一种核反应堆灰控制棒用钼基氧化铽材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种核反应堆灰控制棒用钼基氧化铽材料及其应用，在惰性气体保护下，将纯度99％以上的烘干Tb4O7粉末和纯度99.5％以上的烘干Mo粉末，按照质量百分比Mo‑(3～55)wt％Tb4O7进行称量后混合，再加入过程控制剂并使其终质量浓度不超过2.5wt％，得到混合粉末；将上述混合粉末在球料比0.8～35:1、装填系数0.05～0.85、球磨转速80～650rpm的条件下，按照球磨45～60min—停止4～12min的方式球磨2～100h；然后将球磨后的混合粉末在压力80～550MPa的条件下冷等静压0.5～4h以压制成坯体；再将坯体置于惰性气体保护下在1200～1900℃烧结2～110h，即得所述之钼基氧化铽芯块，是优异的灰控制棒用中子吸收体芯块材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于核电站反应堆的反应性控制
，具体涉及一种核反应堆灰控制棒用钼基氧化铽中子吸收体材料及其应用。
技术介绍
在常规压水堆核电站正常运行过程中，一般通过调节控制棒插入反应堆堆芯的深度和改变硼酸浓度对核反应性的控制和对负荷进行跟踪。在常规核反应堆中使用的控制棒，其内部的中子吸收体材料是强中子吸收材料，如Ag-In-Cd合金芯块。这种含强中子吸收体的控制棒被称为黑控制棒，简称黑棒。黑控制棒的微小移动会带来核反应性的强烈改变，通常需要同时改变硼酸浓度以配合黑控制棒的移动。这种在常规压水堆核电站中通过调节黑棒并配合改变硼酸浓度以实现对核反应性控制和对负荷跟踪的方法，导致了核电站每天需要处理大量的主反应堆冷却剂，而且需要大尺寸的容器盛装废弃液。由于需要调节硼酸溶度和处理废弃化学溶液从而复杂化了控制系统。同时通过加入水以稀释溶液中的硼酸浓度或则通过加入硼酸以增加溶液中的硼酸浓度，这个过程是缓慢的，所需要的时间长，从而带来对核反应性控制的不灵敏和反馈迟缓等问题。因此，美国西屋公司提出采用一类弱中子吸收体的控制棒即灰控制棒代替改变硼酸浓度配合黑棒进行核反应性的控制与负荷的跟踪，并在AP600和AP1000核反应堆中得以应用。采用灰控制棒可以把日常处理主反应堆冷却剂的需要降到最低，从而大大简化了化学和容积控制系统及其操作，增加了对核反应性控制的灵敏度，并降低了核电成本。灰控制棒是含弱中子吸收体芯块的控制棒，在核反应堆运行期间，其大部分时间是插入在堆芯内部的。而黑控制棒是含强中子吸收体芯块的控制棒，在核反应堆运行期间，很少插入反应堆堆芯中。另外，一旦发生核电事故，灰控制棒和黑控制棒会同时自动快速下落，以使核反应堆迅速停止运行，保证核电站安全。用于制备灰控制棒用中子吸收体芯块的候选材料，包括含硼元素的碳化硼(B4C)、硼钢以及它们的组合体，Ag-In-Cd合金，含稀土元素比如Tb、Dy和Tm的材料等。但是碳化硼和硼钢中子吸收材料容易在服役过程中出现较严重的辐照损伤，这主要是由于辐照肿胀和B10的(n,α)反应产生氦所致，而且B10的中子吸收截面较大。因此，碳化硼和硼钢不适合做灰控制棒用中子吸收体芯块。而多用于黑棒的强中子吸收体材料Ag-In-Cd合金，由于在核反应堆运行过程中，黑控制棒组件插入堆芯的时间很少，遭受的中子辐照剂量少，中子辐照导致的肿胀和蠕变量比较少，因此Ag-In-Cd合金作为黑控制棒用中子吸收体材料是合适的。但是对于灰控制棒组件，在核电站运行期间，约一半运行时间内，其是停留在堆芯内部，长期遭受大剂量的中子辐照。如果Ag-In-Cd合金作为灰控制棒用中子吸收体芯块，长期插入到反应堆堆芯中，会遭受大量的中子辐照，其辐照肿胀和蠕变将非常严重，从而影响灰控制棒的使用寿命。此外，Ag-In-Cd合金中的Ag、In和Cd元素都具有较大的中子吸收截面，而Ag、In和Cd的嬗变产物的中子吸收截面却显著降低。当使用Ag-In-Cd合金作为灰控制棒用中子吸收体芯块时，运行5年后，灰控制棒组件的反应性价值将会降低到其初始反应性价值的80％左右，不再满足机械补偿控制模式对灰控制棒组件反应性价值的要求。用于制造灰控制棒用中子吸收体材料，主要考虑其内部元素的核子特性。铽在自然界中的稳定同位素只有159Tb。Tb的中子吸收截面为46bar，经过(n,γ)反应后其核素嬗变产物为Tb160,进一步转变为Tb161或Dy160。嬗变后的子代产物以及子代产物嬗变后的产物都仍然具有与Tb相近的中子吸收截面。经过中子长期辐照后，含铽的芯块仍然具有稳定的中子吸收能力。因此，铽是优异的控制棒用中子吸收体核子元素。根据服役特点，核电堆芯灰控制棒用中子吸收体芯块需要具备一系列重要特性，包括长期稳定的中子吸收能力；优异的热物理性能，比如高的热传导、低的热膨胀系数，以便服役过程中将中子反应在芯块中生成的热量及时传导出去，以防止芯块熔化；良好的力学性能，优异的抗中子辐照性能，比如低的辐照肿胀和辐照生长等。因此，含有铽元素的块体材料，并满足上述作为中子吸收体芯块的条件，都有望作为核反应堆灰控制棒用中子吸收体。