[发明专利]一种核反应堆堆芯中子吸收材料钛酸铽芯块及其的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于核电站反应堆技术领域，具体涉及一种核反应堆堆芯中子吸收材料钛酸铽芯块及其制备方法。

背景技术

在核电站实际运行中，一般通过调节控制棒位置、硼酸浓度和堆芯冷却剂入口温度等手段实现对反应性的控制。堆芯冷却水入口温度与一回路的物理条件有关，无法随意变换，由这种变化引起的反应性控制在工程上受到很大限制。因此，一般采用控制棒和硼酸浓度作为控制变量来实现反应堆负荷跟踪控制。控制棒组件的提升和插入可以实现反应堆运行功率的控制，而在事故工况下快速引入负反应性，可以使反应堆紧急停堆，保证核电安全。

Tb属于镧系元素、具有适中的中子吸收截面，并具有稳定的同位素。钛酸铽具有高的抗辐照性能、热稳定性、热传导性以及机械强度，同时在与中子反应后不产生气体，适合用作核反应堆堆芯中子吸收材料。A.M.Zaslavskii采用脉冲激光技术合成了Tb₂TiO₅物相，但该方法难以在工业上进行大规模生产应用。Rober D.Aughterson采用粉末冶金法制备了Tb₂TiO₅块体，其工艺是通过硝酸醇盐合成技术得到混合粉末，再加热烘干；将干燥团聚的样品研磨成细粉，然后在刚玉坩埚中750℃煅烧1小时；将煅烧后的样品取出，用5毫米含钇氧化锆磨球球磨16小时；将球磨后粉末在3吨压力下先进行冷态单轴向模压30秒形成坯体，再在400MPa下冷等静压2分钟获得坯体；最后在1400℃下烧结48小时得到物相纯度在～95％的Tb₂TiO₅块体。但该工艺存在较多问题，包括(1)将干燥团聚的样品研磨成细粉，然后在刚玉坩埚中750℃煅烧1小时，这增加了制备工艺复杂性，会带来较多外来杂质的同时增加制备成本；(2)采用了冷态单轴向模压技术先将粉末预成型，这导致制备工艺复杂化，可控因素增多、将增加生产成本，不利于工业生产；(3)采用冷等静压2分钟时间短，不易获得致密的坯体。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种核反应堆堆芯中子吸收材料钛酸铽芯块及其的制备方法，采用球磨-冷等静压-烧结的方法制备钛酸铽芯块，减少了制备工艺中的预研磨煅烧过程以及预先冷态单轴向模压步骤，本发明实现制备工艺简化成本降低等，所需设备简单，所获得的钛酸铽芯块晶粒细小、组织结构均匀、致密度高，热传导性能和辐照性能优越等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种核反应堆堆芯中子吸收材料钛酸铽芯块的制备方法，包括：

1)将Tb₄O₇粉体和TiO₂粉体烘干以完全去除结晶水后，按Tb₄O₇粉体与TiO₂粉体之摩尔比为1:2～2.2混合进行球磨，球磨装填系数为0.3～0.8，球料比为1～50:1，球磨转速100～1000rpm，球磨时间1～120小时，得到混合粉体；

2)通过冷等静压将混合粉体压制成坯体，压制参数为：液压缸缸内压力100～460MPa、保压0.15～2.5小时；

3)将坯体在1100～1600℃烧结10～120小时，即得钛酸铽芯块。

一实施例中：所述Tb₄O₇粉体与TiO₂粉体之摩尔比为1:2～2.05，球磨装填系数0.48～0.52，球料比为9～11:1，球磨转速150～250rpm，球磨时间11.5～12.5h；冷等静压压制参数为：液压缸缸内压力170～190MPa、保压0.4～0.6小时；1250～1350℃烧结95～97小时，即得钛酸铽芯块。

一实施例中：所述Tb₄O₇粉体与TiO₂粉体之摩尔比为1:2～2.05，球磨装填系数0.48～0.52，球料比为1.0～1.1:1，球磨转速100～120rpm，球磨时间23.5～24.5h；冷等静压压制参数为：液压缸缸内压力445～455MPa、保压0.18～0.22小时；1450～1550℃烧结10～12小时，即得钛酸铽芯块。