[發(fā)明專利]一種高溫氣冷堆核燃料元件用天然石墨粉的整形系統(tǒng)及整形方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011053689.6
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112201377B
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮欲曉;張瑞;劉凱;李呼斯勒;徐瑞江;白娟;劉向欣;岳晨婷;郭琛;姚勇宜
• 申請（專利權(quán)）人: 內(nèi)蒙古金彩礦業(yè)有限公司
• 主分類號: G21C21/12
• 分類號: G21C21/12
• 代理公司: 北京市領(lǐng)專知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11590
• 代理人: 任永利;鐘華

本發(fā)明公開了一種高溫氣冷堆核燃料元件用天然石墨粉的整形系統(tǒng)，其包括從流程上呈上下游關(guān)系布置的至少3個(gè)磨粉整形機(jī)，其中每個(gè)磨粉整形機(jī)都包括可在內(nèi)襯圈(11)內(nèi)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(12)，轉(zhuǎn)盤(12)的一個(gè)側(cè)面上均勻樹立著6?18個(gè)錘頭(13)，其中第一磨粉整形機(jī)(4)的第一錘頭(413)的橫截面是矩形，其中第二磨粉整形機(jī)(8)的第二錘頭(813)的橫截面是圓角矩形，其中第三磨粉整形機(jī)(9)的第三錘頭(913)的橫截面是圓形。本發(fā)明還公開了使用上述整形系統(tǒng)將天然石墨粉整形成圓餅狀或橢圓餅狀的整形方法，以及使用這樣形貌的石墨粉制備核燃料元件球來減少甚至消除芯球和外殼層間物理界面的方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于粉體工程領(lǐng)域，更具體地，屬于石墨粉體整形系統(tǒng)及整形方法。

背景技術(shù)

高溫氣冷堆是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第四代核電站燃料堆，其具有堆芯出口溫度高(850～1000℃)、熱效率高(40％～41％)，燃耗深(最大高達(dá)20MWd/t鈾)，轉(zhuǎn)換比高(0.7～0.8)等優(yōu)點(diǎn)。其中使用的核燃料元件結(jié)構(gòu)如下，參見圖1：將鈾氧化物微粒用碳化硅包覆后得到直徑約0.9-1mm左右的燃料鈾顆粒1022，然后將大量該燃料鈾顆粒均勻分散在基體石墨1021中，得到直徑為50mm的核燃料芯球102，在芯球外層再包覆厚度為5毫米的石墨殼層103，最終制備出直徑為60毫米的球形核燃料元件(也稱核燃料元件球)101。芯球和殼層均通過準(zhǔn)等靜壓技術(shù)壓制而成。

國內(nèi)外大量研究工作結(jié)果表明，高溫氣冷堆燃料元件的基體石墨原料配方由64％的天然石墨粉、16％的人造石墨粉及20％的酚醛樹脂黏結(jié)劑組成時(shí)性能最佳。在球形核燃料元件中，基體石墨材料的作用主要有：(1)結(jié)構(gòu)支撐作用，基體石墨作為包覆鈾氧化物燃料顆粒的載體，使其均勻彌散在其中，基體石墨還賦予燃料元件足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使燃料元件可以承受施加的各種負(fù)荷，安全地在堆芯中循環(huán)。(2)中子慢化作用，核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的快中子與石墨基體材料接觸，通過與碳原子的碰撞，被慢化為熱中子，繼續(xù)引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。(3)導(dǎo)熱作用，核裂變產(chǎn)生的熱能需要通過基體石墨向外傳導(dǎo)給氦冷卻劑，才能被有效利用。基體石墨的導(dǎo)熱能力強(qiáng)，可以降低燃料顆粒核心的溫度，提高反應(yīng)堆的安全性。

其中最外面的那一層石墨殼體是整個(gè)核燃料元件球的保護(hù)殼層，避免燃料球在運(yùn)輸過程中和在堆內(nèi)運(yùn)動過程中內(nèi)層芯球的損壞，避免放射性物質(zhì)的裸露。

天然石墨粉體作為基體石墨的主要原料，也是基體石墨研制的難點(diǎn)，其物理特性、化學(xué)特性、工藝性能的穩(wěn)定性直接影響著球形燃料元件的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

世界各國對核安全都有極高的要求，相應(yīng)的核燃料元件球制造采用非常嚴(yán)格的HAF003標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制體系，以確保核燃料元件球質(zhì)量的“萬無一失”。因此，滿足檢測標(biāo)準(zhǔn)的石墨粉體需要按照特定工藝制成核燃料元件球成品并檢驗(yàn)合格。其中一項(xiàng)重要的指標(biāo)是“落球強(qiáng)度”。落球強(qiáng)度測試過程如下：將一個(gè)待測核燃料元件球至于測試臺中央，將同一批次的其余核燃料元件球從4m高的高處依次自由下落到該測試核燃料元件球上，彼此發(fā)生正碰，考察待測核燃料元件球的石墨殼層開始裂紋、破碎或脫落時(shí)所經(jīng)歷的碰撞次數(shù)，通常要求此次數(shù)大于50次方為合格。

現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)有專利研究石墨粉體的制備方法。例如CN108787131A，其依次使用初級粉碎、粗磨處理、細(xì)磨整形的工藝步驟，將人造石墨材料制成外形呈類球體的粉料，粒徑為32-100um。又例如CN109794324A，其中提到了一種破碎整形一體機(jī)及其工作錘頭，用于生產(chǎn)類球形石墨粉體顆粒。之所以將石墨粉體顆粒的形狀制成類球形，是因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員一直以來認(rèn)為：石墨，無論是天然石墨還是人造石墨，都是多層狀物質(zhì)，在破碎和磨粉過程中，如果不加以刻意控制，最容易粉碎成具有毛刺棱角的片狀顆粒，而這樣具有毛刺棱角的片狀顆粒在等靜壓加工過程中會因顆粒間架橋而造成空洞，影響核燃料元件的密度和輻射防護(hù)性，而類球形石墨粉體因其宏觀上各向同性性質(zhì)和圓滑表面，可以減少顆粒間的架橋線性，提高松裝密度，提高核燃料元件的密度和強(qiáng)度。