IMDP芯块增材制造方法及IMDP芯块与流程

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种imdp芯块增材制造方法及imdp芯块。

背景技术：

imdp全称是inertmatrixdispersedpellet，中文名称为“惰性基弥散燃料芯块”。在结构上，imdp芯块包含燃料区和无燃料区，燃料区为triso颗粒弥撒在基体材料内形成，其中含有的triso颗粒作为核燃料，无燃料区全部由基体材料构成。

imdp芯块最主要特征是高安全性，triso颗粒和基体都具有高安全性。triso颗粒由核心和外包裹层构成，核心是uo2或其他裂变物质，外包裹层具有四层结构，由内至外分别为：疏松缓冲层、致密阻挡层、结构支撑密封层和润滑保护层。triso颗粒中，多层包裹结构有效阻挡裂变物质释放，其中疏松缓冲层具有极大的变形能力可以容纳核心的热膨胀和辐照肿胀。每层包裹层的热导率高，尤其在严重事故工况下，大幅降低核心熔化的风险。基体材料为化学性质稳定、耐腐蚀性能优良、力学性能优异的材料，从而进一步保障了高安全性。

现有imdp芯块的制备方法是粉末冶金方法，工艺流程长，制备工艺复杂。采用粉末冶金方法制备imdp芯块的流程如下：首先，triso颗粒经过“穿衣”工艺，表面涂敷一层基体材料；其次，分别采用基体材料分别制备无燃料区上下盖和无燃料区套筒；第三，压制“穿衣”完毕的triso颗粒形成燃料区素坯；第四，组装无燃料区和燃料区并采用热压烧结或者sps烧结方法完成制备。

然而，现有的imdp芯块的制备方法存在以下缺陷：

(1)、triso颗粒间的距离是随机的，分布没有规律，造成芯块间性能波动较大；

(2)、triso颗粒装载量受限，传统工艺中存在挤压工艺过程，triso颗粒“穿衣”层无法减薄，因此triso颗粒间的距离不能减小，而且无燃料区厚度也因为工艺加工方法所限制不能减小；

(3)、不能加工导角和碟形，不能有效缓解芯块的热应力变形。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种实现triso颗粒合理分布，稳定芯块性能的imdp芯块增材制造方法及该方法制得的imdp芯块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种imdp芯块增材制造方法，包括以下步骤：

s1、将基体原料放入三维打印机内；

s2、三维打印机的打印机头输出熔融状的基体原料，在打印平台上打印出具有一个或多个按设定距离排布的凹槽的基体单元；

s3、与所述三维打印机协同的机械臂将triso颗粒放到所述凹槽内；

重复执行步骤s2-s3多次，依次打印出的多个基体单元连接为一体，并与其上的所述triso颗粒形成芯块初体结构；

s4、所述打印机头再输出熔融状的基体原料，在所述芯块初体结构的顶部打印出覆盖层，将裸露在所述芯块初体结构顶部的triso颗粒覆盖，并与所述芯块初体结构连接形成整体的imdp芯块。

优选地，所述imdp芯块的相对两端周缘分别设有倒角。

优选地，所述imdp芯块的一端表面内凹，形成蝶形面。

优选地，步骤s2中，所述打印机头输出熔融状的基体原料，在打印平台上打印出具有多个按设定距离排布的凹槽的一层基体单元；

步骤s3中，所述机械臂一一将多个triso颗粒放到所述凹槽内；

重复执行步骤s2-s3多次，依次打印出的多个基体单元依次层叠连接；其中，后一个打印出的所述基体单元叠加在前一个打印出所述基体单元上并覆盖将前一个打印出所述基体单元上的triso颗粒覆盖。

优选地，步骤s2中，所述打印机头打印出的第一层基体单元的外周具有倒角。

优选地，步骤s4中，所述覆盖层的外周具有倒角；和/或，所述覆盖层的顶面内凹，形成蝶形面。

优选地，步骤s2中，所述打印机头输出熔融状的基体原料，在打印平台上打印出具有一个或多个按设定距离排布的凹槽的基体单元；

步骤s3中，所述机械臂将一个或多个triso颗粒一一放到所述凹槽内；

重复执行步骤s2-s3多次，依次打印出的多个基体单元分别从水平和纵向方向上连接为一体。

优选地，所述芯块初体结构的底部外周具有倒角。

优选地，步骤s4中，所述覆盖层的外周具有倒角；和/或，所述覆盖层的顶面内凹，形成蝶形面。

本发明还提供一种imdp芯块，采用以上任一项所述的imdp芯块增材制造方法制成。

本发明的imdp芯块增材制造方法，以三维打印方式制造imdp芯块，打印过程中可以根据设定在基体单元上打印出安放triso颗粒的凹槽，实现triso颗粒的合理分布，提高核物质的装载量，稳定芯块的性能。较于传统的烧结工艺耗费辅材及能源少，不使用可燃性气体，消除安全隐患，安全性高。

另外，三维打印的方式方便在芯块上制出倒角和碟形等各种结构，缓解燃料芯块的热应力变形，从而有效改善imdp芯块在反应堆正常运行工况下的热膨胀和辐照肿胀。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的imdp芯块增材制造方法的过程示意图；