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种核反应堆灰控制棒用钼基氧化铽材料及其应用。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之一是：一种核反应堆灰控制棒用钼基氧化铽材料，所述钼基氧化铽材料由钼作为基体，三氧化二铽作为弥散相分布于钼基体中，且三氧化二铽与钼的质量比为1:0.8～1:20。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之二是：一种由上述材料制成的钼基氧化铽芯块。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之三是：一种制备上述钼基氧化铽芯块的方法，在惰性气体保护下，将纯度99％以上的烘干Tb4O7粉末和纯度99.5％以上的烘干Mo粉末，按照质量百分比Mo-(3～55)wt％Tb4O7进行称量后混合，再加入过程控制剂并使其终质量浓度不超过2.5wt％，得到混合粉末；将上述混合粉末在球料比0.8～35:1、装填系数0.05～0.85、球磨转速80～650rpm的条件下，按照球磨45～60min—停止4～12min的方式球磨2～100h；然后将球磨后的混合粉末在压力80～550MPa的条件下冷等静压0.5～4h以压制成坯体；再将坯体置于惰性气体保护下在1200～1900℃烧结2～110h，即得所述之钼基氧化铽芯块。一实施例中：所述球料比为10～30:1。一实施例中：所述装填系数为0.3～0.8。一实施例中：所述球磨转速为300～600rpm。一实施例中：所述冷等静压的压力为200～500MPa。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之四是：一种上述钼基氧化铽芯块用于制备核反应堆灰控制棒的用途。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案之五是：一种核反应堆灰控制棒，包括包壳，所述包壳内设有上述钼基氧化铽芯块。本专利技术的质量百分比的表示方法Mo-(3～55)wt％Tb4O7指的是氧化铽(Tb4O7)粉末与钼(Mo)粉末的混合物中，氧化铽粉末的质量分数为3～55wt％；同理，Mo-15wt％Tb4O7、Mo-18wt％Tb4O7、Mo-21wt％Tb4O7、Mo-25wt％Tb4O7和Mo-50wt％Tb4O7分别指的是氧化铽粉末与钼粉末的混合物中，氧化铽粉末的质量分数为15％、18％、21％、25％和50％。本专利技术所述之“惰性气体”可以是氩气和氦气等，或上述气体的一种或多种的混合，其作用是隔绝氧气并保持一定压强，同时气体本身不参与反应。本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：本专利技术采用粉末冶金工艺，在特定的工艺参数下，通过球磨—冷等静压—气体保护烧结等过程，即：球磨法使得钼粉末与氧化铽粉末充分细化、均匀混合，再经过冷等静压预压坯，最后在惰性气体保护下烧结后获得钼基氧化铽块体材料，所需设备和工艺简单，易操作，制备成本低；制得的钼基氧化铽材料具有稳定的中子吸收能力，优良的热传导性能、低的热膨胀系数、优异的高温力学性能、抗中子辐照性能、良好的高温机械稳定性能等，材料结构稳定；同时Tb2O3均匀弥散分布在钼基体中，可以充分发挥铽元素优异的核子特性。根据核子特性计算、堆热分析、相关性能计算以及实际应用中对芯块尺寸加工性能的要求等可知，本专利技术的钼基氧化铽块本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核反应堆灰控制棒用钼基氧化铽材料，其特征在于：所述钼基氧化铽材料由钼作为基体，三氧化二铽作为弥散相分布于钼基体中，且三氧化二铽与钼的质量比为1:0.8～1:20。

【技术特征摘要】
1.一种核反应堆灰控制棒用钼基氧化铽材料，其特征在于：所述钼基氧化铽材料由钼作为基体，三氧化二铽作为弥散相分布于钼基体中，且三氧化二铽与钼的质量比为1:0.8～1:20。2.一种由权利要求1所述的材料制成的钼基氧化铽芯块。3.一种制备权利要求2所述的钼基氧化铽芯块的方法，其特征在于：在惰性气体保护下，将纯度99％以上的烘干Tb4O7粉末和纯度99.5％以上的烘干Mo粉末，按照质量百分比Mo-(3～55)wt％Tb4O7进行称量后混合，再加入过程控制剂并使其终质量浓度不超过2.5wt％，得到混合粉末；将上述混合粉末在球料比0.8～35:1、装填系数0.05～0.85、球磨转速80～650rpm的条件下，按照球磨45～60min—停止4～12min的方式球磨2～100h；然后将球磨后的混合粉末在压力80～550MPa的条件下冷等静压0.5～4h...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉广，罗勇，林建新，黄金华，王驰，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35