[发明专利]IMDP芯块增材制造方法及IMDP芯块

说明书

本发明公开了一种IMDP芯块增材制造方法及IMDP芯块，IMDP芯块增材制造方法包括：S1、将基体原料放入三维打印机内；S2、三维打印机的打印机头输出熔融状的基体原料，在打印平台上打印出具有一个或多个按设定距离排布的凹槽的基体单元；S3、与三维打印机协同的机械臂将TRISO颗粒放到凹槽内；重复执行步骤S2‑S3多次，依次打印出的多个基体单元连接为一体，并与其上的TRISO颗粒形成芯块初体结构；S4、打印机头再输出熔融状的基体原料，在芯块初体结构的顶部打印出覆盖层，将裸露在芯块初体结构顶部的TRISO颗粒覆盖，并与芯块初体结构连接形成整体的IMDP芯块。本发明以三维打印方式制造IMDP芯块，实现TRISO颗粒的合理分布，提高核物质的装载量，稳定芯块的性能。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种IMDP芯块增材制造方法及IMDP芯块。

背景技术

IMDP全称是Inert Matrix Dispersed Pellet，中文名称为“惰性基弥散燃料芯块”。在结构上，IMDP芯块包含燃料区和无燃料区，燃料区为TRISO颗粒弥撒在基体材料内形成，其中含有的TRISO颗粒作为核燃料，无燃料区全部由基体材料构成。

IMDP芯块最主要特征是高安全性，TRISO颗粒和基体都具有高安全性。TRISO颗粒由核心和外包裹层构成，核心是UO₂或其他裂变物质，外包裹层具有四层结构，由内至外分别为：疏松缓冲层、致密阻挡层、结构支撑密封层和润滑保护层。TRISO颗粒中，多层包裹结构有效阻挡裂变物质释放，其中疏松缓冲层具有极大的变形能力可以容纳核心的热膨胀和辐照肿胀。每层包裹层的热导率高，尤其在严重事故工况下，大幅降低核心熔化的风险。基体材料为化学性质稳定、耐腐蚀性能优良、力学性能优异的材料，从而进一步保障了高安全性。

现有IMDP芯块的制备方法是粉末冶金方法，工艺流程长，制备工艺复杂。采用粉末冶金方法制备IMDP芯块的流程如下：首先，TRISO颗粒经过“穿衣”工艺，表面涂敷一层基体材料；其次，分别采用基体材料分别制备无燃料区上下盖和无燃料区套筒；第三，压制“穿衣”完毕的TRISO颗粒形成燃料区素坯；第四，组装无燃料区和燃料区并采用热压烧结或者SPS烧结方法完成制备。

然而，现有的IMDP芯块的制备方法存在以下缺陷：

(1)、TRISO颗粒间的距离是随机的，分布没有规律，造成芯块间性能波动较大；

(2)、TRISO颗粒装载量受限，传统工艺中存在挤压工艺过程，TRISO颗粒“穿衣”层无法减薄，因此TRISO颗粒间的距离不能减小，而且无燃料区厚度也因为工艺加工方法所限制不能减小；

(3)、不能加工导角和碟形，不能有效缓解芯块的热应力变形。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种实现TRISO颗粒合理分布，稳定芯块性能的IMDP芯块增材制造方法及该方法制得的IMDP芯块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种IMDP芯块增材制造方法，包括以下步骤：

S1、将基体原料放入三维打印机内；

S2、三维打印机的打印机头输出熔融状的基体原料，在打印平台上打印出具有一个或多个按设定距离排布的凹槽的基体单元；

S3、与所述三维打印机协同的机械臂将TRISO颗粒放到所述凹槽内；

重复执行步骤S2-S3多次，依次打印出的多个基体单元连接为一体，并与其上的所述TRISO颗粒形成芯块初体结构；

S4、所述打印机头再输出熔融状的基体原料，在所述芯块初体结构的顶部打印出覆盖层，将裸露在所述芯块初体结构顶部的TRISO颗粒覆盖，并与所述芯块初体结构连接形成整体的IMDP芯块。

优选地，所述IMDP芯块的相对两端周缘分别设有倒角。