專利名稱:一種中子吸收球的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆領(lǐng)域，特別是涉及ー種中子吸收球。
背景技術(shù)：
作為清潔的、安全、環(huán)保的能源，核能發(fā)電對(duì)于緩解世界及各國(guó)能源安全和全球氣候變化問(wèn)題都具有重要意義。雖然經(jīng)過(guò)了美國(guó)三哩島和前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故挫折，人們?nèi)匀辉诜e極開(kāi)發(fā)更安全、經(jīng)濟(jì)性更好的核能發(fā)電技木。目前，第三代核電技術(shù)已經(jīng)基本成熟。
正在研發(fā)的第四代核能系統(tǒng)中，高溫氣冷堆可以實(shí)現(xiàn)很高的出口溫度，具有高發(fā)電效率和尚品位熱供應(yīng)能力，引起人們廣泛關(guān)注。
高溫氣冷堆采用陶瓷型包覆顆粒燃料元件，氦氣作為冷卻剤，石墨作慢化劑，堆芯出ロ溫度可以達(dá)到700°C，直至950 1000°C。高溫氣冷堆是ー種安全性能好的堆型，這是由于1)優(yōu)異的燃料元件性能；2)石墨堆芯的熱容量大；3)全范圍的負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)；4)氦冷卻劑為惰性氣體，化學(xué)穩(wěn)定性好，不會(huì)發(fā)生相變。
吸收球停堆系統(tǒng)是高溫氣冷堆的第二停堆系統(tǒng)，在高溫氣冷堆運(yùn)行過(guò)程中與控制棒系統(tǒng)配合，起到停堆與調(diào)節(jié)運(yùn)行功率的作用。其工作原理是，在正常停堆或者緊急停堆時(shí)，吸收球落入反應(yīng)堆的吸收球孔道，利用碳化硼中kiB的吸收中子特性，吸收中子進(jìn)而阻止反應(yīng)堆的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的停堆；當(dāng)反應(yīng)堆需要啟動(dòng)時(shí)，吸收球通過(guò)氣體輸送到反應(yīng)堆頂部的貯球罐內(nèi)，使之處于備用狀態(tài)。
根據(jù)吸收球的使用エ況，要求吸收球有很好的耐磨損性能和抗熱沖擊性能，同時(shí)與石墨孔道間有良好的匹配性。純碳化硼球的kiB含量高，中子吸收性能好，但易對(duì)石墨孔道造成磨損。含碳化硼的石墨球可以具備中子吸收作用，并改善吸收球與孔道間的磨損，同時(shí)由于采用石墨作為基體材料，使其具有良好的抗熱沖擊性能。
為了獲得較好的耐磨損性能，提高含碳化硼石墨球的密度與強(qiáng)度是必要的。在傳統(tǒng)的石墨制備エ藝中加入浙青作為粘結(jié)劑是常用的手段，但加入浙青易引入雜質(zhì)，而且在熱處理過(guò)程中制品容易出現(xiàn)變形、開(kāi)裂等問(wèn)題。在石墨制備エ藝中也有加入酚醛樹(shù)脂作為添加劑的，一般酚醛樹(shù)脂先和こ醇混合配置成溶液，再共同加入到石墨粉料中，這種方法對(duì)石墨制品的密度影響不大，還可以提高石墨制品的強(qiáng)度，但這種方法所用的酚醛樹(shù)脂在常溫下與酒精溶液溶解而容易產(chǎn)生揮發(fā)份，這些揮發(fā)份包括酚、甲醛和こ醇等，能引起血液指標(biāo)與內(nèi)臟器官的炎癥病變，對(duì)于人體的傷害性十分大；同時(shí)由于在使用過(guò)程中需要使用大量的酒精溶液，存在一定易爆易燃危險(xiǎn)性，エ藝流程實(shí)際操作難度很大，而且經(jīng)濟(jì)成本也過(guò)聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種新的中子吸收球，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，解決球狀石墨制品大規(guī)模エ業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)問(wèn)題。[0009]本發(fā)明提供ー種中子吸收球，其由下述方法制得將炭素原料和中子吸收材料混合得到的粉料加入到PVA與PEG的混合水溶液中制成可供噴霧造粒的漿料，然后經(jīng)過(guò)噴霧造粒、等靜壓成型、炭化、高溫處理和表面包覆處理。
