一種核反應(yīng)堆堆芯中子吸收材料鈦酸鏑芯塊的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于核電站反應(yīng)堆技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種核反應(yīng)堆堆芯中子吸收材料鈦 酸鏑芯塊的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在核電站運行過程中，反應(yīng)堆反應(yīng)性的控制方式有：化學(xué)補償控制、固體可燃毒物 控制、控制棒控制?？刂瓢羰侵凶訌娢阵w，它的移動速度快，操作可靠，使用靈活，控制反 應(yīng)性的準確度高。固體可燃毒物控制，主要用于補償部分初始過剩反應(yīng)性?；瘜W(xué)補償控制 即通過改變硼濃度進行，其只能控制慢變化的反應(yīng)性。因此，核電站一般采用控制棒和硼濃 度作為控制變量來實現(xiàn)反應(yīng)堆負荷跟蹤控制。
[0003] 核電站反應(yīng)堆的開、停和核功率調(diào)節(jié)主要由控制棒控制。一旦發(fā)生事故，全部控制 棒會自動快速下落，使反應(yīng)堆內(nèi)的鏈式裂變反應(yīng)停止，保證核電廠的安全。常用控制棒的中 子吸收材料有碳化硼（B 4C)、Ag-In-Cd、Hf酸鹽、B4C和Ag-In-Cd的組合體等。而以碳化硼 和硼鋼材料為代表的控制棒，此類吸收材料容易出現(xiàn)較嚴重的輻射損傷，這主要是由于 的（η，α)反應(yīng)、氦氣的產(chǎn)生和腫脹所致。此類材料會在反應(yīng)堆嚴重事故條件下與高溫高壓 的蒸汽發(fā)生強放熱性氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，嚴重時發(fā)生氫爆。Ag、In、Cd具有相對較低的熔 點，Cd的沸點比較低，當反應(yīng)堆發(fā)生嚴重事故時，不銹鋼包殼熔化，這將導(dǎo)致控制棒中子吸 收材料、不銹鋼包殼、鋯合金導(dǎo)管之間發(fā)生共熔反應(yīng)。
[0004] 目前，已經(jīng)有基于Dy、Eu、Sm、Gd、Hf、Cd及其化合物制成的多種材料，希望用來替 代發(fā)生（η，α)反應(yīng)的中子吸收材料，并減少通過調(diào)節(jié)硼酸濃度控制反應(yīng)性帶來的大量廢 水。鏑具有五種中子吸收截面相對較大的穩(wěn)定同位素，這保證了在進行核反應(yīng)后熱中子吸 收截面不會發(fā)生突變，保證了核電站的正常運行。鏑的嬗變產(chǎn)物的γ活性低，半衰期短，對 堆芯設(shè)備的損害小。鈦酸鏑的熔點高于1700°C，在反應(yīng)堆發(fā)生嚴重事故時，能保持一定的物 理形狀且一定時間內(nèi)不會與包殼發(fā)生反應(yīng)。核反應(yīng)堆堆芯中子吸收材料鈦酸鏑芯塊降低了 對調(diào)節(jié)硼酸濃度設(shè)備的依賴，提高了核反應(yīng)堆的安全性，降低了生產(chǎn)成本。鈦酸鏑具有優(yōu)越 的抗輻照性能、良好的熱穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)性以及機械強度等，同時在與中子反應(yīng)后不產(chǎn)生氣 體，是作為核反應(yīng)堆堆芯中子吸收材料較佳芯塊。
[0005] 常規(guī)制備鈦酸鏑芯塊的方法中，把物料進行簡單混合，這不利于塊體致密度的提 高。已有制備工藝中的預(yù)燒時間過長會使粉體活性降低，不利于后續(xù)壓制塊體的最終燒結(jié)， 另外預(yù)燒后塊體再破碎難度大。常規(guī)工藝流程中包含預(yù)燒結(jié)-破碎-過篩步驟，這不但容 易引入雜質(zhì)，工藝復(fù)雜化且增加了鈦酸鏑塊體制備成本等，這都是現(xiàn)有制備鈦酸鏑Dy 2TiO5 芯塊的難點或缺點。而脈沖激光法制備鈦酸鏑效果雖然較好，但制備的鈦酸鏑常以薄膜形 式存在，難以制備得到塊體態(tài)的鈦酸鏑。針對已有工藝的缺陷，亟需一種新的簡化的成本低 的鈦酸鏑芯塊制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種核反應(yīng)堆堆芯中子吸收 材料鈦酸鏑芯塊的制備方法，采用球磨-冷等靜壓-燒結(jié)的方法制備鈦酸鏑芯塊。相對于 現(xiàn)有的球磨混粉-預(yù)壓坯-預(yù)燒結(jié)-破碎-過篩-再壓坯-燒結(jié)的工藝流程，本發(fā)明利用 高能球磨制備納米晶粉體與混合粉體在納米尺度上均勻混合的特點，省略了預(yù)壓坯-預(yù)燒 結(jié)-破碎-過篩等步驟，從而實現(xiàn)制備工藝簡化，成本降低等，所需設(shè)備簡單，所獲得的鈦酸 鏑芯塊晶粒細小、組織結(jié)構(gòu)均勻、致密度高，熱傳導(dǎo)性能、輻照性能優(yōu)越等。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之一是：
