一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法技术

本发明专利技术属于核燃料技术领域，具体涉及一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法

【技术实现步骤摘要】
一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法


[0001]本专利技术属于核燃料
，具体涉及一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法
。

技术介绍

[0002]核燃料元件是反应堆堆芯中最重要的部件之一，是维持反应堆功率的核心来源
。
板状燃料元件具有比功率高
、
传热面积大等优点，广泛用于研究堆中
。
[0003]早期研究堆主要采用
U
‑
Al
金属型板状燃料元件与
UO2
陶瓷型板状燃料元件
。
金属型板状燃料元件易于加工，导热性能好，但普遍采用高浓铀燃料
。
国际上为了降低核扩散风险，要求研究堆逐渐淘汰高浓铀燃料，使用低浓铀燃料元件，于是便发展出
UO2
陶瓷型板状燃料元件
。
陶瓷型燃料热稳定性好，熔点高
、
辐照稳定性好，与冷却剂相容性高，但缺点是是密度低，质硬而脆，不易加工，热导率小，辐照芯块温差大，有辐照肿胀和芯块开裂风险
。
因此，研究学者随后提出了
U3Si2
‑
Al
和
U
‑
Mo
弥散型燃料元件
。U3Si2
‑
Al
弥散燃料元件铀密度高，可以使用低浓铀燃料，并且具有良好的耐辐照性
、
抗腐蚀性和导热性；但其后处理困难，污染环境严重
。U
‑
Mo
弥散型燃料各向性能较好，但其加工难度高，制造方法尚不太成熟，目前无法大规模使用
。
[0004]而随着研究堆逐渐朝向高中子通量
、
高燃耗的趋势发展，研究堆对板状燃料元件的安全性
、
换热性能等特性有了更高要求
。

