高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法及石墨粉技术

本发明专利技术公开了高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法及石墨粉，其中，制备方法具体为混料、等静压成型、致密化处理、磨粉、整形及分级处理、以及石墨化及高温提纯步骤，通过该方法制备而成的石墨粉进行核燃料元件工艺试验时，由于石墨粉都是圆形或椭圆形的形状，且粒度大小分布合理，压制而成的核燃料元件，内部不会因为搭桥现象形成孔洞，燃料颗粒的密度大，强度高，稳定性好，在反应堆中的使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开涉及石墨制备的
，尤其涉及一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法及石墨粉。
技术介绍
高温气冷堆是清华大学通过自主研发并成功建设的第四代核反应堆，具有完全自主知识产权。高温气冷堆是第四代高效、安全核反应堆的标志堆型，以“全陶瓷”型包覆颗粒燃料球为燃料元件，以石墨作为慢化剂和堆芯结构材料，以氦气作为冷却剂，具有良好的固有安全性。我国在建的山东华能石岛湾核电站，总装机量为1000万KW，其中高温气冷堆400万KW，这也标志着第四代高温气冷堆正式进入商业化。高温气冷堆核燃料元件生产方法是：燃料铀经碳化硅包覆后(1mm左右)，均匀分散在石墨基体中，制成直径60mm的“石墨球”，称为核燃料元件。石墨基体材料，主要由人造石墨粉和天然石墨粉通过酚醛数据粘结而成，在核燃料元件中，其重量占比达90％以上，是核燃料元件生产制造过程中的核心材料之一。由于进入核反应堆中的任何材料都有非常苛刻的条件，以往方法制备的人造石墨粉无法满足核反应堆的要求，因此，如何研发一种适用于高温气冷堆的人造石墨粉制备方法，成为人们亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于公开提供一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法及石墨粉。本专利技术提供的技术方案，具体为，一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)混料：将沥青焦和沥青均放入搅拌装置内，搅拌4～8小时，得混合物料；2)等静压成型：将所述混合物料放入等静压机内，在压强为150～180MPa条件下，等静压成型60～70分钟；3)致密化处理：将等静压成型后产品取出，进行致密化处理，直至所述产品的体密度达到1.72g/cm3以上；4)磨粉：将致密化处理后产品粗碎，放入气流磨粉机内进行破碎磨粉，得粉体，其中，所述粉体的平均粒径为35～45μm；5)整形及分级处理：将所述粉体放入整形设备中，去掉毛刺菱角，整形8-10分钟后，再通过旋风分级，去除粒径≥100μm以及粒径小于5μm的粉体，得粒径均匀粉体，其中，按重量计，所述粒径均匀粉体的粒度分布为粒径＜100μm的粉体含量为100％，粒径＜32μm的粉体含量为60～70％；6)石墨化及高温提纯：将所述粒径均匀粉体放入坩埚中，经密封处理后，放入高温提纯炉内进行升温提纯，当所述高温提纯炉的炉温达到2000℃时，向所述高温提纯炉内通入氯气，当所述高温提纯炉的炉温达到2450℃时，向所述高温提纯炉内通入氟利昂，当所述高温提纯炉的炉温达到3000℃后，高温处理36～48小时，然后将高温处理后的石墨粉降温，得石墨粉成品。优选，所述步骤1)中沥青焦与沥青的重量配比为60～70:30～40。进一步优选，所述步骤2)中将所述混合物料放入等静压机内具体为：将所述混合物料放入胶套中，并将所述胶套依次进行抽真空和密封处理后，放入等静压机内。进一步优选，所述步骤2)中将所述胶套依次进行抽真空和密封处理具体为：将所述胶套进行抽真空，当所述胶套内的真空度达到0.07MPa时，再进行密封处理。进一步优选，所述步骤1)中沥青焦的真密度≮1.96g/cm3、灰份≯0.3％、挥发份≯0.6％、水份含量≯0.3％、硫含量≯0.2％。进一步优选，所述步骤1)中沥青的软化点为120～140℃、灰份≯0.3％、结焦值≮55％、水份含量≯5.0％、甲苯不溶物含量≮28％、喹啉不溶物含量为8～14％。进一步优选，所述步骤6)中氯气的通入量为：每吨粒度均匀粉体中通入35～40kg的氯气。进一步优选，所述步骤6)中氟利昂的通入量为：每吨粒度均匀粉体中通入20～25kg的氟利昂。进一步优选，所述步骤3)中致密化处理包括：多次焙烧和多次浸渍；其中，焙烧的最高温度为900～1000℃，每次的焙烧时间为600～700小时；所述浸渍的压强为4MPa，每次的浸渍加压时间为1～2小时。本专利技术还提供了一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉，其特征在于，所述石墨粉按照上述任意一种制备方法制备而成，其中，所述石墨的平均粒径为35～45μm、所述石墨粉的粒径分布为粒径小于100μm含量100％、粒径小于32μm含量60～70％、所述石墨粉的总硼当量＜1ppm、水份含量＜0.06％、总灰分＜50ppm、比表面为1-2m2/g、真密度≮2.18g/cm3、石墨化程度为≮90％。