高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法及石墨粉的制作方法

文档序号:10640997阅读:774来源:国知局
高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法及石墨粉的制作方法
【专利摘要】本发明公开了高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法及石墨粉,其中,制备方法具体为磨粉、整形及分级处理、以及高温提纯步骤,通过该方法制备而成的石墨粉进行核燃料元件工艺试验时,由于石墨粉都是圆形或椭圆形的形状,且粒度大小分布合理,压制而成的核燃料元件,内部不会因为搭桥现象形成孔洞,燃料颗粒的密度大,强度高,稳定性好,在反应堆中的使用寿命长。
【专利说明】
高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法及石墨粉
技术领域
[0001] 本发明公开涉及石墨制备的技术领域,尤其涉及一种高温气冷堆核燃料元件用天 然石墨粉的制备方法及石墨粉。
【背景技术】
[0002] 高温气冷堆是清华大学通过自主研发并成功建设的第四代核反应堆,具有完全自 主知识产权。高温气冷堆是第四代高效、安全核反应堆的标志堆型,以"全陶瓷"型包覆颗粒 燃料球为燃料元件,以石墨作为慢化剂和堆芯结构材料,以氦气作为冷却剂,具有良好的固 有安全性。
[0003] 我国在建的山东华能石岛湾核电站,总装机量为1000万KW,其中高温气冷堆400万 KW,这也标志着第四代高温气冷堆正式进入商业化。
[0004] 高温气冷堆核燃料元件生产方法是:燃料铀经碳化硅包覆后(Imm左右),均匀分散 在石墨基体中,制成直径60mm的"石墨球",称为核燃料元件。
[0005] 石墨基体材料,主要由人造石墨粉和天然石墨粉通过酚醛数据粘结而成,在核燃 料元件中,其重量占比达90%以上,是核燃料元件生产制造过程中的核心材料之一。
[0006] 由于进入核反应堆中的任何材料都有非常苛刻的条件,以往方法制备的天然石墨 粉无法满足核反应堆的要求,因此,如何研发一种适用于高温气冷堆的天然石墨粉制备方 法,成为人们亟待解决的问题。

【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于公开提供一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方 法及石墨粉。
[0008] 本发明提供的技术方案,具体为,一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制 备方法,其特征在于,包括如下步骤:
[0009] 1)磨粉:将鳞片石墨放入气流磨粉机内进行破碎磨粉,得粉体,其中,所述粉体的 平均粒径为30~40μπι;
[0010] 2)整形及分级处理:将所述粉体放入整形设备中,去掉毛刺菱角,整形12~15分钟 后,通过旋风分级,去除粒径多160μπι以及粒径小于5μπι的粉体,得粒径均匀粉体,其中,按重 量计,所述粒径均匀粉体的粒度分布为粒径< 160μπι的粉体含量为100 %,粒径< 32μπι的粉 体含量为75~85 %;
[0011] 3)高温提纯:将所述粒径均匀粉体放入坩埚中,经密封处理后,放入高温提纯炉内 进行升温提纯,当所述高温提纯炉的炉温达到2000°C时,向所述高温提纯炉内通入氯气,当 所述高温提纯炉的炉温达到2450Γ时,向所述高温提纯炉内通入氟利昂,当所述高温提纯 炉的炉温达到2700°C后,高温处理24~36小时,制得石墨粉成品。
[0012] 优选,所述步骤1)中鳞片石墨的挥发分含量>0.3%,真密度多2.24g/cm3、水份含 量<0.3%、灰分含量<0.5%、固定碳含量彡99%,粒径为100~200μπι。
[0013]进一步优选,所述步骤3)中氯气的通入量为:每吨粒度均勾粉体中通入30~35kg 的氯气。
[0014] 进一步优选,所述步骤3)中氟利昂的通入量为:每吨粒度均匀粉体中通入15~ 20kg的氟利昂。
[0015] 本发明还提供了一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉,其特征在于,所述石 墨粉按照上述任意一种制备方法制备而成,其中,所述石墨的平均粒径为30~40μηι,粒径分 布为粒径小于160μπι含量100%、粒径小于32μπι含量75~85%,总硼当量<lppm、水份含量彡 0 · 05%、总灰分<50ppm、比表面为5~6m2/g、真密度永2 · 24g/cm3、松装密度· 50g/cm3。
