基本介紹
- 中文名：重水堆燃料棒束
- 外文名：fabrication of fuelbundle for heavy water reactor
以天然UO2為陶瓷燃料芯塊、鋯-4合金為包殼及結構材料組成重水堆用短棒束型燃料組件的加工過程。
在近40年的發展過程中，其燃料棒和棒束的結構與製造工藝得到了不斷地改進和發展。圖示為經過改進完善並標準化了的CANDU6型重水堆燃料棒束，由UO2芯塊、鋯包殼、石墨中間層、端塞、隔離塊、支承墊和端板七個部分組成。其典型的製造工藝過程可分為三步：①鋯-4合金結構件的加工；②燃料棒的製備；③燃料棒束的組裝和檢查。
CANDU6型重水堆燃料棒束示意圖鋯-4合金結構件的加工 包括隔離塊、支撐墊、端塞、端板的加工。
隔離塊和支撐墊的加工 隔離塊和支撐墊的作用分別是使燃料棒之間、燃料棒束與壓力管之間保持一定的間隙，使重水順利通過，以達到冷卻和慢化的目的。
典型的加工工藝為將符合技術條件要求的鋯-4合金板條進行清洗、噴砂並真空塗鈹。塗鈹的作用是在釺焊隔離塊與包殼管、支承墊與包殼管時在其接觸區形成低熔點共晶合金從而保證其足夠的焊合強度。塗鈹工藝為將鋯-4合金板條固定在真空容器內，並對真空容器內的金屬鈹進行加熱，鈹蒸發後沉積在鋯-4板條表面而達到塗鈹的目的。然後將塗鈹的鋯-4板條由機加工成規定尺寸的隔離塊和支承墊。
製造工藝
端塞的加工
端塞由鋯-4合金棒切削加工而成。對鋯-4合金棒的強度、內部缺陷、抗腐蝕性能都有嚴格的要求。加工前要對鋯-4合金棒進行尺寸、外觀及超聲檢查。
端板的加工
端板是由鋯-4合金連續沖制，並經過噴砂去毛刺、清洗、烘乾加工而成。沖制端板用的鋯-4合金在冷加工後，需要進行消除應力退火。
燃料棒的製備
燃料棒由鋯-4合金包殼管，天然二氧化鈾芯塊、隔離塊、支承墊和端塞組成。燃料棒製造工藝主要包括燃料芯塊製備、包殼管準備和燃料棒裝配。
燃料芯塊製備
重水堆元件燃料芯塊製造工藝過程與壓水堆的基本相同，但重水堆元件燃料芯塊與壓水堆燃料芯塊相比，具有較高的化學純度，其化學雜質元素總硼當量數僅為1.1890；芯塊燒結密度大，不小於95%理論密度，同時芯塊尺寸(φ12.15×17.7mm)也大於壓水堆芯塊，端面為碟形。
包殼管的準備
包殼管的準備主要包括包殼管檢查，隔離塊支撐墊的釺焊，包殼管內壁塗層石墨等工藝。其準備步驟如下：
(1)包殼管的質量檢查 對鋯-4合金包殼管進行外觀、尺寸和超音波探傷檢查後，根據包殼管內徑尺寸範圍分類。然後對包殼管切定長，兩端加工，表面清洗。
(2)隔離塊、支撐墊與包殼管的焊接 先將隔離塊和支承墊按設計要求點焊在每根鋯管確定部位，然後在真空室內，感應加熱、釺焊。釺焊質量主要靠穩定的工藝來保證。
(3)包殼管塗石墨 塗石墨包括四個步驟，即塗敷、靜置、烘乾和固化。將專用石墨漿體從容器中壓入鋯管自下而上，到上端後再流回容器，靜置後在約140℃烘乾，最後在真空室內，約500℃下固化。石墨塗層要完整、均勻，厚度不小於3μm。然後用專用裝置清理鋯管兩端內壁，倒角，切定長。
燃料棒裝配
對天然UO2芯塊進行100%的外觀檢查和尺寸檢查，按技術要求對合格的芯塊排長、配塊、稱重和乾燥，按順序將芯塊裝入包殼管，然後抽空，充氦，進行端塞與鋯包殼的磁力電阻密封焊，燃料棒密封好後，要放入定型車床清除焊瘤並將端塞外形加工成規定的形狀。
裝配好的燃料棒要進行100%的氦質譜檢漏和稱重檢查，然後進行脫脂、酸洗、漂洗和乾燥。
燃料棒束的組裝和檢查
組裝燃料棒束並予以檢查。
燃料棒束的組裝
將合格的燃料棒按順序垂直放入焊接夾具中，37根為一束，用接觸點焊機，先將一端端板與燃料棒端塞焊好，然後再焊另一端，即完成燃料棒束組裝加工。
燃料棒束的檢查
組裝好的棒束用專用儀器和規尺按標準要求進行外觀、尺寸、水隙檢查和稱重檢查。然後對燃料棒束進行超音波清洗，用無油壓縮空氣吹乾；抽取一定百分比的燃料棒束進行放射性污染檢查，將合格的燃料棒束裝箱入庫。
CANDU燃料元件發展趨勢 CANDU反應堆具有很高的中子經濟性，不停堆換料，且燃料棒束設計簡單，使其能夠適應多種燃料的套用。研究開發包括低富集鈾(SEU)、輕水反應堆乏燃料回收料、鈽及其他錒系元素的套用等。CANDU反應堆的另一特點是燃料循環的靈活性大。例如正在研究中的DUPIC燃料循環(direct use of spent PWR Fuel in CANDU)，通過乾法，可將壓水堆乏燃料的回收料轉化成CANDU燃料。
近年來發展研製了由43根兩種尺寸和兩種富集度鈾燃料棒組成的CANFLEX(CANDU flexible fuelling)燃料棒束，以達到更高的燃耗。
