[發明專利]一種中子吸收球的制備方法

有效

• 申請號: 201010101755.2
• 申請日: 2010-01-26
• 公開（公告）號: CN101789272A
• 公開（公告）日: 2010-07-28
• 發明（設計）人: 林旭平;馬景陶;陳鳳;黃志勇;鄧長生;譚威
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G21C7/24
• 分類號: G21C7/24;G21C7/10;C01B31/04
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王朋飛

技術領域

本發明屬于核反應堆領域，特別是涉及一種中子吸收球的擠出成 型制備方法。

背景技術

作為清潔的、安全、環保的能源，核能發電對于緩解世界及各國 能源安全和全球氣候變化問題都具有重要意義。雖然經過了美國三哩 島和前蘇聯切爾諾貝利核電站事故挫折，人們仍然在積極開發更安 全、經濟性更好的核能發電技術。目前，第三代核電技術已經基本成 熟。

正在研發的第四代核能系統中，高溫氣冷堆可以實現很高的出口 溫度，具有高發電效率和高品位熱供應能力，引起人們廣泛關注。

高溫氣冷堆采用陶瓷型包覆顆粒燃料元件，氦氣作為冷卻劑，石 墨作慢化劑，堆芯出口溫度可以達到700℃，直至950～1000℃。高 溫氣冷堆是一種安全性能好的堆型，這是由于：1)優異的燃料元件 性能；2)石墨堆芯的熱容量大；3)全范圍的負反應性溫度系數；4) 氦冷卻劑為惰性氣體，化學穩定性好，不會發生相變。

吸收球停堆系統是高溫氣冷堆的第二停堆系統，在高溫氣冷堆運 行過程中與控制棒系統配合，起到停堆與調節運行功率的作用。其工 作原理是，在正常停堆或者緊急停堆時，吸收球落入反應堆的吸收球 孔道，利用碳化硼中¹⁰B的吸收中子特性，吸收中子進而阻止反應堆 的鏈式反應，實現反應堆的停堆；當反應堆需要啟動時，吸收球通過 氣體輸送送到反應堆頂部的貯球罐內，使之處于備用狀態。

根據吸收球的使用工況，要求吸收球有很好的耐磨損性能和抗熱 沖擊性能，同時與石墨孔道間有良好的匹配性。純碳化硼球的¹⁰B含 量高，中子吸收性能好，但易對石墨孔道造成磨損。含碳化硼的石墨 球可以具備中子吸收作用，并改善吸收球與孔道間的磨損，同時由于 采用石墨作為基體材料，使其具有良好的抗熱沖擊性能。

在傳統石墨成型方法上，一般采用的是等靜壓成型或者模壓成 型，這兩種成型方法也可以制作含碳化硼的石墨球，但是制作效率相 對較低，需要投入大量人力。擠出成型在塑料行業大量使用，這種成 型方法效率高、可連續生產。傳統的擠出成型一般采用瀝青作為添加 劑，由于瀝青的雜質含量較高，不能滿足高純度制品的生產要求。

發明內容

本發明的目的是提供一種新的中子吸收球的制備方法，以解決現 有技術存在的上述問題，解決球狀石墨制品大規模工業化生產的技術 問題。

本發明提供一種中子吸收球的制備方法，包括下述步驟：將炭素 原料和中子吸收材料混合得到的粉料加入到PVA與PEG的混合水溶 液中進行攪拌，混捏過程中加入硼酸，制成糊料；經過預壓、擠出成 型、炭化、切割、磨加工、高溫處理和表面包覆處理。

其中所述粉料按質量百分比包括石墨35％～75％、碳化硼 5％～35％，和任選的，炭黑0～30％；所用碳化硼為核純級，其它原料 純度大于99.5％；石墨可為天然石墨或人造石墨。

所述PVA與PEG的混合水溶液中，PVA和PEG的質量百分比 濃度為5％～20％，PVA和PEG質量比為(1～5)∶1；上述比例下PVA 與PEG兩者都可以完全溶解。

所述粉料與PVA與PEG的混合水溶液的質量比為1∶(1～4)。

混捏過程中加入硼酸，加入量為粉料總重量的0.1％～2.0％，混捏 過程的溫度為10～100℃，優選為20～100℃，混捏時間為0.5～6小時， 制成可供擠出成型的糊料。其中硼酸與PVA會相互作用起到增塑作 用，PEG作為偶聯劑可以起到分散作用，在擠出成型時也將作為脫模 劑作用。

所述預壓的壓力為200～400MPa，保壓1～10分鐘；所述擠出成 型采用的壓力為150～400Mpa，得到直徑為5～15mm的棒料；其中所 述預壓的壓力大于成型壓力。所得糊料是裝入擠出成型機中進行預 壓，；預壓的壓力要大于成型壓力，但加壓時間較短，主要是為排除 在糊料中的氣體，得到較高的粉料密度。

所述擠出成型采用的壓力為150～400Mpa，得到直徑為5～15mm 的棒料。

所述棒料在氮氣或惰性氣體保護下炭化，以每分鐘1～5℃升溫到 700～1600℃，保溫1～10小時。

將炭化后得到的棒料切割成小柱，其長度與直徑基本相同；然后 對所得小柱進行磨加工處理，得到直徑為5～15mm的球體。