申请/专利权人：中国原子能科学研究院

申请日：2019-06-06

公开（公告）日：2020-11-24

公开（公告）号：CN110277177B

主分类号：G21C3/16(20060101)

分类号：G21C3/16(20060101);G21C17/07(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.11.24#授权;2019.10.22#实质审查的生效;2019.09.24#公开

摘要：本发明属于核燃料制备技术领域，涉及一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法。所述的方法包括如下步骤：1将燃料芯块装进包壳管内，不充高纯氦气，而用真空电子束焊接将上、下端头分别与包壳管密封，制成靶件；2将靶件放进热等静压炉内进行热等静压处理，使靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合。利用本发明的靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，能够更好的使靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合，并不破坏包壳管和内部芯块的完整性。

主权项：1.一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：1将燃料芯块装进包壳管内，不充高纯氦气，而用真空电子束焊接将上、下端头分别与包壳管密封，制成靶件；2将靶件放进热等静压炉内进行热等静压处理，使靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合。

全文数据：一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法技术领域本发明属于核燃料制备技术领域，涉及一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法。背景技术靶件是将燃料芯块装入包壳管内，并用上、下端头分别与包壳管焊接密封而成。采用传统的燃料芯块装管工艺制造燃料元件或靶件时，总是在芯块与包壳内壁之间存在一定的间隙。为了提高导热性能，往往需要在元件或靶件内充入一定压力的高纯氦气。但在烧结芯块外圆不研磨的情况下，芯块外径大小难以精确控制，芯块外径分布较宽，对元件或靶件的制造质量有很大影响。如果芯块外径偏小，则间隙过大，会影响导热性能和辐照安全；反之，如果芯块外径偏大，则很难装进包壳管内而暂时报废；如果间隙不均匀，则导热和温度分布也会不均匀。到目前为止，消除芯块与包壳内壁之间存在一定的间隙最流行的做法是采用共热挤压工艺使芯块与包壳之间形成冶金结合，组成一体化板型燃料元件或靶件，例如研究堆用的板型U3Si2-Al弥散燃料和Al-NpO2弥散镎靶件早期采用共热挤压工艺。但是，采用共热挤压工艺制造高毒性、强放射性的Pu、Np、Am、Cm等次锕系元素材料时，要求设备和材料均放进密封、屏蔽的手套箱内，操作和检修的难度非常大；且工艺复杂、效率低、废品率较高。如果采用共热挤压工艺制造镎靶件，辐照后进行后处理时，芯块和包壳要一起被溶剂溶解，会造成太多的放射性废物。因此，从镎靶件辐照安全性高、辐照转化产量高、后处理废物少、制造设备和工艺简单、综合成本低等原则考虑，需要开发一种使芯块与包壳间隙闭合的高效、经济的新技术。发明内容本发明的目的是提供一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，以能够更好的使靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合，并不破坏包壳管和内部芯块的完整性。为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，所述的方法包括如下步骤：1将燃料芯块装进包壳管内，不充高纯氦气，而用真空电子束焊接将上、下端头分别与包壳管密封，制成靶件；2将靶件放进热等静压炉内进行热等静压处理，使靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合。本发明的原理说明如下。以芯块装管式镎靶件为例，先将满足设计技术条件的Al-NpO2燃料芯块装进6061铝合金包壳管内，此时芯块与包壳内壁之间是有间隙的，且各处间隙是不均匀的。然后，不充高纯氦气，用真空电子束焊接取代TIG焊接，将靶件的上、下端头分别与铝合金包壳管焊接密封，焊缝经氦检漏仪检查合格，靶件经去污后表面污染度合格。之后，将靶件放进热等静压炉内加热加压、保温保压一定的时间，在温度和均匀等静压力作用下，包壳管发生均匀挤压塑性变形，从而使包壳内的芯块与包壳内壁之间的间隙闭合。热等静压HIP是粉末冶金领域中的一种常用烧结工艺方法参考中南大学教科书《粉末冶金原理》黄培云主编，冶金工业出版社，1997年，226页。其是将粉末装入高温下不熔化、易变形、不与粉末发生反应的玻璃或铁等包套内，并抽真空后焊接密封；然后放入HIP炉内升温，通入高纯氩气加压，使压力均匀作用于包套外表面，导致包套内部的粉末发生均匀的收缩和致密化。也可以将无压烧结后，相对密度大于94％、无开孔的烧结体不需包套，直接放入HIP炉内进行高温高压处理，使闭孔收缩闭合，这可以进一步提高材料的致密化和力学性能。一般HIP炉处理的最高温度为2000℃，最高压力为200MPa。根据Al-20wt％NpO2镎靶件设计技术条件，芯块外径与外包壳内壁之间的间隙、芯块内径与内包壳外壁之间的间隙均为0.1mm，要求芯块的内径、外径偏差均为0.05mm。