[發明專利]一種核級碳化硼芯塊的制備方法

有效

• 申請號: 202110800418.0
• 申請日: 2021-07-15
• 公開（公告）號: CN113698206B
• 公開（公告）日: 2023-03-07
• 發明（設計）人: 郭志家;楊歷軍;劉天才;范月容;張金山;馮嘉敏;彭朝暉;衣大勇;孫征;呂征;王亞婷;趙守智;柯國土;陳會強;姚成志;周寅鵬;石辰蕾;朱磊;江浩;劉宗泉
• 申請（專利權）人: 中國原子能科學研究院
• 主分類號: C04B35/563
• 分類號: C04B35/563;C04B35/645;B28B3/20
• 代理公司: 北京天悅專利代理事務所(普通合伙) 11311
• 代理人: 田明;任曉航

本發明涉及一種核級碳化硼芯塊的制備方法。采用本發明所提供的核級碳化硼芯塊的制備方法，可以通過熱壓燒結¹⁰B碳化硼粉末得到密度2.1～2.2g/cm³，¹⁰B富集度大于85％的核級碳化硼芯塊，從而實現所得到的核級碳化硼芯塊能滿足研究性核反應堆反應性控制需要的中子吸收功能。同時，所制備得到的核級碳化硼芯塊的物理和力學性能良好，能夠保證芯塊結構完整、性能穩定地運行于反應堆壽期內的高溫、輻照、沖擊和振動等各種工況下，并已用作國內研究性反應堆控制棒組件內的中子吸收體芯塊。

技術領域

本發明屬于核反應堆控制棒組件材料的制備領域，涉及一種核級碳化硼芯塊的制備方法。

背景技術

碳化硼(B₄C)因其中子吸收截面大，輻照穩定性能好，是一種常用的核反應堆中子吸收控制材料。B有¹⁰B和¹¹B兩種同位素，天然B中¹⁰B約占19.8at％，占80.2at％的¹¹B幾乎不吸收中子，只有¹⁰B可以吸收中子。碳化硼是極難燒結致密的陶瓷材料，密度最大可達2.55g/cm³左右，目前碳化硼芯塊制備多采用熱壓燒結和常壓燒結兩種方法，各有優缺點。采用鋼模成形與常壓燒結工藝制得的碳化硼制品密度偏低，力學性能相對較差，但可以凈尺寸成型，生產效率高，成本低。熱壓燒結的工藝制品密度高、晶粒小、力學性能好、工藝流程短，但生產效率相對較低，成本高。國內外對碳化硼燒結芯塊的研究已進行了多年，從最終碳化硼芯塊的應用需求而言，對芯塊性能的要求各不相同。

一般而言，獲取高致密度碳化硼燒結芯塊，大多采用熱壓燒結。熱壓燒結時，氣孔、裂縫等微觀缺陷不可避免，這些缺陷必然對材料的物理、力學性能產生一定影響，因此，芯塊燒結過程除對碳化硼的粉末粒徑有要求外，還需對熱壓溫度和熱壓壓力進行嚴格控制。理論上，碳化硼芯塊燒結孔隙率越低，密度越大，其抗壓強度、抗彎強度等力學性能越好，反之則越差。張繼紅等人在《高技術通訊》，80～83，2003(9)的“高溫氣冷堆控制棒B₄C芯塊的研制”中研究報道表明，碳化硼制品的密度隨燒結溫度的升高而增大。隨著燒結溫度的升高，制品內部擴散、蒸發、凝聚等作用加強，發生晶界移動，顆粒間氣孔減少、合并，從而使其致密度增加。同樣，隨著燒結壓力的增加，碳化硼芯塊晶界位置處的不規則連通氣孔逐漸減小至圓形小孔，密度也不斷增加。在相同密度要求下，過高的燒結溫度或者壓力會過度損耗燒結模具，或者使晶粒異常長大，難以控制。因此，根據碳化硼芯塊應用環境對碳化硼的¹⁰B富集度、燒結體密度、孔隙率、晶粒尺寸、物理性能和力學性能要求的不同，需要選擇適宜的碳化硼粉末組成及粒徑、預成型方式、熱壓燒結工藝條件來制備符合預期的碳化硼芯塊。

發明內容

針對現有技術中所存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種核級碳化硼芯塊的制備方法，以制備一種密度為2.1～2.2g/cm³，¹⁰B富集度大于85％的碳化硼芯塊，來滿足核反應堆反應性控制所需要的中子吸收功能。同時，在反應堆壽期內，所制備的碳化硼芯塊能夠保證結構完整、性能穩定地運行于高溫、輻照、沖擊和振動等各種工況下。

為實現此目的，本發明提供一種核級碳化硼芯塊的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括如下步驟：

(1)裝填組裝：將碳化硼原料粉末填裝在與所需碳化硼芯塊產品外形結構相符的模具中；

(2)冷壓預成型：采用液壓機對所述裝填碳化硼原料粉末的模具進行冷壓，在3～6MPa的預成型壓力作用下保壓5～10min，制成預成型碳化硼芯塊；

(3)升溫加壓燒結：1)將所述預成型碳化硼芯塊置于燒結模具中，放入真空爐內，將真空爐抽真空，升溫加壓，并通入惰性氣體保護；2)繼續升溫至2100～2200℃、加壓至15～25MPa，直至將碳化硼燒結為預期的凈尺寸芯塊，保溫保壓0.5～1.5h；3)隨爐自然冷卻至室溫后泄壓脫模取料，得到碳化硼芯塊產品。