本专利技术提供的高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法，依次进行混料、等静压成型、致密化处理、磨粉、整形及分级处理、以及石墨化及高温提纯步骤，其中，在磨粉步骤中采用气流磨粉机进行磨粉，磨得的粉体平均粒度为35～45μm，磨粉步骤后又进行了整形步骤，去掉粉体的毛刺菱角，使粉体的形状都是接近圆形或椭圆形的，然后进行了旋风分级，去掉了较大颗粒和微细颗粒，这样整个粉体粒度分布更加均匀，松装密度更大，同时在石墨化及高温提纯步骤中注入了氯气和氟利昂，两种气体的注入一方面降低产品的总灰分，使产品总灰分小于50ppm，提高产品的抗腐蚀性能和抗辐射性性能，另一方面用于吸收硼元素，使总硼当量小于1ppm，由于硼元素在核反应堆中会大量吸收中子，导致反应链停止，因此要降低石墨中的总硼当量；经过上述步骤处理后的石墨粉，使用其进行核燃料元件工艺试验时，由于石墨粉都是圆形或椭圆形的形状，且粒度大小分布合理，压制而成的核燃料元件，内部不会因为搭桥现象形成孔洞，燃料颗粒的密度大，强度高，稳定性好，在反应堆中的使用寿命长。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术公开实施例提供的一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法中步骤5)中整形前粉体的扫描电镜图；图2为本专利技术公开实施例提供的一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法中步骤5)中整形后粉体的扫描电镜图。具体实施方式下面结合具体的实施方案对本专利技术进行进一步的详细说明，但并不用于限制本专利技术的保护范围。为了解决以往使用传统方法制备的人造石墨粉进行核燃料元件工艺试验时，存在燃料元件焙烧过程中开裂，抗压强度不够，抗腐蚀性差，耐磨性差等问题，本实施方案提供了一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法，具体的制备过程如下：1)混料：将沥青焦和沥青均放入搅拌装置内，搅拌4～8小时，得混合物料；2)等静压成型：将所述混合物料放入等静压机内，在压强为150～180MPa条件下，静压成型60～70分钟；3)致密化处理：将等静压成型后产品取出，进行致密化处理，直至所述产品的体密度达到1.72g/cm3以上；4)磨粉：将致密化处理后产品粗碎，放入气流磨粉机内进行破碎磨粉，得粉体，其中，所述粉体的平均粒径为35～45μm；5)整形及分级处理：将所述粉体放入整形设备中，去掉毛刺菱角，整形8～10分钟后，通过旋风分级，去除粒径≥100μm以及粒径小于5μm的粉体，得粒径均匀粉体，其中，按重量计，所述粒径均匀粉体的粒度分布为粒径＜100μm的粉体含量为100％，粒径＜32μm的粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)混料：将沥青焦和沥青均放入搅拌装置内，搅拌4～8小时，得混合物料；2)等静压成型：将所述混合物料放入等静压机内，在压强为150～180MPa条件下，等静压成型60～70分钟；3)致密化处理：将等静压成型后产品取出，进行致密化处理，直至所述产品的体密度达到1.72g/cm3以上；4)磨粉：将致密化处理后产品粗碎，放入气流磨粉机内进行破碎磨粉，得粉体，其中，所述粉体的平均粒径为35～45μm；5)整形及分级处理：将所述粉体放入整形设备中，去掉毛刺菱角，整形8‑10分钟后，通过旋风分级，去除粒径≥100μm以及粒径＜5μm的粉体，得粒径均匀粉体，其中，按重量计，所述粒径均匀粉体的粒度分布为粒径＜100μm的粉体含量为100％，粒径＜32μm的粉体含量为60～70％；6)石墨化及高温提纯：将所述粒径均匀粉体放入坩埚中，经密封处理后，放入高温提纯炉内进行升温提纯，当所述高温提纯炉的炉温达到2000℃时，向所述高温提纯炉内通入氯气，当所述高温提纯炉的炉温达到2450℃时，向所述高温提纯炉内通入氟利昂，当所述高温提纯炉的炉温达到3000℃后，高温处理36～48小时，然后将高温处理后的石墨粉降温，得石墨粉成品。...

【技术特征摘要】
1.一种高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)混料：将沥青焦和沥青均放入搅拌装置内，搅拌4～8小时，得混合物料；2)等静压成型：将所述混合物料放入等静压机内，在压强为150～180MPa条件下，等静压成型60～70分钟；3)致密化处理：将等静压成型后产品取出，进行致密化处理，直至所述产品的体密度达到1.72g/cm3以上；4)磨粉：将致密化处理后产品粗碎，放入气流磨粉机内进行破碎磨粉，得粉体，其中，所述粉体的平均粒径为35～45μm；5)整形及分级处理：将所述粉体放入整形设备中，去掉毛刺菱角，整形8-10分钟后，通过旋风分级，去除粒径≥100μm以及粒径＜5μm的粉体，得粒径均匀粉体，其中，按重量计，所述粒径均匀粉体的粒度分布为粒径＜100μm的粉体含量为100％，粒径＜32μm的粉体含量为60～70％；6)石墨化及高温提纯：将所述粒径均匀粉体放入坩埚中，经密封处理后，放入高温提纯炉内进行升温提纯，当所述高温提纯炉的炉温达到2000℃时，向所述高温提纯炉内通入氯气，当所述高温提纯炉的炉温达到2450℃时，向所述高温提纯炉内通入氟利昂，当所述高温提纯炉的炉温达到3000℃后，高温处理36～48小时，然后将高温处理后的石墨粉降温，得石墨粉成品。2.根据权利要求1所述高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中沥青焦与沥青的重量配比为60～70:30～40。3.根据权利要求1所述高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中将所述混合物料放入等静压机内具体为：将所述混合物料放入胶套中，并将所述胶套依次进行抽真空和密封处理后，放入等静压机内。4.根据权利要求3所述高温气冷堆核燃料元件用人造石墨粉的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：国俊华，温长英，周强，
申请(专利权)人：辽宁大化国瑞新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21