ZrO_(2)和UO_(2)芯块表面CeB_(6)涂层的制备和表征

CeB_(6)涂层作为适用先进反应堆燃料型号的自主化整体型可燃毒物材料,具有展平堆芯中子注量分布,实现长周期反应性控制和慢化剂负温度系数控制的功能,可集成在可燃毒物燃料元件中应用于压水堆反应堆堆芯。本研究采用磁控溅射方法在ZrO_(2)和UO_(2)圆柱芯块表面涂覆了CeB_(6)涂层。用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)对涂层物相、结构和成分进行了表征,采用热循环及划痕法对涂层与基体的结合性能进行了考核。结果表明,ZrO_(2)和UO_(2)芯块表面制备的涂层为CeB_(6)且膜层较为纯净;CeB_(6)膜层与ZrO_(2)、UO_(2)基体结合性能良好,膜层生长致密均匀;ZrO_(2)基底上CeB_(6)膜层破坏的临界载荷为8.25 N;UO_(2)芯块基底上CeB_(6)膜层破坏的临界载荷为17.6 N。

氧化石墨烯掺杂UO_(2)芯块制备工艺及性能研究

氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)掺杂改性二氧化铀(UO_(2))芯块是高性能核燃料研究的重点方向之一。为实现GO在UO_(2)芯块中的均匀分布及掺杂量的有效控制,利用固-液混合法和重铀酸铵(Ammonium Diuranate,ADU)共沉淀法制备了不同GO掺杂量的UO_(2)粉末,研究了制粉方法及GO掺杂量对GO在UO_(2)中混合均匀性的影响。采用放电等离子烧结制备了不同GO掺杂量的UO_(2)-GO芯块,探索了不同烧结参数的影响,并对燃料芯块的性能进行测试。结果表明,固-液混合法制备的GO掺杂UO_(2)粉末混合均匀度更好;放电等离子烧结得到的UO_(2)-GO芯块密度最高可达97.6%T.D.;GO掺杂量为1.5 wt.%的芯块在1000℃下的热导率较常规UO_(2)芯块提高了85.9%;制备的UO_(2)-GO芯块晶粒尺寸较为均匀,GO均匀分布在晶界处并形成了桥联导热网络,有效提升了掺杂芯块的热导率。

高燃耗UO_(2)陶瓷燃料芯块微观结构演化行为研究进展

UO_(2)陶瓷燃料芯块作为轻水堆等商业堆的核心部件,在运行时的变化会影响反应堆运行安全。延长燃料元件使用燃耗从而达到更高经济效益是核电厂未来发展方向,然而随着燃料燃耗的增加,燃料芯块的微观结构如晶粒尺寸、孔隙等会发生变化,裂变产物的产生与迁移量增加,芯块包壳相互作用的发生概率升高导致反应堆运行安全系数下降,因此高燃耗下陶瓷燃料芯块微观结构演化行为和裂变产物迁移的研究受到重视。基于学者们所做的研究工作,总结了陶瓷UO_(2)芯块裂变产物研究相关的几个内容:边缘高燃耗结构的特征与形成机理、裂变产物的分布及影响,微观结构演化与裂变产物迁移的联系,讨论了高燃耗下芯块微观结构演化和其对裂变产物迁移的影响。为提高燃料使用燃耗,结合研究现状,对高燃耗下燃料芯块的进一步研究提出展望。

含铬大晶粒UO_(2)芯块制备

大晶粒高热导的UO_(2)芯块为一种理想的高燃耗核燃料芯块。其制备时需在UO_(2)粉末中添加微量Al 2O_(3)和Cr_(2)O_(3),并依照粉末冶金方式来制备。该燃料芯块晶粒尺寸在30μm以上,密度为96.5%~97%T.D,同时为提升芯块导热性,要求Cr含量要在0.06wt%~0.1wt%。制备过程中,首先通过单一添加确定了两种物质的最优添加量,再选择合适的粉末预处理技术对两种物质进行混合添加试验。结果表明,分别添加0.008wt%~0.01wt%的Al 2O_(3)粉末和0.2wt%~0.3wt%的Cr_(2)O_(3)粉末并采用制粒粉末包裹Cr_(2)O_(3)的方式制得的芯块晶粒度可达到43.3μm,密度为96.8%T.D,Cr含量为0.0864wt%掺铬大晶粒UO_(2)芯块。

UO_(2)芯块研制实验室初步源项调查

某UO_(2)芯块研制实验室计划退役,为初步掌握该实验室内放射性污染情况,对其进行了初步源项调查,调查内容包括实验室运行历史、表面污染水平、γ辐射剂量水平、气溶胶浓度水平,以及污染面积和污染物项估算等。调查结果显示:该实验室主要污染核素为^(234)U、^(235)U和^(238)U,放射性污染核素单一;实验室内的表面污染水平、γ辐射剂量水平、气溶胶浓度水平较低;地面及墙面污染面积总计约1000 m^(2);退役时需进行去污操作的设备约300台;内部积存各类放射性固体废物约80 m^(3)。因实验室内污染物项种类繁多,各类污染物污染程度差异较大,在进行退役治理时,应将废物做好分类处理,防止交叉污染。