其中，炭素原料包括石星、炭黑等；所述石星包括天然石星和人造石星；中子吸收材料包括碳化硼等。
優(yōu)選地，所述粉料按質(zhì)量百分比包括石墨35% 75%、碳化硼5% 35%和任選的，炭黑0 30%和；所用碳化硼為核純級(jí)，其它原料純度大于99. 5%。
所述PVA與PEG的混合水溶液中，PVA和PEG質(zhì)量百分比濃度為0. 5% 15%，其中PVA PEG質(zhì)量比為(I 5) I ;上述濃度下PVA與PEG兩者都可以完全溶解。
所述粉料與PVA與PEG的混合水溶液的質(zhì)量比為I : (I 4);兩者充分混合制成可供噴霧造粒的漿料。由于PVA中含有許多的-OH基，有良好的水溶性和化學(xué)穩(wěn)定性。PEG的長(zhǎng)鏈分子使膠體周圍形成薄的有機(jī)膜，將顆粒與顆粒隔離開(kāi)來(lái)，使其難以聚集，從而使石墨顆粒在混合水溶液中均勻分散。
所述噴霧造粒中，造粒溫度為100 350°C;所得造粒粉的粒徑為600 900微米。
其中，所述等靜壓成型為將造粒粉裝入橡膠、乳膠或者聚氨酯包套中進(jìn)行等靜壓成型得到含碳化硼的石墨球坯體，成型壓カ150 400MPa，保壓時(shí)間2 30分鐘。
所述炭化在氮?dú)饣蚨栊詺怏w保護(hù)下進(jìn)行，以每分鐘I 5°C升溫到700 1600°C，保溫I 10小時(shí)。
可以將炭化后得到的石墨球進(jìn)行磨加工，以提高石墨球的球形度；
所述高溫處理為將炭化后(如果進(jìn)行了磨加工，則為磨加工后)得到的石墨球進(jìn)行高溫處理，升溫速度每分鐘I 20°C，高溫處理溫度為1600 2300°C，保溫I 24小時(shí)。
采用CVI (化學(xué)氣相滲透)エ藝進(jìn)行表面包覆處理，CVI處理溫度為800 1300°C，形成表面包覆炭，提高耐磨性；包覆處理后即得到所述中子吸收球。
本發(fā)明的中子吸收球具有以下有益效果
I)采用石墨為主要原料，引入雜質(zhì)少，所得樣品的純度高，滿足中子吸收球的使用要求。
2)用PVA作粘結(jié)劑的樣品在坯體強(qiáng)度與機(jī)械強(qiáng)度方面均有所提高，同時(shí)PVA無(wú)毒，對(duì)環(huán)境友好，而且易裂解排出，價(jià)格低廉，能夠應(yīng)用于噴霧造粒エ藝，滿足于大規(guī)模エ業(yè)生產(chǎn)。


圖I為本制備方法的エ藝流程圖；
圖2為采用本エ藝所制備的吸收球。
具體實(shí)施方式
以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例中所用的原料均為市售獲得。
實(shí)施例I[0028]稱取天然石墨60Kg，炭黑15Kg，碳化硼25Kg，作為粉料。配制PVA與PEG混合水溶液，混合水溶液濃度為2wt%，其中PVA PEG質(zhì)量比為3 2。將稱取的粉料加入到混合水溶液中，質(zhì)量比為I : 3，攪拌2小時(shí)，混合均勻。將所得漿料進(jìn)行噴霧造粒，造粒溫度為300°C，獲得800微米的造粒粉料。將造粒粉裝入橡膠包套中進(jìn)行等靜壓成型，成型壓カ250MPa，保壓時(shí)間10分鐘，得到直徑約6. 5mm含碳化硼的石墨球坯體。將含碳化硼的石墨球坯體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下炭化，以每分鐘:TC升溫到800°C，保溫4小吋，自然降溫。對(duì)得到的石墨球進(jìn)行磨加工，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球進(jìn)行高溫處理，升溫速度每分鐘10°C，高溫處理溫度為2200°C，保溫2小吋，自然降溫。對(duì)高溫處理后的含碳化硼石墨球用CVIエ藝進(jìn)行表面包覆處理，CVI處理溫度1100°C，形成表面包覆炭。包覆處理后即得到直徑約為6mm的中子吸收球。用上述エ藝制備的吸收球，壓碎カ測(cè)試平均值為628N。
