溫燒結爐抽真空10 30分鐘，然後通入Ar洗爐20 40分鐘，通入H2或H24%+Ar 混合氣體，調整流量為2 10ml/min，開通水冷系統；
6、 對微球進行燒結，按照每分鐘5 1(TC的升溫速度進行燒結，最高燒結溫度為1400 1650°C，保溫時間1 4小時；保溫完成後關閉加熱電源，爐子水冷降溫；
7、當溫度降至50 9(TC時，關閉H2氣體通入Ar氣，降至室溫時關閉電源和冷卻水系 統，取出坩堝，即得到高溫堆燃料元件U02核芯產品。 所述低溫爐是鐘罩式或箱式爐低溫爐。 所述坩堝是A1A坩堝或金屬W或Mo坩堝盤。 所述高溫燒結爐是感應加熱爐或電阻爐。
在上述的幹法工藝中涉及的主要設備是一臺低溫爐和一臺高溫爐，輔助設備包括布料器、 不鏽鋼託盤、坩堝。
本發明的主要優點包括
(1) 將焙燒和還原合併到一臺爐子中完成，減少了一次冷卻和升溫過程，減少一次布料 工序，有效減少生產周期，降低了生產成本，適合規模化生產。
(2) 還原過程生成的水在低溫時(450 700°C)就可以排出爐外，由於低溫爐內不使用 鎢鉬發熱體和保溫材料，因此水汽不對低溫爐內材料造成腐蝕破壞，不降低爐子的使用壽命。
(3) 燒結過程微球可以不必單層鋪設，提高燒結裝料量從而提高生產效率。
具體實現方式
下面結合實施例進一步說明本發明。 實施例1:
製備高溫堆燃料元件U02核芯的方法，該方法包括以下步驟
1、 含5KgU的乾燥微球經布料器鋪設於圓形不鏽鋼託盤上，鋪設厚度lmm。託盤通過裝 料系統置於鐘罩式低溫燒結爐中。
2、 開啟冷卻水和壓縮空氣系統，調節空氣流量為100ml/min。啟動加熱電源，升溫制度 為從室溫以1 °C /分的升溫速率升至300 。C， 5 。C/分升溫到450°C，保溫2小時。
3、 關閉壓縮空氣，抽真空10分鐘，通入Ar洗爐40分鐘，通入Ar+4MH2，氣體流量為 5ml/min。 450 600 °C之間的升溫速度為6 "C/分，600 °C保溫1. 5小時；關閉加熱電源，低 溫爐水冷降溫；當溫度降至7(TC時，關閉H2氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取 出託盤。
4、 含15KgU的還原微球裝入剛玉(A1203)坩堝中，通過裝料系統置於高溫電阻爐中；
5、 高溫電阻爐抽真空IO分鐘，然後通入Ar洗爐20分鐘，通入H24M+Ar混合氣體，流 量為5ml/min，開通水冷系統；
6、 啟動加熱電源，以每分鐘6。C的升溫速度加熱至1500T，保溫2小時；保溫完成後關 閉加熱電源，爐子水冷降溫；
7、 當溫度降至8(TC時，關閉&氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出燒結 微球，即得到製備高溫堆燃料元件U02核芯。
實施例2:
製備高溫堆燃料元件U02核芯的方法，該方法包括以下步驟
1、 含7KgU的乾燥微球經布料器鋪設於圓形不鏽鋼託盤上，鋪設厚度2mm。託盤通過裝 料系統置於鐘罩式低溫燒結爐中。
2、 開啟冷卻水和壓縮空氣系統，調節空氣流量為80ml/min。啟動加熱電源，升溫制度 為從室溫以2 。C /分的升溫速率升至300 °C, 8 。C/分升溫到500°C，保溫1小時。
3、 關閉壓縮空氣，抽真空30分鐘，通入Ar洗爐20分鐘，通入Ar+4% H2，氣體流量為 10ml/min。每分鐘10°C的升溫速度加熱到700 °C，保溫3小時；關閉加熱電源，低溫爐水冷 降溫；當溫度降至6(TC時，關閉H2氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出託盤。
4、 含14KgU的還原微球裝入金屬鉬坩堝中，通過裝料系統置於高溫電阻爐中；
5、 高溫電阻爐抽真空30分鐘，然後通入Ar洗爐40分鐘，通入ft氣，流量為10ml/min, 開通水冷系統；