技术实现思路

[0005]针对上述不足，本专利技术的目的是提供一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法，加工的板状燃料元件采用弥散
TRISO
包覆燃料颗粒技术，通过在耐高温
、
导热性能好的弥散导热剂中定位沉积
TRISO
包覆燃料颗粒和在燃料板上焊接翼型翅片，板状燃料元件的功率分布得到展平，总体换热面积得到提高，燃料元件的结构强度和安全性都得到增强
。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法，包括9个步骤：
[0008]步骤1，将弥散导热剂，材料与助烧剂混合，通过喷涂设备将混合后的弥散导热剂粉末均匀喷涂至燃料生坯模具中，再由平板压机或滚轴设备对其压实紧密，构成燃料生坯的第一层；
[0009]步骤2，使用沉积设备将
TRISO
包覆燃料颗粒沉积在燃料生坯的第一层上，沉积设备带有定位夹盘，通过定位夹盘可使
TRISO
包覆燃料颗粒在弥散导热剂上定位放置，构成燃料生坯的第二层；
[0010]步骤3，重复步骤1，将弥散导热剂粉末与助烧剂粉末混合后喷涂至
TRISO
燃料颗粒表面，并使混合粉末填满各
TRISO
燃料颗粒之间的缝隙，构成燃料生坯的第三层；
[0011]步骤4，静压成型，将模具至于一定压力下，燃料生坯成型；
[0012]步骤5，烧结，将成型后的燃料生坯放入烧结炉中烧结，使弥散导热剂与
TRISO
燃料
颗粒融为一体；
[0013]步骤6，表面处理，当烧结完成后，对烧结样品进行表面处理，包括表面检查
、
打磨
、
抛光等；烧结样品确保
TRISO
燃料颗粒不裸露在弥散导热剂外，样品的大小尺寸小于合金框尺寸，以便于样品入框；
[0014]步骤7：入框，将表面处理完成的样品装入合金框中；
[0015]步骤8：化学蚀刻，对
1.5mm
厚的合金板进行化学蚀刻，得到翅片及冷却剂流道；
[0016]步骤9：焊接，采用真空钎焊法将翅片与合金框焊接连接：在合金框表面涂以钎焊材料，在真空高温环境下，钎焊材料融化，将合金框与翅片的底板焊牢，多次重复上述过程，即可堆叠加工成堆芯
。
[0017]所述步骤1，燃料生坯的第一层厚度保持在
0.5mm
‑
1mm
之间
。
[0018]所述步骤2，
TRISO
包覆燃料颗粒，在弥散导热剂上的具体分布密度及均匀性经过堆芯物理
、
热工分析计算后进行调整
。
[0019]所述步骤3，燃料生坯的第三层厚度保持在
0.5mm
‑
1mm
之间
。
[0020]所述步骤5，烧结工艺，选择无压环境，先对烧结炉中抽真空处理，待其真空度达到要求后，烧结炉再逐步加热升温；燃料生坯在烧结温度下稳定烧结一段时间后，烧结炉中充以惰性气体，随后燃料生坯随炉保温与冷却，烧结完毕
。
[0021]所述步骤8中的翅片截面为翼型状，翅片间的缝隙构成了冷却剂微通道；当冷却剂流过微通道时，燃料板产生的热量通过导热
、
对流换热等形式被冷却剂带出
。
[0022]所述翅片的分布密度及均匀性可根据燃料板的功率分布改变，在燃料板横向功率较大的局部区域增加翅片密度，在横向功率较小的区域减小翅片密度，以强化换热效率
、
提高翅片整体的传热效果；进一步的，在堆芯纵向高度上翅片分布密度也可随堆芯功率分布进行调整，使堆芯整体的输出功率最大化
。
[0023]翅片为连续半圆波浪形或矩形波浪形，或梯形波浪形
。
[0024]所述步骤9，当板状燃料元件堆叠成堆芯时，运用真空钎焊法连接两块板状燃料元件，在其中一块板状燃料元件的翅片上表面涂以钎焊材料并至于真空高温环境中，钎焊材料融化，将传热翅片与另一块板状燃料元件的合金框底部焊牢
。
[0025]燃料生坯整体成长方体形状，由弥散导热剂与
TRISO
燃料颗粒组成，
TRISO
燃料颗粒弥散在弥散导热剂中，弥散导热剂的高度大于
TRISO
燃料颗粒的直径，确保
TRISO
燃料颗粒不裸露在弥散导热剂外
。
[0026]本专利技术的有益效果在于：
[0027]在板状型燃料元件中采用
TRISO
颗粒燃料并填充弥散导热剂的方法，可减小其他板状燃料元件出现的辐照肿胀
、
破损以及裂变产物泄露风险，提高板状燃料元件在运行期间的完整性和安全性
。
[0028]通过定位沉积
TRISO
燃料颗粒，不仅可以降低其他弥散型燃料中的
TRISO
燃料颗粒裸露风险和颗粒接触高应力风险，还能通过在弥散导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法，包括9个步骤，其特征在于：步骤1，将弥散导热剂，材料与助烧剂混合，通过喷涂设备将混合后的弥散导热剂粉末均匀喷涂至燃料生坯模具中，再由平板压机或滚轴设备对其压实紧密，构成燃料生坯的第一层；步骤2，使用沉积设备将
TRISO
包覆燃料颗粒沉积在燃料生坯的第一层上，沉积设备带有定位夹盘，通过定位夹盘可使
TRISO
包覆燃料颗粒在弥散导热剂上定位放置，构成燃料生坯的第二层；步骤3，重复步骤1，将弥散导热剂粉末与助烧剂粉末混合后喷涂至
TRISO
燃料颗粒表面，并使混合粉末填满各
TRISO
燃料颗粒之间的缝隙，构成燃料生坯的第三层；步骤4，静压成型，将模具至于一定压力下，燃料生坯成型；步骤5，烧结，将成型后的燃料生坯放入烧结炉中烧结，使弥散导热剂与
TRISO
燃料颗粒融为一体；步骤6，表面处理，当烧结完成后，对烧结样品进行表面处理，包括表面检查
、
打磨
、
抛光等；烧结样品确保
TRISO
燃料颗粒不裸露在弥散导热剂外，样品的大小尺寸小于合金框尺寸，以便于样品入框；步骤7：入框，将表面处理完成的样品装入合金框中；步骤8：化学蚀刻，对
1.5mm
厚的合金板进行化学蚀刻，得到翅片；步骤9：焊接，采用真空钎焊法将翅片与合金框焊接连接：在合金框表面涂以钎焊材料，在真空高温环境下，钎焊材料融化，将合金框与翅片的底板焊牢，多次重复上述过程，即可堆叠加工成堆芯
。2.
如权利要求1所述的一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法，其特征在于：所述步骤1，燃料生坯的第一层厚度保持在
0.5mm
‑
1mm
之间
。3.
如权利要求1所述的一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法，其特征在于：所述步骤2，
TRISO
包覆燃料颗粒，在弥散导热剂上的分布密度及均匀性经过堆芯物理
、
热工分析计算后进行调整
。4.
如权利要求1所述的一种带翅片的微通道板状燃料元件的加工方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆道纲，罗肖，隋丹婷，丁昊，张钰浩，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：