专利名称：一种陶瓷基中子吸收球及制备方法
技术领域：
本发明涉及核反应堆技术领域，尤其涉及一种陶瓷基中子吸收球及制备方法。
背景技术：
作为清洁的、安全、环保的能源，核能发电对于缓解世界及各国能源安全和全球气候变化问题都具有重要意义。虽然经过了美国三哩岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故挫折，人们仍然在积极开发更安全、经济性更好的核能发电技术。目前，第三代核电技术已经基本成熟。正在研发的第四代核能系统中，高温气冷堆可以实现很高的出口温度，具有高发电效率和高品位热供应能力，引起人们广泛关注。高温气冷堆采用陶瓷型包覆颗粒燃料元件，氦气作为冷却剂，石墨作慢化剂，堆芯出口温度可以达到700°C，直至950 1000°C。高温气冷堆是一种安全性能好的堆型，这是由于1)优异的燃料元件性能；2)石墨堆芯的热容量大；3)全范围的负反应性温度系数； 4)氦冷却剂为惰性气体，化学稳定性好，不会发生相变。吸收球停堆系统是高温气冷堆的第二停堆系统，在高温气冷堆运行过程中与控制棒系统配合，起到停堆与调节运行功率的作用。其工作原理是，在正常停堆或者紧急停堆时，吸收球落入反应堆的吸收球孔道，利用碳化硼中IOB的吸收中子特性，吸收中子进而阻止反应堆的链式反应，实现反应堆的停堆；当反应堆需要启动时，吸收球通过气体输送到反应堆顶部的贮球罐内，使之处于备用状态。根据吸收球的使用工况，要求吸收球有很好的耐磨损性能和抗热震性能，同时与石墨孔道间有良好的匹配性，但是传统中子吸收球的强度、硬度，耐磨损性能较差。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的是提供一种高强度和硬度，耐磨性能好、工艺简单的中子吸收球及其制备方法。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提出了一种陶瓷基中子吸收球，该中子吸收球的组成包括陶瓷基体、烧结助剂和中子吸收剂；陶瓷基体质量百分比为50% 95%，中子吸收剂质量百分比为5% 50%。其中，陶瓷基体材料为碳化硅；烧结助剂为氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硼、硼中的一种，或者将硼与碳一起加入；烧结助剂加入量在中子吸收球中质量百分比的0.01% 15%。其中，陶瓷基体材料为氮化硅；烧结助剂为氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化钇、氧化镧、氮化铝、氮化镁中的一种或多种混合，烧结助剂加入量在中子吸收球中质量百分比的 0. 5% 25%。
其中，中子吸收剂为碳化硼，碳化硼在中子吸收球中质量百分比为5% 50%。上述陶瓷基中子吸收球的的制备方法，包括以下工艺步骤Si、混料，将陶瓷基体粉体、碳化硼粉、相应的烧结助剂及酒精或者水一起混合，混合时间为0. 5 48h ；S2、造粒；S3、成型，将粉料压制成球形坯体；S4、烧结，在保护气氛下对S3步骤中的球形坯体进行烧结，烧结温度为 1650-2100°C ；S5、机械加工，将烧结后的球体经过机械加工，加工成球形度好、尺寸符合要求的球体，清洗干燥后即为成品。其中，工艺步骤S2为用喷雾造粒机造对混合原料进行造粒，造粒后粒径为 30-800 μm0其中，工艺步骤S3为使用静压成型方法将粉料压制成球形坯体，成型压力为 100 450MPa。其中，工艺步骤S4中的烧结工艺与陶瓷基体材料有关以碳化硅为陶瓷基体材料的中子吸收球烧结温度为1720-2100°C ；以氮化硅为陶瓷基体材料的中子吸收球烧结温度为1650-1860°C ；烧结时保护气氛为氮气、惰性气体或者氮气与惰性气体的任意比例混合气体。其中，包括工艺步骤S5 机械加工，将烧结后的球体经过机械加工，加工成球形度好、尺寸符合要求的球体，清洗干燥后即为成品。(三)有益效果本发明的陶瓷基中子吸收球及制备方法具有以下有益效果1)将碳化硼与陶瓷材料在混料过程均勻混合，解决中子吸收球碳化硼与陶瓷基体的相容性问题。2)采用陶瓷基体的中子吸收球与石墨基体中子吸收球对比，可以提高吸收球的强度与硬度，由于有较好的强度与硬度可减少表面包覆处理工艺环节，降低吸收球生产的成本。3)该工艺路线完全可以采用现有的陶瓷的设备条件，无需专门购置或者加工专用设备，容易组织生产。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1 本实施例中子吸收球的陶瓷基体材料是氮化硅，其制作工艺步骤包括Si、按照氮化硅碳化硼氧化钇氧化铝=70 18 6 6 (质量比)称取粉体，加入酒精后在球磨机中混合48小时，制备成均勻的浆料。S2、将浆料用喷雾造粒机进行喷雾造粒，制备出粒径为50 μ m,流动性良好的球形颗粒粉体。