實(shí)施例2
稱取天然石墨55Kg，炭黑20Kg，碳化硼25Kg。配制PVA與PEG混合水溶液，混合水溶液濃度為2wt%，其中PVA PEG質(zhì)量比為3 I。將稱取的粉料加入到混合水溶液中，質(zhì)量比為I : 3，攪拌2小時(shí)，混合均勻。將所得漿料進(jìn)行噴霧造粒，造粒溫度為300°C，獲得800微米的造粒粉料。將造粒粉裝入橡膠包套中進(jìn)行等靜壓成型，成型壓カ250MPa，保壓時(shí)間10分鐘，得到直徑約6. 5mm含碳化硼的石墨球還體。將含碳化硼的石墨球還體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下炭化，以每分鐘4°C升溫到850°C，保溫4小吋，自然降溫。對(duì)得到的石墨球進(jìn)行磨加エ，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球進(jìn)行高溫處理，升溫速度每分鐘10°C，高溫處理溫度為2000°C，保溫2小吋，自然降溫。對(duì)高溫處理后的含碳化硼石墨球用CVIエ藝進(jìn)行表面包覆處理，CVI處理溫度1100°C，形成表面包覆炭。包覆處理后即得到直徑約為6mm的中子吸收球。用上述エ藝制備的吸收球，壓碎カ測(cè)試平均值為685N。
實(shí)施例3
稱取天然石墨70Kg，炭黑20Kg，碳化硼10Kg。配制PVA與PEG混合水溶液，混合水溶液濃度為2wt%，其中PVA PEG質(zhì)量比為3 2。將稱取的粉料加入到混合水溶液中，質(zhì)量比為I : 3，攪拌2小時(shí)，混合均勻。將所得漿料進(jìn)行噴霧造粒，造粒溫度為300°C，獲得800微米的造粒粉料。將造粒粉裝入橡膠包套中進(jìn)行等靜壓成型，成型壓カ250MPa，保壓時(shí)間10分鐘，得到直徑約10. 5_含碳化硼的石墨球坯體。將含碳化硼的石墨球坯體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下炭化，以每分鐘3で升溫到900で，保溫4.5小時(shí)，自然降溫。對(duì)得到的石墨球進(jìn)行磨加工，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球進(jìn)行高溫處理，升溫速度每分鐘10°C，高溫處理溫度為1900°C，保溫2小吋，自然降溫。對(duì)高溫處理后的含碳化硼石墨球用CVIエ藝進(jìn)行表面包覆處理，CVI處理溫度1100°C，形成表面包覆炭。包覆處理后即得到直徑約為IOmm的中子吸收球。用上述エ藝制備的吸收球，壓碎カ測(cè)試平均值為1546N。
實(shí)施例4
稱取人造石墨55Kg，炭黑20Kg，碳化硼25Kg。配制PVA與PEG混合水溶液，混合水溶液濃度為2wt%，其中PVA PEG質(zhì)量比為3 I。將稱取的粉料加入到混合水溶液中，質(zhì)量比為I : 3，攪拌2小時(shí)，混合均勻。將所得漿料進(jìn)行噴霧造粒，造粒溫度為300°C，獲得800微米的造粒粉料。將造粒粉裝入橡膠包套中進(jìn)行等靜壓成型，成型壓カ250MPa，保壓時(shí)間10分鐘，得到直徑約6. 5mm含碳化硼的石墨球還體。將含碳化硼的石墨球還體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下炭化，以每分鐘4°C升溫到850°C，保溫4小吋，自然降溫。對(duì)得到的石墨球進(jìn)行磨加エ，提高石墨球的球形度。加工后的石墨球進(jìn)行高溫處理，升溫速度每分鐘10°c，高溫處理溫度為2000°C，保溫2小吋，自然降溫。對(duì)高溫處理后的含碳化硼石墨球用CVIエ藝進(jìn)行表面包覆處理，CVI處理溫度1100°C，形成表面包覆炭。包覆處理后即得到直徑約為6mm的中子吸收球。用上述エ藝制備的吸收球，壓碎カ測(cè)試平均值為683N。
實(shí)驗(yàn)效果
I)實(shí)施例I 4所得的中子吸收球采用石 墨為主要原料，引入雜質(zhì)少，所得樣品的純度高，滿足中子吸收球的使用要求。
