一种采用铀钼粉末制成燃料芯块的方法与流程

235富集到7％的铀钼芯块，使铀含量增加、核反应堆堆芯中积累的热量减少且在违反核反应堆正常运行条件的情况下减少能量释放，这将提高其安全性和应急稳定性。
11.根据第一种方案的技术结果按用于核反应堆的燃料元件的铀钼粉末制成燃料芯块的方法而实现的，该方法包括：粉末的制备、将芯块压制在模具中、将其烧结在气体介质中、研磨、干燥、剔出废品，此外，芯块的烧结在惰性环境中进行，并且作为初始粉末使用铀-235富集到7％、钼含量为9.0至10.5wt.％的铀钼粉末。
12.铀钼粉末的粒度不超过160微米。芯块压入模具中之前，将铀钼粉末在氩气氛中以500℃的温度加热10-20小时。芯块以高达950mpa的压力压制在模具中。芯块在1100℃-1155℃氩气中烧结4-12小时。
13.根据第二种方案的技术结果按用于核反应堆的燃料元件的铀钼粉末制成燃料芯块的方法而实现的，该方法包括：粉末的制备，按阶段与粘合剂的混合，在模具中压制芯块，粘合剂的热去除，在气体介质中烧结芯块，研磨，干燥，剔出废品，芯块的烧结在惰性介质进行的，作为初始粉末使用铀-235富集到7％、钼含量为9.0～10.5wt.％的铀钼粉末。铀钼粉末的粒度不超过160微米。将芯块以高达950mpa的压力压入模具中。将芯块在300℃至450℃氩气介质中加热2-4小时来进行粘合剂的热去除。
14.芯块在1100℃
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1155℃的氩气介质中烧结4
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12小时。
15.这种用铀钼金属粉末制成用于核反应堆燃料元件的燃料芯块的制造法可使得制备富集到7％的铀-235、钼含量在9.0-10.5wt.％、芯块密度不低于15.7g/cm3的铀钼芯块(超过理论密度的90％)。与使用的二氧化铀燃料和使用低浓缩铀-235相比，由于铀钼燃料的导热性增加，以铀钼芯块为燃料的核反应堆的效率提高，因为铀钼芯块的密度大于二氧化铀芯块密度1.5倍。由于与二氧化铀的密度相比铀钼合金的密度更高(钼含量在9.0-10.5wt.％)，核反应堆的按铀质量更高的装料量使得增加反应堆内的燃料组件运行循环时间，并无需增加燃料浓缩度。二氧化铀按铀的密度为9.7g/cm3，而铀钼合金(钼含量在9.0-10.5wt％)按铀的密度约为15.75g/cm3。因此，在反应堆的铀钼燃料相同装料量的情况下，裂变组分的数量增加并达到约60％。
16.已知[v.v.kalashnikov，v.v.titov，g.ya。sergeev，a.g.samoilov。“反应堆建筑中的铀钼合金”，原子能杂志，第5卷，第4期，1958年10月，第422页]在350-5500c温度下释放u-mo合成中的γ相时，γ相将转变为α铀和金属间化合物u2mo(γ'相)的共析混合物。但是，这种过程是缓慢的。在500℃的温度下将初始粉末在真空中保持10至20小时时，发生相的部分分离，形成γ相，以及α相和γ'相的共析混合物。使用一种为共析相混合物的粉末，让在较低的压力下(低于950mpa)获得坚固的“原始”芯块。在高于1100℃的温度下此类压块(芯块)的随后烧结，使共析完全再转变为γ状态。
[0017]
将钼含量为9.0至10.5wt.％的初始铀钼金属粉末在500℃温度的惰性气体介质中保持10至20小时可获得最佳结果，因为以铀γ相形式的初始金属粉末受到相的部分分解，分解至γ相及共析混合物的α相和γ'相，因此，可以获得具有高达950mpa压力的坚固的“原始”芯块。
[0018]
将初始铀钼粉末中的钼含量降低到低于9.0wt.％使得增加烧结的铀钼芯块的密度(在钼含量为零，可达到低于19.05g/cm3)，初始铀钼粉末中的钼含量增加10.5wt.％以上导致芯块密度的下降，而用于核反应堆的燃料芯块制备技术要求禁止这样做。
[0019]
将烧结温度提高到1155℃以上会导致铀钼芯块的熔化，而低于1100℃的温度则无法制备没有内部孔隙的芯块。同时，芯块的密度仍然很低，仅为13
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14g/cm3。
[0020]
在1100℃至1155℃的烧结温度下(在惰性气氛中)4至12小时内，钼含量为9.0至10.5wt.％的铀钼芯块获得了最佳结果。
[0021]
所开发的方法使得从用于核反应堆燃料元件的铀钼粉末中获得γ相，在这种情况下，钼是有助于在燃料元件的整个工作温度范围内保持铀γ相的主要合金元素。钼不仅改变相变动力学以获得随机取向的细晶粒结构，而且稳定铀的γ相，从而提高了燃料元件的效率。
[0022]
由于铀钼燃料的热导率高于二氧化铀燃料，可以减少堆芯中积累的热量，从而在违反核反应堆的正常运行条件下减少能量释放，提高其安全性及对应急情况的抵抗力。
具体实施方式
[0023]
以下描述用于制成铀钼燃料芯块的建议方法的实例。
[0024]