而实际上对于烧结后外圆不研磨的芯块，其内径、外径尺寸要精确控制是比较难的，会因为粉末性能、成型模具、烧结温度、真空度、烧结时间等因素的波动而发生变化。需要研究优化热等静压的温度、压力、时间等关键工艺参数，确保间隙刚好闭合但还未发生严重的元素扩散反应例如用X射线照相技术观察间隙的变化，以便辐照后可以较轻易地分开芯块和包壳管，且确保靶件和芯块是完整无缺的，即靶件不发生明显的扭曲变形，芯块也不发生变形或开裂。保温保压结束后，随炉冷却，取出靶件，再进行后续的靶件组装。在一种优选的实施方案中，本发明提供一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，其中步骤1中，真空电子束焊接后，还对焊缝进行氦检漏仪检测，并对靶件表面去污后进行污染度检测。在一种优选的实施方案中，本发明提供一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，其中步骤1和步骤2中，所述的燃料芯块为Al-NpO2燃料芯块或U3Si2-Al燃料芯块。在一种优选的实施方案中，本发明提供一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，其中步骤1和步骤2中，所述的包壳管为铝合金包壳管。在一种优选的实施方案中，本发明提供一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，其中步骤1和步骤2中，所述的包壳管为6061铝合金包壳管。在一种优选的实施方案中，本发明提供一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，其中步骤2中，所述的热等静压处理的温度为400-500℃，压力为50-200MPa，时间为30-60min。本发明的有益效果在于，利用本发明的靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，能够更好的使靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合，并不破坏包壳管和内部芯块的完整性。本发明仍然以传统的芯块装管工艺组装成元件或靶件，对真空焊接密封的元件或靶件进行热等静压HIP处理，使芯块与包壳内壁之间的间隙闭合，同时保证元件或靶件的整体外观结构和尺寸不变，有利于元件或靶件在反应堆内辐照时快速导热，提高辐照安全性。与传统的共热挤压工艺相比，该创新工艺简单方便、产品合格率高，且在进行HIP处理时放射性材料已经完全密封，生产操作安全性较高。此外，本发明还可在确保辐照安全性的前提下，优化元件或靶件设计参数，提高辐照产量和经济性。具体实施方式示例性的本发明的靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法包括如下步骤：1将燃料芯块为Al-NpO2燃料芯块或U3Si2-Al燃料芯块装进包壳管为6061铝合金包壳管内，不充高纯氦气，而用真空电子束焊接将上、下端头分别与包壳管密封，制成靶件。真空电子束焊接后，还对焊缝进行氦检漏仪检测，并对靶件表面去污后进行污染度检测。2将靶件放进热等静压炉内进行热等静压处理，使靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合。热等静压处理的温度为400-500℃，压力为50-200MPa，时间为30-60min。表1列出了Al-20wt％NpO2靶件热等静压处理的条件及实验结果可见，温度是最主要的影响因素。表1Al-20wt％NpO2靶件热等静压处理的条件及实验结果可见：1当温度为400℃、压力为50-200MPa时，HIP处理60min，间隙闭合。2当温度为450℃、压力为50-200MPa时，HIP处理60min，均可以使间隙闭合，而且不破坏包壳管和内部芯块的完整性。3当温度为500℃、压力为50-200MPa时，HIP处理40min，效果好。因此，最佳的HIP处理工艺参数是：温度为400-500℃，压力为50-200MPa，时间为30-60min。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

权利要求：1.一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：1将燃料芯块装进包壳管内，不充高纯氦气，而用真空电子束焊接将上、下端头分别与包壳管密封，制成靶件；2将靶件放进热等静压炉内进行热等静压处理，使靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中，真空电子束焊接后，还对焊缝进行氦检漏仪检测，并对靶件表面去污后进行污染度检测。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1和步骤2中，所述的燃料芯块为Al-NpO2燃料芯块或U3Si2-Al燃料芯块。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1和步骤2中，所述的包壳管为铝合金包壳管。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1和步骤2中，所述的包壳管为6061铝合金包壳管。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中，所述的热等静压处理的温度为400-500℃，压力为50-200MPa，时间为30-60min。

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