2)用PVA作粘結(jié)劑的樣品在坯體強(qiáng)度與機(jī)械強(qiáng)度方面均有所提高，同時(shí)PVA無(wú)毒，對(duì)環(huán)境友好，而且易裂解排出，價(jià)格低廉，能夠應(yīng)用于噴霧造粒エ藝，滿足于大規(guī)模エ業(yè)生產(chǎn)。
3)與現(xiàn)有技術(shù)相比，實(shí)施例I 4所得的中子吸收球具有較高的壓碎カ指標(biāo)，耐磨性能好，可以滿足高溫氣冷堆的應(yīng)用要求。
權(quán)利要求
1.一種中子吸收球，其特征在于，由下述方法制得將炭素原料和中子吸收材料混合得到的粉料加入到PVA與PEG的混合水溶液中制成可供噴霧造粒的漿料，然后經(jīng)過(guò)噴霧造粒、等靜壓成型、炭化、高溫處理和表面包覆處理； PVA與PEG的混合水溶液中，PVA和PEG質(zhì)量百分比濃度為0. 5% 15%，PVA PEG質(zhì)量比為(I 5) I ； 所述粉料按質(zhì)量百分比包括石墨35 % 75 %、碳化硼5 % 35 %，和任選的，炭黑0 30% ； 所述噴霧造粒中，造粒溫度為100 350°C ;所得造粒粉的粒徑為600 900微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的中子吸收球，其特征在于，所述粉料與PVA與PEG的混合水溶液的質(zhì)量比為I : (I 4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的中子吸收球，其特征在于，所述等靜壓成型中，將造粒粉裝入橡膠、乳膠或者聚氨酯包套中進(jìn)行等靜壓成型，成型壓力150 400MPa，保壓時(shí)間2 30分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的中子吸收球，其特征在于，所述炭化在氮?dú)饣蚨栊詺怏w保護(hù)下進(jìn)行，以每分鐘I 5°C升溫到700 1600°C，保溫I 10小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的中子吸收球，其特征在于，所述高溫處理中，升溫速度為每分鐘I 20°C，高溫處理溫度為1600 2300°C，保溫I 24小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的中子吸收球，其特征在于，采用CVI工藝進(jìn)行表面包覆處理，CVI處理溫度為800 1300°C，形成表面包覆炭。
7.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的中子吸收球，其特征在于，炭化后進(jìn)行磨加工。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種中子吸收球，其由下述方法制得將炭素原料和中子吸收材料混合得到的粉料加入到PVA與PEG的混合水溶液中制成可供噴霧造粒的漿料，然后經(jīng)過(guò)噴霧造粒、等靜壓成型、碳化、高溫處理和表面包覆處理制得到所述中子吸收球。本發(fā)明采用石墨為主要原料，引入雜質(zhì)少，所得樣品的純度高，滿足中子吸收球的使用要求；用PVA作粘結(jié)劑的樣品在坯體強(qiáng)度與機(jī)械強(qiáng)度方面均有所提高，同時(shí)PVA無(wú)毒，對(duì)環(huán)境友好，而且易裂解排出，價(jià)格低廉，能夠應(yīng)用于噴霧造粒工藝，滿足于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G21C7/24GKCN101789271SQ201010101753
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2010年1月26日
發(fā)明者林旭平, 譚威, 鄧長(zhǎng)生, 陳鳳, 馬景陶, 黃志勇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (1), 非專利引用 (6),