燃料芯塊，為構成燃料元件而堆疊在包殼內的燃料小塊，通常為圓柱形。燃料芯塊是燃料元件的核心部分，目前在核燃料領域中，氧化鈾、氧化釷、氧化鈽及其混合物和其它氧化物的套用較為廣泛，其中二氧化鈾芯塊（UO2）以其獨特的性能優點幾乎成為所有輕水堆、重水堆的主要燃料。
基本介紹
- 中文名：二氧化鈾芯塊
- 外文名：Fuel pellet
二氧化鈾核燃料芯塊特點,二氧化鈾芯塊製造工藝,混合,制粒,成型,燒結,磨削,
二氧化鈾核燃料芯塊特點
經過長期的堆內考驗，確認二氧化鈾是一種很好的核燃料。其優良特性主要表現在：
1)作為非裂變的組合元素氧的熱中子俘獲截面極低（<0.0002 靶）;
2)熔點高達 2800℃，擴大了反應堆可選用的工作溫度;
3)在熔點以內只有一種結晶形態，各向同性，沒有金屬鈾各向異性帶來的缺陷；
4)輻照穩定性好，經長期輻照能保持其穩定的尺寸和形狀；
5)對冷卻劑水的抗腐蝕性能好，與包殼材料有很好的相容性。
二氧化鈾芯塊作為核燃料的不足之處是鈾密度低；導熱係數僅為金屬鈾的十幾分之一，容易引起芯塊局部過熱和影響芯塊向冷卻劑傳熱；質硬且脆，不利於加工和運輸；從 UF6（六氟化鈾）到製成 UO2芯塊，需要一套較特殊而且技術要求高的加工工藝。儘管如此，它仍然是動力堆用得最廣泛的核燃料。
二氧化鈾芯塊製造工藝
二氧化鈾芯塊採用傳統的粉末冶金工藝製造，即將二氧化鈾粉末冷壓成生坯，然後高溫燒結成具有一定尺寸、形狀、強度和密度的燒結塊。最後磨削、檢查，得到符合技術條件要求的二氧化鈾芯塊。
混合
在二氧化鈾芯塊製造中，為了使獲得的成品芯塊能夠達到設計技術條件要求的密度和微觀結構，往往需要在基體二氧化鈾粉末中添加一些密度調節劑或造孔劑，也有為改善粉末壓制性能而添加的潤滑劑，還有為獲得較大的芯塊晶粒尺寸而添加的晶粒長大劑。這些添加劑粉末必須均勻地分布在基體粉末中，因此，混合在芯塊製造中是必不可少的。
二氧化鈾粉末混合採用機械混合法。粉末在混料器里依靠機械作用，相互擴散、對流和剪下，最終達到混合均勻的目的。
制粒
陶瓷級二氧化鈾粉末由於顆粒很細，流動性很差，無法滿足自動成型時的填模。因此，在成型前要對粉末進行制粒處理。通常採用的制粒工藝稱為“乾法制粒”工藝，包括預壓、制粒和球化等三個過程。
成型
成型是粉末冶金過程中一道非常重要的工序。它的作用就是通過加壓或不加壓的辦法使粉末固化。成型的基本目的是：
1)得到所需要的製品（又稱生坯）形狀；
2)獲得工藝條件規定的生坯塊密度；
3)使機械固結的生坯具有足夠的強度；
4)有利於隨後的燒結過程。
燒結
燒結是在低於待燒結物主要成分熔點的某一溫度下，為了提高粉末或壓坯強度的熱處理過程。在二氧化鈾芯塊製造中，燒結是非常重要而且必不可少的一道工序。由於二氧化鈾熔點很高（2865±15℃），因此，二氧化鈾坯塊的燒結溫度也很高（通常達1700℃以上），而且二氧化鈾粉末中多餘的氧必須在燒結過程中去除，因此，二氧化鈾的燒結必須在還原性（氫氣）氣氛下進行。
磨削
二氧化鈾芯塊在燒結過程中坯塊尺寸會發生不均勻地收縮，體積收縮率可達 50%，造成燒結塊“凹腰鼓”狀變形，為了儘可能減小變形，從而避免反應堆在運行工況下二氧化鈾芯塊與包殼間的相互機械作用，對燒結塊的外圓進行磨削，使其設計公差在允許範圍內，進而保證二氧化鈾芯塊和包殼間的間隙達到合適的範圍。燒結塊通常用金剛石材料作為磨輪，在無心磨床上進行外圓磨削。二氧化鈾芯塊的磨削過程包括無心外圓磨、清洗、烘乾和外觀檢查等多道工序。把這些工序連線起來，就構成了工程套用的生產線。
