浅析燃料芯块微观结构对芯块制造质量的影响

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1、浅析燃料芯块微观结构对芯块制造质量的影响【摘要】燃料芯块质量是导致燃料破损的原因之一。本文通过对芯块密度或孔隙率、孔隙结构和晶粒结构的分析，确定燃料芯块微观结构对燃料芯块质量的影响特征，以期核电厂燃料制造质量监督人员能够通过本文更有针对性的执行燃料芯块制造质量控制。【关键词】二氧化铀芯块；微观结构；芯块质量0前言核电站运行过程中，核燃料的裂变产物和吸收中子后形成的超铀元素，具有强放射性，存在潜在的危险。因此，在压水堆核电站的设计中采用了多道屏障的措施，以确保运行人员和周围居民的安全，并避免对环境的污染。第一道屏障是核燃料本身：压水

2、堆的核燃料是U02芯块，其熔点超过28M°C，发生裂变后，绝大部分产物仍是固体，98%以上的放射性物质仍保留在其中。第二道屏障是核燃料包壳：U02芯块密封在优质锆合金包壳管内组成核燃料单棒。确保将放射性物质包容在燃料包壳中。第三道屏障是压力边界：即使有少数燃料棒破损，泄漏的放射性物质仍停留在一回路压力边界内，不会排入环境。第四道屏障是安全壳：确保反应堆发生任何事故，一回路压力边界内泄漏出来的放射性物质能够被包容在安全壳内，不会逸出。由此可见，燃料芯块和燃料包壳作为核电站核安全的第一、二道屏障对核电站的安全运行起着十分重要的作用，然

3、而燃料组件在堆芯运行过程中往往会因各种原因造成燃料棒包壳的破损。曾经把压水堆燃料元件破损分为七类，而其中的三类（氢化、PCI、包壳坍塌）直接与二氧化铀燃料芯块的质量有关。为此英国核燃料有限公司（BNFL）提出了完美燃料芯块的概念，来确保芯块质量：1）开口孔率最少，以减少水和气体的吸附，避免锆合金包壳管的氢脆；2）尽量不使燃料芯块在堆内密实，以避免包壳坍塌和出现局部中子通量峰；3）有足够的孔隙空间容纳基体肿胀，减小包壳变形；4）尽量减少裂变气体释放，防止包壳内部超压。可以看出，所有这些条件都与U02芯块的微观结构有关。1二氧化铀芯块

4、的制造工艺1.1二氧化铀粉末压制成型U02粉末都要经过压制成型，才能制成满足燃料元件要求的芯块。压制成型工艺的目的是将松散的粉末压制成具有一定形状、尺寸、密度和强度的坯块，它的形状和尺寸应使其在烧结以后，与所要求的芯块的最终形状和尺寸接近，它的密度应达到可以使坯块容易烧结，坯块强度也应保证在随后的运送和操作中不致损坏。1示出了U02粉末在自动压机上冷压成型的步骤：装模、压制、脱模、推走坯块和重新装模。一定重量或一定体积的U02粉末装入膜腔，压机通过冲头对粉末施加压力，粉末在外力作用下嵌镶、啮合、形成一定尺寸、形状、密度和强度的坯块

5、，再从膜中取出坯块。U02粉末特性及压制条件对坯块质量有很大影响，包括密度分布，回弹量和强度。粉末压制过程中，因内、外摩擦力的影响会引起压制压力沿径向和轴向变化，造成坯块密度在轴向及径向分布不均匀，通常单向压制的坯块中，离施加压力的冲头越近的部位密度越高，远离的一端密度低；双向压制的坯块中，两端密度高，中间密度低。坯块的密度不均匀会造成烧结后芯块呈砂漏形或扭曲变形。为了提高坯块密度均匀性，一般从三个方面入手：（1）采用预压造粒来提高粉末的流动性，（2）粉末中添加润滑剂、模具内壁涂润滑剂、提高模具的硬度和表面光洁度来降低内外摩擦，（

6、3）提高压坯载荷。而最重要的途径是提高粉末的流动性和降低粉末摩擦。粉末颗粒在压制过程中产生弹性变形和塑性变形，在外力撤除后会一定程度的回弹量，坯块沿着轴向和径向膨胀。可在粉末中添加粘接剂和润滑剂，使坯块强度增加，从而减小回弹量。前者随压制压力增加，弹性后效增加。后者在压制压力作用下，易产生粉碎性断裂，颗粒啮合和镶嵌，强度增大，随着压制压力增加，弹性后效减小。坯块强度是坯块重要性能之一，坯块需经质量检查、运输和烧结等操作过程，必须具备一定的强度。粉末在压制过程中，粉末表面粗糙度愈高，压制后颗粒相互啮合就越紧，坯块强度愈高。1.2烧结

7、压制好的燃料坯块需经过烧结才能迗到具有足够高的密度、强度、合适的气孔分布及晶粒度、小的吸湿性和正比化学计量，从而有良好的辐照稳定性、化学稳定性和高的热导率。坯块的烧结是在氢气氛下进行的，烧结工艺如图2所示，主要分为三个阶段。第一阶段：发生在750°C以下，主要是活性U02粉末表面吸附的可挥发物质组分的清除和残留应力消除阶段。在这个温区内，水和吸附气体解析、挥发，过剩氧被还原成水蒸汽逸出，有机物经碳化后与氢气反应生成甲烷逸出，杂质氟也相继生成HF排出，改善颗粒间的接触，同时，坯块压制产生的残留应力逐渐松弛消除。第二阶段：温度在750

8、〜1300°C，U02坯块明显收缩，小孔隙迅速消除，坯块密度和强度随温度增加而增大。第三阶段：此阶段温度在1300°C以上，直到1700°C,烧结加快进行，坯块迅速收缩，颗粒接触面增大成界面，孔隙球化，晶粒长大，密度和强度增至最大。影响U02高温烧