[0008] -種核反應(yīng)堆堆芯中子吸收材料鈦酸鏑芯塊的制備方法，包括：
[0009] 1)將Dy2O3粉體和TiO 2粉體烘干以完全去除結(jié)晶水后，按Dy 203粉體與TiO 2粉體 之摩爾比為1:1~1. 2混合進行球磨，球磨裝填系數(shù)為0. 2~0. 8,球料比為1~50:1，球 磨轉(zhuǎn)速100~lOOOrpm，球磨時間1~120小時，得到混合粉體；
[0010] 2)通過冷等靜壓將混合粉體壓制成坯體，壓制參數(shù)為：液壓缸缸內(nèi)壓力100~ 460MPa、保壓0· 2~2. 5小時；
[0011] 3)將坯體在1100~1450°C燒結(jié)10~150小時，即得鈦酸鏑芯塊。
[0012] -實施例中：所述Dy2O3粉體與1102粉體之摩爾比為1:1~1. 05,球磨裝填系數(shù) 0· 48~0· 52,球料比為9~11:1，球磨轉(zhuǎn)速150~250rpm，球磨時間11. 5~12. 5h ;冷等 靜壓壓制參數(shù)為：液壓缸缸內(nèi)壓力250~270MPa、保壓0. 4~0. 6小時；1250~1350°C燒 結(jié)95~97小時，即得鈦酸鏑芯塊。
[0013] -實施例中：所述Dy2O3粉體與1102粉體之摩爾比為1:1~1. 05,球磨裝填系數(shù) 0· 25~0· 35,球料比為1~I. 1: 1，球磨轉(zhuǎn)速100~llOrpm，球磨時間23. 5~24. 5h,;冷等 靜壓壓制參數(shù)為：液壓缸缸內(nèi)壓力445~455MPa、保壓0. 25~0. 30小時；1390~1410°C 燒結(jié)11~13小時，即得鈦酸鏑芯塊。
[0014] 一實施例中：所述Dy2O3粉體與1102粉體之摩爾比為1:1~1. 05,球磨裝填系數(shù) 0· 78~0· 8,球料比為49~50:1，球磨轉(zhuǎn)速990~lOOOrpm，球磨時間1~I. Ih,;冷等靜 壓壓制參數(shù)為：液壓缸缸內(nèi)壓力250~270MPa、保壓0. 4~0. 6小時；1100~1120°C燒結(jié) 23~25小時，即得鈦酸鏑芯塊。
[0015] -實施例中：所述Dy2O3粉體與1102粉體之摩爾比為1:1~1. 05,球磨裝填系數(shù) 0· 48~0· 52,球料比為9~11:1，球磨轉(zhuǎn)速150~250rpm，球磨時間118~120h,;冷等靜 壓壓制參數(shù)為：液壓缸缸內(nèi)壓力250~270MPa、保壓0. 4~0. 6小時；1250~1350°C燒結(jié) 148~150小時，即得鈦酸鏑芯塊。
[0016] -實施例中：所述Dy2O3粉體與1102粉體之摩爾比為1:1~1. 05,球磨裝填系數(shù) 0. 48~0. 52,球料比為9~11: 1，球磨轉(zhuǎn)速450~550rpm，球磨時間3. 5~4. 5h,;冷等靜 壓壓制參數(shù)為：液壓缸缸內(nèi)壓力100~l〇5MPa、保壓1. 8~2. 2小時；1250~1350°C燒結(jié) 11~13小時，即得鈦酸鏑芯塊。
[0017] 一實施例中：所述步驟1)中，球磨過程中加入不超過混合粉體總質(zhì)量1. 0%的硬 脂酸過程控制劑，用于防止混合粉體粘附。
[0018] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之二是：
[0019] -種根據(jù)上述核反應(yīng)堆堆芯中子吸收材料鈦酸鏑芯塊的制備方法所制備的鈦酸 鏑芯塊。
[0020] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之三是：
[0021] 上述鈦酸鏑芯塊在制備核反應(yīng)堆堆芯控制棒上的應(yīng)用。
[0022] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案之四是：
[0023] 一種核反應(yīng)堆堆芯控制棒，所述堆芯控制棒包括上述的鈦酸鏑芯塊。
[0024] 本技術(shù)方案與【背景技術(shù)】相比，它具有如下優(yōu)點：
[0025] 本發(fā)明采用球磨-冷等靜壓-燒結(jié)的方法制備鈦酸鏑芯塊，在球磨過程中，通過 球料比、球磨機的轉(zhuǎn)速、球磨時間、球磨罐裝填系數(shù)等因素的綜合考察優(yōu)化設(shè)計，并通過適 當?shù)募尤胗仓徇^程控制劑，能在球磨過程不斷的破碎、擠壓與冷焊后，實現(xiàn)氧化鏑粉體和 二氧化鈦粉體在納米尺寸上的均勻混合，同時有效防止粉體粘附且粉體的晶粒達到納米尺 度。由于納米顆粒的比表面積大、表面能高、活性強，減小了原子擴散距離，增加了燒結(jié)驅(qū)動 力，更有利于混合粉體內(nèi)組元之間的反應(yīng)和化合，獲得的晶粒更細小，也降低了粉末和孔洞 的聚集，有助于提高芯塊的致密度。采用一次球磨技術(shù)即可