图2是本发明一实施例的imdp芯块的纵向剖面图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的imdp芯块增材制造方法，可包括以下步骤：

s1、将基体原料放入三维打印机内。

基体原料可采用现有技术的imdp芯块基体的原料实现，例如sic、zrc等等。基体原料可以粉末或流质化状态装入三维打印机内。

s2、三维打印机的打印机头输出熔融状的基体原料，在打印平台上打印出具有一个或多个按设定距离排布的凹槽的基体单元。

s3、与三维打印机协同的机械臂将triso颗粒放到凹槽内。

其中，对于基体单元上凹槽排布的设定距离可以通过在三维打印机的控制终端上进行设定，同时根据设定距离也对机械臂的每一次放置triso颗粒的距离也对应设定。或者，控制终端中根据对凹槽排布的设定距离自动控制机械臂的每一次放置triso颗粒的距离。

重复执行步骤s2-s3多次，依次打印出的多个基体单元连接为一体，并与其上的triso颗粒形成芯块初体结构。

s4、打印机头再输出熔融状的基体原料，在芯块初体结构的顶部打印出覆盖层，将裸露在芯块初体结构顶部的triso颗粒覆盖，并与芯块初体结构连接形成整体的imdp芯块。

另外，通过设置，可以使得打印形的imdp芯块的相对两端周缘分别设有倒角；和/或，imdp芯块的一端表面内凹，形成蝶形面。倒角和蝶形面的设置可以缓解燃料芯块的热应力变形。

参考图1所示，在本发明一实施例的imdp芯块增材制造方法中，以层叠的方式制备芯块初体结构，具体如下：

在步骤s2中，三维打印机的打印机头输出熔融状的基体原料，在打印平台上打印出具有多个按设定距离排布的凹槽20的一层基体单元10。该第一层打印出的基体单元10作为芯块初体结构的底层；多个凹槽20排布在该基体单元10的顶面上。

另外，根据需要设定，打印出的第一层基体单元10的外周具有倒角11。

步骤s3中，通过与三维打印机协同的机械臂一一将多个triso颗粒30放到凹槽20内。即，一个凹槽20放置一颗triso颗粒30。

重复执行步骤s2-s3多次，依次打印出的多个基体单元10依次层叠连接。

其中，后一个打印出的基体单元10叠加在前一个打印出基体单元10上并覆盖将前一个打印出基体单元10上的triso颗粒30覆盖。例如，打印机头第二次打印出的基体单元10层叠在第一层的基体单元10上，并将该第一层的基体单元10上的triso颗粒30覆盖，且第二次打印出的基体单元10的表面也具有多个按设定距离排布的凹槽20，后续机械手动作将多个triso颗粒30放到凹槽20内。以此循环多次，直至获得所需高度或叠层数量的芯块初体结构。

步骤s4，在芯块初体结构的顶部打印出覆盖层40，将裸露在芯块初体结构顶部的triso颗粒覆盖，并与芯块初体结构连接形成整体的imdp芯块(如图1中最右侧图所示)。

根据需要设定，打印出的覆盖层40的外周具有倒角41。和/或，覆盖层40的顶面内凹，形成蝶形面。

在本发明另一实施例的imdp芯块增材制造方法中(未图示)，基体单元以“个”为单元连接形成芯块初体结构，具体如下：

在步骤s2中，三维打印机的打印机头输出熔融状的基体原料，在打印平台上打印出具有一个或多个按设定距离排布的凹槽的一基体单元。该打印出的基体单元作为芯块初体结构底层的部分；凹槽形成在该基体单元的顶面上。

步骤s3中，通过与三维打印机协同的机械臂将一个或多个triso颗粒一一放到凹槽内。即，一个凹槽放置一颗triso颗粒。

重复执行步骤s2-s3多次，依次打印出的多个基体单元分别从水平和纵向方向上连接为一体；triso颗粒也分别依次放置到每一基体单元的凹槽内。

具体地，作为一种实施方式，打印机头第一次打印出的基体单元可以作为芯块初体结构底层的任一部分(如边缘部分或者中间部分)。打印机头后一次打印出的基体单元可以水平连接在前一个打印出的基体单元的侧边，或者纵向连接在前一个打印出的基体单元的上方，以此循环多次，直至获得所需高度的芯块初体结构。根据基体单元的打印连接方式，使得芯块初体结构的形成可以是先水平生长再纵向生长，或者是先纵向生长再水平生长，或者是水平和纵向交错生长。

形成的芯块初体结构的底部外周可具有倒角。

步骤s4，在芯块初体结构的顶部打印出覆盖层，将裸露在芯块初体结构顶部的triso颗粒覆盖，并与芯块初体结构连接形成整体的imdp芯块。

根据需要设定，打印出的覆盖层的外周可具有倒角。和/或，覆盖层的顶面内凹，形成蝶形面。

如图2所示，本发明的imdp芯块增材制造方法制得的imdp芯块，可包括基体1以及分布在基体1内的triso颗粒30。triso颗粒30在基体1内按照一定规律如多层均匀分布，装载量高。

结合图1、2，基体1进一步可由多个基体单元10和覆盖层40复合连接形成。基体1中分布有triso颗粒30的中心柱体部形成燃料区，位于中心柱体部外圈的基体部分、底部和顶部(覆盖层40)形成非燃料区。

位于中心柱体部外圈的基体部分的非燃料区可以直接形成在打印出的对应位置的基体单元10中。或者，在打印形成芯块初体结构后，再在芯块初体结构的外周打印一层基体层，以形成非燃料区。

综上，本发明的imdp芯块增材制造方法，较于传统烧结制造芯块的工艺，所需设备简单且所需辅助材料少，不需使用可燃性辅助气体，耗费能源少，且消除可燃性气体带来的安全隐患，从而操作安全性高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。