[发明专利]一种制备高温堆燃料元件UO2核芯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温气堆燃料元件UO₂核芯的制备工艺中的焙烧、还原和烧结，属于反应堆核燃料元件制造方法技术领域。

技术背景

在以溶胶-凝胶法为基础的UO₂燃料核芯的制备工艺中，不论是外胶凝、内胶凝还是全胶凝工艺，在凝胶球干燥之后，都要进行焙烧、还原和烧结，以得到尺寸和球形度符合设计要求、均匀、致密的UO₂陶瓷微球。焙烧、还原和烧结三个工艺在UO₂核芯的生产中被定义为干法工艺。干法工艺的主要作用是：干燥后的凝胶球含有聚乙烯醇、甲基纤维素和四氢糠醇等含碳氢化合物，焙烧的主要作用是通过加热使这些碳氢化合物氧化，生成CO₂、CO、H₂O蒸气等可逸出气体。焙烧后微球的化学成分是UO₃，为了得到UO₂微球，需要对其进行低温还原，而烧结的目的是使微球密实化、提高强度和辐照时对裂变产物的滞留阻挡能力。

在高温气冷堆燃料元件UO₂核芯的生产中，干法工艺主要有以下几种不同途径：德国NUKEM流程中(H.Huschka et al，IAEA-161，37-47，Vienna(1974))，焙烧在马弗炉中完成，通过鼓风机向炉内通入空气，煅烧温度450℃；还原和烧结在分为4个温区的推舟炉(连续炉)中进行，前两个温区进行还原，最高温度为700℃，后两个温区进行烧结，最高温度1600℃。意大利专利No.727301；No.778786所描述的SNAM流程中，干法工艺分别在两个推舟炉中进行：焙烧在一个垂直移动床炉内进行，空气气氛，炉内温度呈梯度分布，最高可用温度为700℃；还原烧结在高温炉中进行，该高温炉分为两个温区，分别进行还原和烧结，气氛为4％H₂+96％Ar。在日本专利JP2006038764A和JP2006038793A的描述中干法工艺分两步完成：在马弗炉中进行焙烧，温度400～600℃，空气气氛；还原和烧结在一台高频感应加热炉中进行，首先在H₂下400～700℃还原，然后在1200℃以上温度进行烧结，气氛为H₂。南非工艺中(Anneleen müller，3^rd International Meeting on HTR)，焙烧在的马弗炉中进行，400℃，空气气氛；还原和烧结在钟罩式电阻炉中进行，首先在450～650℃还原，然后在1600℃烧结，纯H₂气氛。我国在10兆瓦高温气冷堆燃料元件生产期间，UO₂核芯生产的干法工艺中的焙烧、还原和烧结分别在三台炉子中进行。

为了保证核芯微球焙烧充分，还原完全，在焙烧和还原过程中微球在托盘或坩埚内都需要尽可能单层排布。在以上所述的工艺中，NUKEM流程和SNAM流程中还原和烧结在推舟炉中连续进行，适合于日产在100KgU微球的大规模连续生产，对日产要求在50KgU以下的生产不利于节能降耗；日本和南非工艺中，还原和烧结在高温炉中进行，由于还原时微球单层排布，在一定容积的炉内装料量少，因此造成烧结时生产效率低。其次，把还原和烧结放在一台炉内进行，在还原过程中由于氧化铀的化学反应会产生数量可观的水，对高温烧结炉的发热材料、保温材料在高温下都有很大的浸蚀，炉子的寿命大大缩短，增大了生产成本。第三，从焙烧炉出料后，微球需要重新布料装料，增加工艺步骤。在我国10兆瓦高温气冷堆燃料元件生产工艺中，由于使用三台炉子分别独立完成焙烧、还原和烧结，设备数量多；UO₂微球从焙烧、还原到烧结完成，需要168小时，周期长，成本高，不适合规模化生产。因此本发明提出一种新的干法工艺，将焙烧和还原放在一台炉内进行，烧结单独进行。这样可以减少工艺时间，减少操作步骤，降低生产成本。

发明内容

本发明的目的在于为制备UO₂核芯微球提供一种新的干法工艺，主要目标是减少微球的焙烧、还原、烧结周期，降低生产成本，适于日产在4～50KgU的规模化生产；二是消除还原产生的水汽对高温烧结炉内钨钼发热体、保温材料的腐蚀破坏，提高炉子的使用寿命。

本发明将干燥后微球的热处理的三个过程分别在两台炉子里完成，即在一台低温炉中完成微球的焙烧和还原，然后再在一台气氛保护得高温炉中完成微球的烧结。

一种制备高温堆燃料元件UO₂核芯的方法，其过程是：