6、 啟動加熱電源，以每分鐘5°C的升溫速度加熱至14(XTC，保溫4小時；保溫完成後關 閉加熱電源，爐子水冷降溫；
7、 當溫度降至9(TC時，關閉ft氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出燒結 微球，即得到製備高溫堆燃料元件U02核芯。
實施例3:
製備高溫堆燃料元件U02核芯的方法，該方法包括以下步驟-
1、 含4KgU的乾燥微球經布料器鋪設於圓形不鏽鋼託盤上，鋪設厚度0.8mm。託盤通過 裝料系統置於鐘罩式低溫燒結爐中。
2、 開啟冷卻水和壓縮空氣系統，調節空氣流量為200ml/min。啟動加熱電源，升溫制度 為從室溫以1. 5 °C /分的升溫速率升至300 °C， 6 T/分升溫到550°C，保溫1小時。
3、 關閉壓縮空氣，抽真空20分鐘，通入Ar洗爐10分鐘，通入Ar+4% H2，氣體流量為 2ml/min。 550T保溫4小時；關閉加熱電源，低溫爐水冷降溫；當溫度降至50°C時，關閉 Hz氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出託盤。
4、 含12KgU的還原微球裝入金屬鉬坩堝中，通過裝料系統置於高溫電阻爐中；
5、 高溫電阻爐抽真空15分鐘，然後通入Ar洗爐20分鐘，通入H2氣，流量為10ml/min, 開通水冷系統；
6、 啟動加熱電源，以每分鐘10。C的升溫速度加熱至165(TC，保溫l小時；保溫完成後 關閉加熱電源，爐子水冷降溫；
7、 當溫度降至70T時，關閉H2氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出燒結 微球，即得到製備高溫堆燃料元件U02核芯。實施例4:
製備高溫堆燃料元件U02核芯的方法，該方法包括以下步驟
1、 含5KgU的乾燥微球經布料器鋪設於圓形不鏽鋼託盤上，鋪設厚度0.6mm。託盤通過 裝料系統置於鐘罩式低溫燒結爐中。
2、 開啟冷卻水和壓縮空氣系統，調節空氣流量為120ml/min。啟動加熱電源，升溫制度 為從室溫以2 °C /分的升溫速率升至300 。C， 10 T/分升溫到500°C，保溫1小時。
3、 關閉壓縮空氣，抽真空15分鐘，通入Ar洗爐15分鐘，通入Ar+4MH2，氣體流量為 7ml/min。每分鐘6°C的升溫速度加熱到650 °C，保溫2小時；關閉加熱電源，低溫爐水冷降 溫；當溫度降至50T時，關閉&氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出託盤。
4、 含5KgU的還原微球裝入金屬鉬坩堝中，通過裝料系統置於高溫電阻爐中；
5、 高溫電阻爐抽真空30分鐘，然後通入Ar洗爐20分鐘，通入H2氣，流量為2ml/min， 開通水冷系統；
6、 啟動加熱電源，以每分鐘7-C的升溫速度加熱至162(TC，保溫3小時；保溫完成後關 閉加熱電源，爐子水冷降溫；
7、 當溫度降至80。C時，關閉&氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出燒結 微球，即得到製備高溫堆燃料元件U02核芯。
實施例5:
製備高溫堆燃料元件U02核芯的方法，該方法包括以下步驟
1、 含6KgU的乾燥微球經布料器鋪設於圓形不鏽鋼託盤上，鋪設厚度1.4mm。託盤通過 裝料系統置於鐘罩式低溫燒結爐中。
2、 開啟冷卻水和壓縮空氣系統，調節空氣流量為150ml/min。啟動加熱電源，升溫制度 為從室溫以1 °C /分的升溫速率升至300 °C， 8 °(7分升溫到480°C，保溫1小時。
3、 關閉壓縮空氣，抽真空20分鐘，通入Ar洗爐30分鐘，通入Ar+4MH2，氣體流量為 10ml/min。每分鐘10°C的升溫速度加熱到680 °C，保溫3小時；關閉加熱電源，低溫爐水冷 降溫；當溫度降至50。C時，關閉H2氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出託盤。
