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燃料芯块

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  燃料芯块简称“芯块”。组成棒状燃料元件的最小单元。通常,若干块燃料芯块用一根包壳管加以包覆。近代动力堆大多采用二氧化铀作燃料芯块。

  燃料芯块为核燃料元件的核心部分,即由易裂变材料235U和239Pu构成。核燃料可分为金属型、陶瓷型和弥散型,外面敷以铝合金镁合金锆合金以及不锈钢等包壳材料。燃料芯块的表面必须机械磨光,以保证与包壳材料的配合。为适应燃料芯块的辐照肿胀,芯块的上下面压制成凹碟形。要选择与燃料芯块相容性好的包壳材料。

  (1)轧片制粒 将化工转化生产的 UO2粉末料桶,运到芯块制备车间的制粒岗位。通过负压系统将原料 UO2粉末吸送到制粒平台上的单锥双螺旋混料器内,添加适量(~15%wt)的 U3O8 粉末和 0.05%的硬脂酸锌,在单锥混料器内间断混合约 30 分钟。 混合后的粉末经振动给料器定量振动下料进入轧片制粒装置进行轧片制粒。制粒后的粉末通过制粒操作手套箱加入 0.2%wt 的硬脂酸锌后进入放置在下面推料小车上的双锥料桶内,然后推运到双锥混料器旁,用吊车将双锥料桶吊运到旋转成型压机上的钢平台上给旋转成型压机供料。

  (2)压块制粒 将化工转化生产的 UO2粉末料桶,人工运到芯块制备车间的制粒岗位。通过负压系统将原料 UO2粉末吸送到制粒平台上的单锥混料器内,添加适量的U3O8 粉末和 0.05%的硬脂酸锌,在单锥混料器内间断混合约 30 分钟。混合均匀后的粉末经振动给料器定量振动进入旋转压块机制粒成圆形饼块。饼块落入底卸料容器料桶内,吊车将底卸料容器料桶吊运到擦筛工作箱上方钢平台上的中间容器内,圆饼形通过底卸料容器料桶经星形给料器初碎后定量流入下面的擦筛机。经擦筛的粉末添加 0.2%wt 的硬脂酸锌,通过擦筛工具箱流入安装在地面的双锥混料器的双锥料桶内进行混合和球化,双锥混料器经过大约 15 分钟的正、反转完成混合球化过程。通过吊车将双锥混料桶吊运倒旋转成型压机上方的钢平台上给旋转成型压机供料。

  (3)成型压制 旋转成型压机以 120~180 块/min 左右的速度压制生柸块。生柸块装入烧结钼舟内,然后用运输小车推送到烧结区。

  烧结芯块送磨削自动线经振动上料、无心磨削、淋洗烘干、激光在线直径自动检测、自动装盘。然后人工检查芯块外观质量,成品芯块装 V 型盘放入芯块存放柜送芯块库房暂存。

  燃料芯块的收缩变形和轴向变形要小,密度要大。燃料芯块端面形状有平面、 碟形和碟形加倒角等数种,碟形和 加倒角的燃料芯块收缩变形一般较小。

  压水堆用的燃料芯块密度由初期为理论密度的90%已提高到目前的95%,这就减轻了因辐照而产生的密实化现象和包壳管氢脆的可能性,从而可减小包壳管破损的几率。 为了提高燃料元件棒的线性比功率(即线功率密度),并降低其中心温度,近年来燃料芯块直径有缩小的趋势。

  王茜. 核燃料芯块制备场所辐射防护及对作业人员辐射影响研究[D].成都理工大学,2011.

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