[0016] 本发明提供的高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法,依次进行磨粉、 整形及分级处理、以及高温提纯步骤,其中,在磨粉步骤中采用气流磨粉机进行磨粉,磨得 的粉体平均粒径为30~40μπι,磨粉步骤后又进行了整形及分级处理步骤,去掉粉体的毛刺 菱角,使粉体的形状都是接近圆形或椭圆形的,然后进行了旋风分级,去掉了较大颗粒和微 细颗粒,这样整个粉体粒度分布更加均匀,松装密度更大,在高温提纯步骤中注入了氯气和 氟利昂,两种气体的注入一方面降低产品的总灰分,使产品总灰分小于50ppm,提高产品的 抗腐蚀性能和抗辐射性性能,另一方面用于吸收硼元素,使总硼当量小于lppm,由于硼元素 在核反应堆中会大量吸收中子,导致反应链停止,因此要降低石墨中的总硼当量,经过上述 步骤处理后的石墨粉,使用其进行核燃料元件工艺试验时,由于石墨粉都是圆形或椭圆形 的形状,且粒度大小分布合理,压制而成的核燃料元件,内部不会因为搭桥现象形成孔洞, 燃料颗粒的密度大,强度高,稳定性好,在反应堆中的使用寿命长。
【附图说明】
[0017] 此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本发明的实施 例,并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而 言,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019] 图1为本发明公开实施例提供的一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备 方法中步骤1)中磨粉前鳞片石墨的扫描电镜图;
[0020] 图2为本发明公开实施例提供的一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备 方法中步骤2)中整形前粉体的扫描电镜图;
[0021] 图3为本发明公开实施例提供的一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备 方法中步骤2)中整形后粉体的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合具体的实施方案对本发明进行进一步的详细说明,但并不用于限制本发 明的保护范围。
[0023]为了解决以往使用传统方法制备的天然石墨粉进行核燃料元件工艺试验时,存在 燃料元件焙烧过程中开裂,抗压强度不够,抗腐蚀性差,耐磨性差等问题,本实施方案提供 了一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法,具体的制备过程如下:
[0024] 1)磨粉:将鳞片石墨放入气流磨粉机内进行破碎磨粉,得粉体,其中,所述粉体的 平均粒径为30~40μπι ;
[0025] 2)整形及分级处理:将所述粉体放入整形设备中,去掉毛刺菱角,整形12~15分钟 后,通过旋风分级,去除粒径多160μπι以及粒径小于5μπι的粉体,得粒径均匀粉体,其中,按重 量计,所述粒径均匀粉体的粒度分布为粒径< 160μπι的粉体含量为100 %,粒径< 32μπι的粉 体含量为75~85 %;
[0026] 3)高温提纯:将所述粒径均匀粉体放入坩埚中,经密封处理后,放入高温提纯炉内 进行升温提纯,当所述高温提纯炉的炉温达到2000°C时,向所述高温提纯炉内通入氯气,当 所述高温提纯炉的炉温达到2450Γ时,向所述高温提纯炉内通入氟利昂,当所述高温提纯 炉的炉温达到2700°C后,高温处理24~36小时,制得石墨粉成品。
[0027]其中,在步骤1)的磨粉过程中,采用气流磨粉机进行破碎磨粉,可提高粉体的破碎 程度,降低粉体的平均粒径,减少杂质的参入,然后配合步骤2)中的整形及分级处理,将粉 体中的毛刺菱角均去除,使粉体呈圆形或椭圆形,其中,磨粉前的鳞片石墨以及整形前和整 形后粉体的扫描电镜图可分别参见图1、图2和图3,然后再将整形后的粉体进行旋风分级, 去掉大粒径粉体和小粒径粉体,提高整个粉体粒度分布的均匀性,其中粒径小于160μπι的粉 体含量为100%,粒径小于32μπι的粉体含量为75~80 %,增大松装密度,在进行核燃料元件 工艺试验时,压制而成的核燃料元件内部不会因为搭桥现象形成孔洞,燃料颗粒的密度大, 强度高,稳定性好,在反应堆中的使用寿命长。