4、 含6KgU的還原微球裝入金屬鉬坩堝中，通過裝料系統置於高溫電阻爐中；
5、 高溫電阻爐抽真空20分鐘，然後通入Ar洗爐20分鐘，通入H2氣，流量為7ml/min， 開通水冷系統；
6、 啟動加熱電源，以每分鐘6。C的升溫速度加熱至1600。C，保溫2.5小時；保溫完成後 關閉加熱電源，爐子水冷降溫；
7、 當溫度降至90T時，關閉H2氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出燒結 微球，即得到製備高溫堆燃料元件U02核芯。
權利要求
1、一種製備高溫堆燃料元件UO2核芯的方法，包括微球的焙燒、還原和燒結過程，其特徵在於，該方法步驟如下(1)將原料微球鋪設於不鏽鋼託盤中，鋪設厚度在0.6～2mm；將託盤置於低溫爐中；(2)在低溫爐中通入空氣，空氣流量80ml～200ml/min，開通水冷系統，然後開始升溫焙燒，300℃之前的升溫速度為每分鐘1～2℃，300℃之後的升溫速度為每分鐘5～10℃，在450～550℃保溫1小時；尾氣經過濾處理後排入排風系統；(3)停止通入空氣，低溫爐抽真空10～30分鐘，然後通入Ar洗爐20～40分鐘，通入H2或H24％+Ar混合氣體，其流量調整為5～10ml/min；在這個過程中，爐子溫度維持在溫度450～550℃；(4)按照每分鐘5～10℃的升溫速度進行還原反應，最高還原溫度為650～700℃，並保溫1～4小時；保溫完成後關閉加熱電源，爐子水冷降溫，當溫度降至50～70℃時，關閉H2氣，降至室溫時關閉電源、氣和冷卻水系統，取出託盤；取出還原後的微球裝入燒結用的坩堝中，將坩堝置於高溫燒結爐中；(5)高溫燒結爐抽真空10～30分鐘，然後通入Ar洗爐20～40分鐘，通入H2或H24％+Ar混合氣體，調整流量為2～10ml/min，開通水冷系統；(6)對微球進行燒結，按照每分鐘5～10℃的升溫速度進行燒結，最高燒結溫度為1400～1650℃，保溫時間1～4小時；保溫完成後關閉加熱電源，爐子水冷降溫；(7)當溫度降至50～90℃時，關閉H2氣體通入Ar氣，降至室溫時關閉電源和冷卻水系統，取出坩堝，即得到高溫堆燃料元件UO2核芯。
2、 根據權利要求1所述的一種製備高溫堆燃料元件U02核芯的方法，其特徵在於，所述 託盤是不鏽鋼託盤。
3、 根據權利要求1所述的一種製備高溫堆燃料元件U02核芯的方法，其特徵在於，所述 低溫爐是鐘罩式或箱式爐低溫爐。
4、 根據權利要求1所述的一種製備高溫堆燃料元件U02核芯的方法，其特徵在於，所述 坩堝是八1203坩堝或金屬W或Mo坩堝盤。
5、 根據權利要求1所述的一種製備高溫堆燃料元件1102核芯的方法，其特徵在於，所述 高溫燒結爐是感應加熱爐或電阻爐。
全文摘要
一種製備高溫堆燃料元件UO2核芯的方法，涉及UO2核芯原料微球的焙燒、還原和燒結過程，屬於反應堆核燃料元件製造方法技術領域。將原料微球鋪設於不鏽鋼託盤中置於低溫爐；在低溫爐中通入空氣升溫焙燒，在450～550℃保溫1小時；抽真空通入Ar洗爐；按照每分鐘5～10℃的升溫速度進行還原反應；取出還原後的微球裝入坩堝中置於洗爐後的高溫燒結爐中對微球進行燒結；降溫，關閉氣體，取出坩堝即得到製備的高溫堆燃料元件UO2核芯。低溫爐是鐘罩式或箱式爐低溫爐。本發明將焙燒和還原合併到一臺爐子中完成，減少了一次冷卻和升溫過程，減少一次布料工序，有效減少生產周期，延長爐子使用壽命，降低了生產成本，適合規模化生產。
文檔編號C01G43/025GK101172660SQ20071017579
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月12日 優先權日2007年10月12日
發明者梁彤祥, 趙興宇, 郝少昌, 郭文利 申請人:清華大學