S3、将粉体装入模具中进行等静压成型，成型压力250MPa。S4、将成型后的毛坯球进行高温烧结，烧结温度为1800°C，烧结气氛为氮气保护。S5、将烧结后样品按吸收球规格要求进行机加工处理，清洗后即得到氮化硅基中子吸收球。所制备氮化硅基中子吸收球抗压强度为150MPa，洛氏硬度60。本实施例中陶瓷基体材料为氮化硅，烧结助剂为氧化钇和氧化铝，中子吸收剂为碳化硼。本实施例中工艺参数可以在本发明公开的范围内进行调整，例如烧结助剂可以选择氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化钇、氧化镧、氮化铝、氮化镁中的一种或多种混合，或者将硼与碳一起加入；在球磨机中进行混合的时间可以为0. 5小时、10小时、24小时、36小时等； 静压成型压力可以是100MPa、200MPa、400MPa、450MPa等；烧结温度也可以在1650_1860°C 范围内选择等等。实施例2 本实施例中子吸收球的陶瓷基体材料是碳化硅，其制作工艺步骤包括Si、按照碳化硅碳化硼硼粉石墨粉=75 15 8 2(质量比)称取粉体， 并一起加入水，在球磨机中混合36小时，制备成均勻的浆料。S2、将浆料用喷雾造粒机进行喷雾造粒，制备出粒径为50 μ m,流动性良好的球形颗粒粉体。S3、将粉体装入模具中进行等静压成型，成型压力200MPa。S4、将成型后的毛坯球进行高温烧结，烧结温度为1900°C，烧结气氛为氩气保护。S5、将烧结后样品按吸收球规格要求进行机加工处理，清洗后即得到碳化硅基中子吸收球。所制备碳化硅基中子吸收球抗压强度200MPa，洛氏硬度70。本实施例中陶瓷基体材料为碳化硅，烧结助剂为硼粉石墨粉，中子吸收剂为碳化硼。和实施例1类似，本实施例中工艺参数也可以在本发明公开的范围内进行调整。例如，烧结助剂还可以选择氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硼、硼中的一种；烧结温度在 1720-2100°C范围内选择等等。以上实施例步骤S2造粒后粒径大小对后期工艺及机械加工步骤有影响，所以应尽量使造粒后粒径处于30-800 μ m范围内。以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种陶瓷基中子吸收球，其特征在于，其组成包括陶瓷基体、烧结助剂和中子吸收剂；所述陶瓷基体材料为碳化硅或氮化硅，陶瓷基体在中子吸收球中质量百分比为50% 95%。
2.如权利要求1所述的陶瓷基中子吸收球，其特征在于，所述陶瓷基体材料为碳化硅； 烧结助剂为氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硼、硼中的一种，或者将硼与碳一起加入；烧结助剂加入量在中子吸收球中质量百分比的0.01% 15%。
3.如权利要求1所述的陶瓷基中子吸收球，其特征在于，所述陶瓷基体材料为氮化硅； 烧结助剂为氧化镁、氧化铝、氧化钛、氧化钇、氧化镧、氮化铝、氮化镁中的一种或多种混合， 烧结助剂加入量在中子吸收球中质量百分比的0. 5% 25%。
4.如权利要求1-3任意一项所述的陶瓷基中子吸收球，其特征在于，所述中子吸收剂为碳化硼，碳化硼在中子吸收球中质量百分比为5% 50%。
5.一种陶瓷基中子吸收球的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤51、混料，将陶瓷基体粉体、碳化硼粉、相应的烧结助剂及酒精或者水一起混合，混合时间为0. 5 48h ；52、造粒；53、成型，将粉料压制成球形坯体；54、烧结，在保护气氛下对S3步骤中的球形坯体进行烧结，烧结温度为1650-2100°C；55、机械加工，将烧结后的球体经过机械加工，加工成球形度好、尺寸符合要求的球体， 清洗干燥后即为成品。
6.如权利要求5所述的陶瓷基中子吸收球的制备方法，其特征在于，所述工艺步骤S2 为用喷雾造粒机造对混合原料进行造粒，造粒后粒径为30-800 μ m。
7.如权利要求5所述的陶瓷基中子吸收球的制备方法，其特征在于，所述工艺步骤S3 为使用静压成型方法将粉料压制成球形坯体，成型压力为100 450MPa。
8.如权利要求5所述的陶瓷基中子吸收球的制备方法，其特征在于，所述工艺步骤S4 中的烧结工艺与陶瓷基体材料有关以碳化硅为陶瓷基体材料的中子吸收球烧结温度为 1720-2100°C ；以氮化硅为陶瓷基体材料的中子吸收球烧结温度为1650-1860°C ；烧结时保护气氛为氮气、惰性气体或者氮气与惰性气体的任意比例混合气体。
9.如权利要求2所述的陶瓷基中子吸收球的制备方法，其特征在于，还包括工艺步骤 S5 机械加工，将烧结后的球体经过机械加工，加工成球形度好、尺寸符合要求的球体，清洗干燥后即为成品。
全文摘要
本发明涉及核反应堆技术领域，尤其涉及一种陶瓷基中子吸收球及制备方法。本发明的中子吸收球以碳化硅或氮化硅为陶瓷基体，以碳化硼为中子吸收剂，加入烧结助剂后，通过混料、造粒、成型、烧结、机械加工五个工艺步骤制备。本发明的陶瓷基中子吸收球以抗热震性能良好的陶瓷材料作为基体，强度、硬度与耐磨损性能大大提高，采用一般陶瓷生产工艺，技术成熟、工艺简单，更节约成本。
文档编号C04B35/63GK102432295SQ20111023123
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者林旭平, 艾德生, 谭威, 邓长生, 马景陶, 黄志勇 申请人:清华大学