[0028] 而步骤3)的高温提纯过程中,在炉温达到2000°C时通入氯气,在炉温达到2450°C 时通入氟利昂,其中,氟利昂的通入主要作用在于降低石墨粉中的总硼当量。
[0029] 为了提高本实施方案中制得的石墨粉成品的性能,在鳞片石墨的原料选择中,优 选,鳞片石墨的挥发分含量>0.3%,真密度多2.24g/cm 3、水份含量<0.3%、灰分含量< 〇. 5 %、固定碳含量多99%,粒径为100~200μπι。其中,真密度是石墨粉质量的保证,石墨粉 的真密度极限值是2.265g/cm 3,即石墨化度100%,这是不可能达到的,因此本实施方案中 选用真密度大于等于2.24-个比较高的指标;灰分和固定碳,是为了保证后期纯化处理,因 为灰分越低,固定碳越高,杂质含量越少,后期处理越容易;而粒度主要为了方便磨粉,粒度 太细,太粗,分布太广,后期磨粉处理难度会增大。
[0030] 步骤3)中氯气的通入量为:每吨粒度均匀粉体中通入30~35kg的氯气;氟利昂的 通入量为:每吨粒度均匀粉体中通入15~20kg的氟利昂。其中,氯气和氟利昂的作用在于: 1、 降低产品的总灰分,使产品总灰分小于50ppm,提高产品的抗腐蚀性能和抗福射性性能; 2、 吸收硼元素,使总硼当量小于lppm,因为硼元素在核反应堆中会大量吸收中子,导致反应 链停止,因此要降低石墨中的总硼当量。
[0031] 本实施方案提供了一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉,该石墨粉是按照上 述任意一种制备方法制备而成,其中,所述石墨的平均粒径为30~40μηι,粒径分布为粒径小 于160μπι含量100%、粒径小于32μπι含量75~85%,总硼当量<lppm、水份含量彡0.05%、总 灰分< 50ppm、比表面为5~6m2/g、真密度永2 · 24g/cm3、松装密度为^ 0 · 50g/cm3。
[0032] 以上实施例中,如果未特殊指明,所述的含量均为重量含量。
[0033] 下面以具体的实施例以及对比例进行比较,更近一步地对本发明进行解释说明。 [0034] 实施例1:
[0035] -种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法,具体的制备过程如下:
[0036] 1)磨粉:将鳞片石墨放入气流磨粉机内进行破碎磨粉,得粉体,其中,所述粉体的 平均粒径为30~40μπι,其中,鳞片石墨的挥发分含量>0.3%,真密度多2.24g/cm 3、水份含 量<0.3%、灰分含量<0.5%、固定碳含量多99%,粒径为100~200μπι ;
[0037] 2)整形及分级处理:将粉体放入整形设备中,去掉毛刺菱角,整形12~15分钟后, 通过旋风分级,去除粒径^ 160μηι以及粒径小于5μηι的粉体,得粒径均勾粉体,其中,按重量 计,所述粒径均匀粉体的粒度分布为粒径< 160μπι的粉体含量为100%,粒径均匀粉体中粒 径<32μπι的粉体含量为75~85% ;
[0038] 3)高温提纯:将粒径均匀粉体放入石墨坩埚中,经密封处理后,放入高温提纯炉内 进行升温提纯,当高温提纯炉的炉温达到2000°C时,向高温提纯炉内通入氯气,其通入为每 吨粒度均匀粉体中通入30~35kg的氯气,当高温提纯炉的炉温达到2450 °C时,向高温提纯 炉内通入氟利昂,其通入量为每吨粒度均匀粉体中通入15~20kg的氟利昂,当高温提纯炉 的炉温达到2700°C后,高温处理24~36小时,制得石墨粉成品。
[0039] 对比例1
[0040] 本对比例与实施例1的不同之处在于:在步骤1)的磨粉步骤中,将粉体的平均粒径 控制在25~29μπι,同时步骤2)中整形及分级处理后粉体粒径分布为粒径<32μπι的粉体含量 为90~95 %,高温提纯步骤与实施例1 一致。
[0041 ] 对比例2
[0042]本对比例与实施例1不同之处在于:未进行步骤2)中的整形及分级处理,其他的磨 粉以及高温提纯步骤均一致。
[0043] 对比例3
[0044] 本对比例与实施例1的不同之处在于:步骤3)中的高温纯化步骤为纯化过程中不 通入氯气和氟利昂,直接升温到2700Γ左右,然后降温得到产品,其他的磨粉以及整形及分 级处理步骤均一致。
