基本介紹
- 中文名：快中子增殖堆燃料組件製造
- 外文名：fabrication of fuel assembly for fast breeder reactor
快中子增殖堆燃料組件是由幾十根到幾百根燃料棒按正三角形點陣排列鑲嵌在導軌式格柵上，再裝入六角形外套管而組成的。外套管上端有組件操作機構，下端有組件定位管座(見圖)。快堆燃料組件的製造主要包括燃料芯塊製備，燃料棒製造和燃料組件組裝。
快中子增殖堆燃料組件
快中子增殖堆燃料組件燃料芯塊製備 目前建成的快堆大多數採用鈾鈽混合氧化物(UO2-PuO2)燃料。其芯塊製造工藝大體可分為調粉和制塊兩個步驟。
調粉 原料粉末的調製方法有機械混合法和共沉澱法。前者按規定的混合比將一定量的UO2粉末和PuO2粉末，用混料機進行混料，得到均勻的UO2-PuO2混合粉末。後者按規定的混合比將硝酸鈾醯〔UO2(NO3)2〕和硝酸鈽〔Pu(NO3)4〕混合，用氨水或草酸使鈾和鈽同時沉澱，經過濾、乾燥、焙燒及還原得到(U，Pu)O2粉末。
制塊 包括粉碎、制粒、成型、預燒結、燒結、整徑和密度檢查。①粉碎:用球磨機和振動機將(U，Pu)O2粉末粉碎約2~8h，以獲得燒結性能良好、密度符合標準的活性粉末。②制粒:加入固體添加劑，如聚氧乙烯系、多價醇部分脂系、酯和醚系的有機物與(U，Pu)O2粉末相混，在較低的壓力下成型，並粉碎到約20目大小，選出符合要求的顆粒。或用水、酒精、四氯化碳等液體添加劑做成溶液，再在攪和機中與(U，Pu)O2粉末混合製成泥漿，經乾燥、篩分、再乾燥等整粒操作。③成型:用凸輪式或旋轉式壓力機將粉粒在模具中壓縮成型。一般粗成型壓力為98MPa，正式成型為196MPa，使生坯密度分別達到5g/cm和6g/cm左右。為了防止芯塊上下端面的尺寸偏差，且使密度儘可能均勻，可採用雙面壓縮。④預燒結:在400~800℃的還原性氣氛(氫氣)保護下進行，使添加劑發生熱分解逸出。如要除去芯塊中的碳，則應在700℃以上採用CO2氣體保護更為有效。⑤燒結:(U，Pu)O2的燒結在1500~1800℃的還原性氣氛(N2-5%H2)或真空中進行，燒結時間約2~4h。⑥整徑:對燒結好的燃料芯塊用直徑分類儀進行分類，超過規定公差範圍的燃料芯塊要整徑，即在無心磨床上進行研磨。⑦密度檢查:加工好的燃料芯塊要隨機抽樣進行表麵條件、形狀、尺寸的檢查，計算燃料塊的密度，根據質量驗收標準決定取捨。
燃料棒製造 燃料棒由包殼管、燃料芯塊、上下再生材料塊、壓緊彈簧、套管和上下端塞構成。燃料棒的製造普遍採用芯塊填裝法，而不用振動填充法和旋鍛法。芯塊填裝法生產燃料棒首先將下端塞和包殼管焊接，然後將芯塊、彈簧等裝入包殼管，再壓入上端塞，進行焊接。①下端塞與包殼管焊接:包殼和下端塞都由不鏽鋼製成，採用半自動的氬弧焊接工藝(TIG)焊接。焊接部位的機械性能、氣孔率、焊接咬邊及異類物的夾雜等都要符合規定。②芯塊填裝:用電學方法自動測定整形後符合標準的芯塊柱的全長，通過氣壓、油壓或電機轉動自動把燃料芯塊和再生材料塊裝入包殼管。③管口去污:在填裝芯塊時，芯塊經過的管口往往被放射性物質所沾污，在管口焊接時產生焊接缺陷或引起固定沾污。因此，管口要用浸過酒精的棉棍擦拭去污。④上端塞焊接:管口去污後，裝入套管、壓緊彈簧，再壓入上端塞。從焊接質量考慮，端塞配合部分尺寸一般要比包殼內徑大0.01~0.02mm，端塞中心開孔，供燃料棒內抽真空和充氦氣結合層之用。用TIG焊接工藝，在手套箱內進行焊接。焊接部位的機械性能、氣孔率、焊接咬邊及異類物的夾雜都要符合規定。⑤充結合層介質:將燃料棒抽至10~10Pa真空度，保持10~15min，在室溫下充入0.1MPa的氦氣。最後在保持氦壓狀態下將通孔堵焊；⑥表面去污:在從手套箱的氣氛中取出燃料棒之前，用浸過酒精或丙酮的布擦拭表面進行去污。⑦質量檢查:燃料棒加工結束後要對焊接部位進行X射線檢查、氦氣找漏、平直度和外觀等檢查。
燃料組件組裝 大體分為束棒組裝、結構件焊接和質量檢查三個步驟。
束棒組裝 根據燃料棒徑向定位方式的不同，分金屬繞絲定位和格架定位兩種組裝。前者用直徑略小於燃料棒間的間隙的不鏽鋼絲。先在一定的作用力下把金屬絲拉緊，剪下所需長度的金屬絲，把金屬絲的一端穿入下端塞的小斜孔內，並伸出1.5~2.0mm長，移到TIG電弧下焊接，然後在一定的拉力(40~60MPa)下按照要求的螺距進行繞制金屬絲，繞到另一端後，用一定位片鎖緊燃料棒上端塞處的金屬絲，轉動拉緊金屬絲小片的牙，把金屬絲嵌入上端塞上磨銑的槽內，剪去多餘的金屬絲，用TIG工藝將金屬絲焊到上端塞。隨著TIG工藝的發展，可將金屬繞絲的兩端直接與上、下端塞焊接，無需在端塞上鑿孔開槽。最後將有繞絲的燃料棒通過它下端塞的槽，逐根地嵌入導軌式的格柵構成束棒。
格架定位用金屬片或小六角管通過點焊或鉛焊構成格架，將燃料棒一根一根插入格架，然後嵌入導軌式格柵組成束棒。
上禁止棒束的組裝工藝同燃料棒束。
結構件焊接 將符合標準的下外套管和組件的管座置於一個能使部件轉動的組裝台架上，並對中下外套管和管座的焊接部位，用胎具固定。為了保證組裝質量，先用TIG工藝，一組一組對邊依次點焊兩點定位，取掉胎具，也是一組一組對邊依次用TIG工藝焊接。焊接好後，把組裝好的束棒從下外套管的另一端裝入，藉助幾個(一般為三個)特殊的埋頭螺釘，把束棒的格柵固定在管座上或下外套管上，即固定了束棒的軸向位置。接著將組裝好的上禁止棒束裝入上外套管，上外套管的上、下兩端分別與操作機構和柵格焊接。然後柵格與下外套管焊接，其焊接工藝和方法同上。最後焊接間隔塊，間隔塊的材料為硬質合金，如司太立合金。先在組件外套管外表面上確定焊接位置，把已加工好的間隔塊覆蓋在被焊接位置上，用TIG在焊件周圍點焊數點，然後用TIG工藝焊接。
質量檢查 除了對焊縫進行X射線檢查外，還要用外形測量儀測量出形位公差，給出組件的扭曲度、不直度和同軸度，這些都應在給定的公差範圍內。
