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核“姿势”51---燃料组件的制造

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时间:2010年07月28日来源:中国能源报作者:核科学与技术专业博士刘志?点击量:896分享:
    浓缩过的六氟化铀,转化成二氧化铀芯块,然后放入包壳管内组装成燃料棒,就得到了燃料元件。燃料元件是核电厂反应堆的第一道安全屏障。

  核燃料元件的工作条件可谓是水深火热——反应堆内是强辐射、高温、高流速甚至高压的环境,燃料元件要在正常或异常条件下完好无损,并且要在反应堆内坚持几年的时间才能卸出。因此,核燃料元件制造的技术含量比较高。对于高温气冷堆的球形燃料元件、研究试验堆的板状燃料元件等,因为燃料成分不同、元件形态各异,也就分别有了各具特色的制造方法。对于压水堆核电厂,由低浓缩的六氟化铀到制造出燃料元件,一般需要经历四个工序。

  第一个工序是将六氟化铀化工转化为二氧化铀粉末。最早实现工业规模生产二氧化铀粉末的工艺是ADU湿法,即将原料六氟化铀通过汽化、水解、沉淀、干燥为重铀酸铵(ADU)粉末,然后再通过煅烧分解脱氟还原成二氧化铀粉末。这种工艺流程较长,产生大量废水需要处理。后来又发展出了IDR干法,即将原料六氟化铀在干式转化炉中与氢气和水蒸气反应生成二氧化铀粉末。这种方法在一台设备内通过连续操作完成制备,环境污染小。

  第二个工序是二氧化铀芯块的制备。这个过程类似于一般陶瓷的制造工艺,第一个工序制得的二氧化铀粉末,要进行合批均匀化处理,使不同批次的粉末均匀一致地混合,然后压制出生坯,放到烧结炉中烧结。烧结是芯块制备的关键工艺。生坯烧结时会发生显著的收缩,因此在烧结过程中需要优选烧结的气氛、温度、时间等条件,对可能发生的收缩精确控制,保证芯块的尺寸和密度的公差要求。烧结后的芯块还要经过磨削、水洗和干燥和产品检验。

  第三个工序是锆合金包壳管的准备。包壳管用来包容燃料芯块,封闭裂变产物,直接影响着燃料元件的使用寿命。核电发展早期曾使用过铝合金和镁合金作为包壳材料,但是禁不住高温高压水的腐蚀,逐渐被锆合金取代。锆几乎不会浪费反应堆内的中子,熔点很高,掺入了锡、镍等元素后熔炼出的合金耐腐蚀性能很好,燃料元件在反应堆内的服役时间不断攀升。为了提高包壳管的寿命,还要对其表面进行处理,生成一层氧化膜,减少搬运转移过程中的划伤污损,降低在反应堆内的腐蚀速率,同时可以根据局部变色进行外观检查。

  第四个工序是燃料棒的组装。燃料棒的组装说起来简单,就是先把锆合金包壳管的底部通过焊接短塞封好,然后把二氧化铀芯块连同压紧弹簧等装进去,最后安好上短塞。但是这道工序做起来还是细致活儿,因为芯块和包壳之间间隙很小,不管是机械化自动装管还是手工装管,都要注意避免出现芯块安装不到位、不同丰度芯块混装、污染包壳管表面等现象,这些都会影响到燃料元件在反应堆内的辐照行为。

  燃料棒装入由格架和导向管焊成的骨架中,再与上下管座相连接,就做好了燃料组件,可以放入反应堆内工作了。

  随着核电运行经验的积累,燃料元件的设计更趋合理、性能不断提高。AP1000反应堆所使用的燃料组件的平均燃耗可以达到上世纪70年代初的3倍。


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