实例1(根据第一个实施方案)。作为初始粉末，使用合金中钼含量为9.0wt.％的铀钼粉末，该铀钼粉末是通过离心喷涂法从铀-235富集到7％的同类合金锭制备的。合金中钼含量为9.0wt.％的离心喷涂铀钼锭允许在初始粉末中获得均匀的钼含量。粉末通过筛网的筛孔尺寸为160μm过筛。将钼含量为9.0wt.％的筛过后的铀钼粉末在垂直装载的真空电阻炉(сшвэ型)中(在氩气介质中)在500℃的温度下加热20小时。制备的粉末在不添加粘合剂(增塑剂)的情况下以750mpa的压力压制在圆柱形模具中。芯块在氩气介质中(含水量不超过80ppm)烧结，温度为(1125+10/-5)℃，在竖式真空电阻炉(сшвэ型)(或xerion xvac-2200)中等温保温4小时。加热将在1l/min的氩气流中以不超过5℃/min的加热速率进行，加热至等温保温，然后在静态氩气气氛中进行冷却，冷却速率为(15
–
20)℃/min。之后进行芯块的磨削、干燥和剔除以符合技术要求。
[0025]
实例2(根据第一个实施方案)。作为初始粉末，使用合金中钼含量为10.5wt.％的铀钼粉末，该铀钼粉末是通过离心喷涂法从铀-235富集到至7％的同类合金锭制备的。合金中钼含量为10.5wt.％的离心喷涂铀钼锭允许在初始粉末中获得均匀的钼含量。粉末通过筛孔尺寸为160μm的筛网过筛。将钼含量为10.25wt.％的筛过后的铀钼粉末在垂直装载的真空电阻炉(сшвэ型)中在氩气中)在500℃的温度下加热10小时。制备的粉末在不添加粘合剂(增塑剂)的情况下以950mpa的压力压制在圆柱形模具中。芯块在氩气介质中(含水量不超过80ppm)烧结，温度为(1125+10/-5)℃，在竖式真空电阻炉(сшвэ型)(或xerion xvac-2200)中等温保温12小时。加热将在1l/min的氩气流中以不超过5℃/min的加热速率进行，加热至等温保温，然后在静态氩气气氛中进行冷却，冷却速率为(15
–
20)℃/min。此后进行芯块的磨削、干燥和剔出废品以符合技术要求。
[0026]
实例3(根据第二个实施方案)。作为初始粉末，使用合金中钼含量为9.0wt.％的铀钼粉末，该铀钼粉末是通过离心喷涂法从铀-235富集到7％的同类合金锭制备的，粉末通过筛网的筛孔尺寸为160μm过筛。合金中钼含量为9.0wt.％的离心喷涂铀钼锭允许在初始粉末中获得均匀钼含量。作为增塑剂(粘合剂)，使用8％聚乙烯醇水溶液加1％甘油(铀钼合金重量的3％)。混合分三个阶段。在第一阶段，将粘合剂全部量和铀钼合金粉末10wt.％的量混合至均匀混合物。在第二阶段，将制备的混合物与铀钼合金粉末40wt.％的量混合至均匀
混合物。在第三阶段，将剩余的铀钼合金粉末量加入在第二阶段制备的混合物中并混合至均匀混合物。粉末将在turbula型混合器中混合20-30分钟。制备的粉末以850mpa的压力压制在圆柱形模具中。在烧结之前，将芯块在氩气气氛中以300℃至450℃的温度加热4小时以去除粘合剂。芯块在氩气介质中(含水量不超过80ppm)烧结，温度为(1125+10/-5)℃，在竖式真空电阻炉(сшвэ型)中等温保温4小时。加热将在1l/min的氩气流中以不超过5℃/min的加热速率进行，加热至等温保温，之后在静态氩气气氛中进行冷却，冷却速率为(15
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20)℃/min。之后进行芯块的磨削、干燥和剔除以符合技术要求。
[0027]
实例4(根据第二个实施方案)。作为初始粉末，使用合金中钼含量为10.5wt.％的铀钼粉末，该铀钼粉末是通过离心喷涂法从铀-235富集到至7％的同类合金锭制备的，粉末通过筛网的筛孔尺寸为160μm过筛。合金中钼含量为10.5wt.％的离心喷涂铀钼锭允许在初始粉末中获得均匀钼含量。作为增塑剂(粘合剂)，使用8％聚乙烯醇水溶液加1％甘油(铀钼合金重量的3％)。混合分三个阶段。在第一阶段，将粘合剂全部量和铀钼合金粉末10wt.％的量混合至均匀混合物。在第二阶段，将制备的混合物与铀钼合金粉末40wt.％的量混合至均匀混合物。在第三阶段，将剩余的铀钼合金粉末量加入在第二阶段制备的混合物中并混合至均匀混合物。粉末将在turbula型混合器中的混合20-30分钟。制备的粉末以950mpa的压力压制在圆柱形模具中。在烧结之前，将芯块在氩气氛中以300℃至450℃的温度加热2小时以去除粘合剂。芯块在氩气介质中(含水量不超过80ppm)烧结，温度为(1125+10/-5)℃，在竖式真空电阻炉(сшвэ型)中等温保温12小时。加热将在1l/min的氩气流中以不超过5℃/min的加热速率进行，加热至等温保温，之后在静态氩气气氛中进行冷却，冷却速率为(15
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20)℃/min。之后进行芯块的磨削、干燥和剔除以符合技术要求。
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工业实用性
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图1显示烧结和机械加工后的铀钼芯块。
[0030]
因此，与以前已知的方法相比，所提出的方法让从铀钼粉末中，铀-235富集到7％，钼含量为9.0至10.5wt.％，制成用于核反应堆燃料元件，并具有更高运行性能的燃料芯块。