[发明专利]一种靶件内燃料芯块与包壳间隙闭合方法

说明书

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。

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。