[发明专利]一种中子吸收球的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆领域，特别是涉及一种中子吸收球的挤出成 型制备方法。

背景技术

作为清洁的、安全、环保的能源，核能发电对于缓解世界及各国 能源安全和全球气候变化问题都具有重要意义。虽然经过了美国三哩 岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故挫折，人们仍然在积极开发更安 全、经济性更好的核能发电技术。目前，第三代核电技术已经基本成 熟。

正在研发的第四代核能系统中，高温气冷堆可以实现很高的出口 温度，具有高发电效率和高品位热供应能力，引起人们广泛关注。

高温气冷堆采用陶瓷型包覆颗粒燃料元件，氦气作为冷却剂，石 墨作慢化剂，堆芯出口温度可以达到700℃，直至950～1000℃。高 温气冷堆是一种安全性能好的堆型，这是由于：1)优异的燃料元件 性能；2)石墨堆芯的热容量大；3)全范围的负反应性温度系数；4) 氦冷却剂为惰性气体，化学稳定性好，不会发生相变。

吸收球停堆系统是高温气冷堆的第二停堆系统，在高温气冷堆运 行过程中与控制棒系统配合，起到停堆与调节运行功率的作用。其工 作原理是，在正常停堆或者紧急停堆时，吸收球落入反应堆的吸收球 孔道，利用碳化硼中¹⁰B的吸收中子特性，吸收中子进而阻止反应堆 的链式反应，实现反应堆的停堆；当反应堆需要启动时，吸收球通过 气体输送送到反应堆顶部的贮球罐内，使之处于备用状态。

根据吸收球的使用工况，要求吸收球有很好的耐磨损性能和抗热 冲击性能，同时与石墨孔道间有良好的匹配性。纯碳化硼球的¹⁰B含 量高，中子吸收性能好，但易对石墨孔道造成磨损。含碳化硼的石墨 球可以具备中子吸收作用，并改善吸收球与孔道间的磨损，同时由于 采用石墨作为基体材料，使其具有良好的抗热冲击性能。

在传统石墨成型方法上，一般采用的是等静压成型或者模压成 型，这两种成型方法也可以制作含碳化硼的石墨球，但是制作效率相 对较低，需要投入大量人力。挤出成型在塑料行业大量使用，这种成 型方法效率高、可连续生产。传统的挤出成型一般采用沥青作为添加 剂，由于沥青的杂质含量较高，不能满足高纯度制品的生产要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的中子吸收球的制备方法，以解决现 有技术存在的上述问题，解决球状石墨制品大规模工业化生产的技术 问题。

本发明提供一种中子吸收球的制备方法，包括下述步骤：将炭素 原料和中子吸收材料混合得到的粉料加入到PVA与PEG的混合水溶 液中进行搅拌，混捏过程中加入硼酸，制成糊料；经过预压、挤出成 型、炭化、切割、磨加工、高温处理和表面包覆处理。

其中所述粉料按质量百分比包括石墨35％～75％、碳化硼 5％～35％，和任选的，炭黑0～30％；所用碳化硼为核纯级，其它原料 纯度大于99.5％；石墨可为天然石墨或人造石墨。

所述PVA与PEG的混合水溶液中，PVA和PEG的质量百分比 浓度为5％～20％，PVA和PEG质量比为(1～5)∶1；上述比例下PVA 与PEG两者都可以完全溶解。

所述粉料与PVA与PEG的混合水溶液的质量比为1∶(1～4)。

混捏过程中加入硼酸，加入量为粉料总重量的0.1％～2.0％，混捏 过程的温度为10～100℃，优选为20～100℃，混捏时间为0.5～6小时， 制成可供挤出成型的糊料。其中硼酸与PVA会相互作用起到增塑作 用，PEG作为偶联剂可以起到分散作用，在挤出成型时也将作为脱模 剂作用。

所述预压的压力为200～400MPa，保压1～10分钟；所述挤出成 型采用的压力为150～400Mpa，得到直径为5～15mm的棒料；其中所 述预压的压力大于成型压力。所得糊料是装入挤出成型机中进行预 压，；预压的压力要大于成型压力，但加压时间较短，主要是为排除 在糊料中的气体，得到较高的粉料密度。

所述挤出成型采用的压力为150～400Mpa，得到直径为5～15mm 的棒料。

所述棒料在氮气或惰性气体保护下炭化，以每分钟1～5℃升温到 700～1600℃，保温1～10小时。

将炭化后得到的棒料切割成小柱，其长度与直径基本相同；然后 对所得小柱进行磨加工处理，得到直径为5～15mm的球体。