[0045] 实施例2
[0046] 将实施例1、对比例1、对比例2以及对比例3中的石墨粉进行性能检测,具体见表1。
[0047] 表1:
[0049]其中,表1中字体加粗部分表示指标异常,因为天然石墨粉制备方法中减少或者改 变一个制备步骤后,天然石墨粉的性能指标出现了改变。
[0050] 实施例3
[0051] 分别使用实施例1、对比例1、对比例2、对比例3中的天然石墨粉,按照核燃料元件 的生产方法,加入相同的人造石墨粉和酚醛树脂(人造石墨粉和酚醛树脂均能达到核纯级 别),经过捏合,造粒,干燥,磨粉和均匀化,得到用于生产核燃料球的基体粉,最后加入铀燃 料颗粒进行压球工艺检测,最后对所生产的核燃料元件进行检测,具体检测结果见表2。
[0052] 表 2
LUUMj 共中,表2中子体加柑部分表不指称丼芾,凶为大然妇墨粉制爸万'/云中減少现有改 变一个制备步骤后,导致生产的核燃料元件性能指标出现了改变,不符合高温气冷堆核燃 料元件的要求。
[0055]本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本发明的其 它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或 者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识 或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本发明的真正范围和精神由下面的 权利要求指出。
【主权项】
1. 一种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法,其特征在于,包括如下步骤: 1) 磨粉:将鳞片石墨放入气流磨粉机内进行破碎磨粉,得粉体,其中,所述粉体的平均 粒径为30~40μηι; 2) 整形及分级处理:将所述粉体放入整形设备中,去掉毛刺菱角,整形12~15分钟后, 通过旋风分级,去除粒径多160μηι以及粒径小于5μηι的粉体,得粒径均勾粉体,其中,按重量 计,所述粒径均匀粉体的粒度分布为粒径< 160μπι的粉体含量为100%,粒径<32μπι的粉体 含量为75~85%; 3) 高温提纯:将所述粒径均匀粉体放入坩埚中,经密封处理后,放入高温提纯炉内进行 升温提纯,当所述高温提纯炉的炉温达到2000°C时,向所述高温提纯炉内通入氯气,当所述 高温提纯炉的炉温达到2450Γ时,向所述高温提纯炉内通入氟利昂,当所述高温提纯炉的 炉温达到2700°C后,高温处理24~36小时,制得石墨粉成品。2. 根据权利要求1所述高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法,其特征在于, 所述步骤1)中鳞片石墨的挥发分含量>0.3%,真密度多2.24g/cm 3、水份含量<0.3%、灰 分含量<0.5%、固定碳含量彡99%,粒径为100~200μπι。3. 根据权利要求1所述高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法,其特征在于, 所述步骤3)中氯气的通入量为:每吨粒度均勾粉体中通入30~35kg的氯气。4. 根据权利要求1所述高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉的制备方法,其特征在于, 所述步骤3)中氟利昂的通入量为:每吨粒度均匀粉体中通入15~20kg的氟利昂。5. -种高温气冷堆核燃料元件用天然石墨粉,其特征在于,所述石墨粉按照上述权利 要求1~4中任意一种制备方法制备而成,其中,所述石墨的平均粒径为30~40μηι,粒径分布 为粒径小于160μπι含量100%、粒径小于32μπι含量75~85%,总硼当量<lppm、水份含量彡 0 · 05%、总灰分<50ppm、比表面为5~6m2/g、真密度永2 · 24g/cm3、松装密度多0 · 50g/cm3。
【文档编号】G21C3/42GK106006622SQ201610420471
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】国俊华, 温长英, 周强
【申请人】辽宁大化国瑞新材料有限公司
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