核燃料棒芯块^(235)U丰度检测方法研究

核燃料棒中UO_(2)芯块的^(235)U丰度检测是保证核反应堆正常运行的重要环节,根据铀样品能谱谱形,通过迭代拟合算法精确选取目标信号的能量范围,减少了测量精度受UO_(2)芯块年龄的影响,扩大了目标信号能量选取范围,基于小波变换法,过滤无关频率信号,提高了突变信号的识别精度,进一步提高了检测速度。通过模拟存在异常丰度芯块燃料棒检测验证了方法的可行性。

大晶粒UO_(2)-SiC燃料芯块制备及高温氧化性能研究

通过在UO_(2)基体中添加第二相来提高燃料热导率是耐事故燃料的一个重要研究方向。该研究以大晶粒UO_(2)颗粒为原料,采用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,SPS)工艺在较低烧结温度下获得高密度的大晶粒UO_(2)-SiC复合燃料芯块,对复合燃料芯块的性能进行了表征,并研究了其在空气环境中的抗高温氧化性能。结果显示:SPS低温烧结可有效避免高温下发生的UO_(2)-SiC界面反应,制备出的芯块密度>95%TD(理论密度)。与传统UO_(2)燃料芯块及常规UO_(2)粉末SPS烧结的UO_(2)-SiC芯块相比,大晶粒复合燃料芯块热导率明显提高。复合燃料芯块在高温氧化初期的氧化增重相较传统芯块明显减弱,但当氧化温度达到350℃时,SiC无法进一步阻止UO_(2)氧化。

薄壁环形UO_(2)芯块烧结变形研究

采用UO_(2)粉末制备的薄壁环形生坯芯块具有较大的烧结变形,在模具设计时需考虑变形对磨削余量和倒角宽度的影响。环形芯块烧结变形程度会影响芯块外径和倒角宽度,要使薄壁环形芯块满足外径磨削要求(13.63±0.012)mm,阴模直径需从现有的16.70mm提高到16.80mm,冲头倒角宽度需从现有的0.72mm提高到0.86mm。在内径免磨削情况下,环形芯块的严重烧结变形会对内层包壳设计产生影响;内层包壳的外径设计尺寸要比芯块内径目标值至少小0.311mm,才能既保证芯块及时传热,又避免芯块和内包壳之间产生严重的机械相互作用。

UO_(2)芯块磨削新型上料装置的研制

针对UO_(2)芯块在制备过程中,有缺陷的烧结芯块在送料、磨削过程中会造成卡料、堵料等异常情况,造成上料设备不同程度的损坏,需要在芯块进入磨削区前进行碎块剔除的问题,研制了一台新型上料装置,通过改进翻转倒料机构,降低倒料高度,设计直线振动筛选装置;通过采集送料装置上的芯块数量,调节上料时间,实现功能更优化的烧结芯块储存、输送及碎块烂屑筛选功能。生产实践证明:该装置可保证烧结芯块中的碎块烂屑最大限度不进入磨床,从而减少磨削过程中的卡堵现象,实现稳定磨削,减少辐射防护风险的目的。

基于事故容错燃料的高燃耗组件研究进展

针对核电高经济性和高安全性的目标,高燃耗(大于62 GWd/MTU)成为核燃料的发展趋势,然而,燃耗加深势必会导致芯块和包壳性能衰退甚至失效,引发安全隐患。本文首先回顾和梳理高燃耗状态传统UO_(2)芯块-Zr合金包壳核燃料系统所面临的挑战,如芯块边缘高燃耗结构(HBS)形成-迅速扩展、裂变气体释放份额增大、燃料棒内压增大、包壳腐蚀和吸氢量加剧以及失水事故(LOCA)工况芯块碎裂-迁移-重置现象等,并以相关问题为切入点厘清关键对策。然后,归纳总结现阶段核工业界近期型事故容错燃料(ATF)方案研究进展和成果,重点阐述主流Cr涂层锆合金包壳和大晶粒UO_(2)芯块ATF候选材料的关键服役性能,包括裂变气体释放、芯块-包壳接触压力、包壳水侧腐蚀及高温蒸汽氧化-淬火行为等。同时,对比分析Cr涂层锆合金包壳+大晶粒UO_(2)芯块相较于传统核燃料系统服役优势,尤其是高燃耗状态,研究表明近期型ATF方案在高燃耗项目中极具应用潜力。本文概述的内容有助于加深核工业工作者对高燃耗项目的理解,同时为我国自主研发ATF和高燃耗项目相结合提供参考,助力提升核电经济性、安全性与可靠性。

UO_(2)陶瓷芯块-316Ti不锈钢复合结构激光切割温度场仿真研究

为了研究激光切割UO_(2)陶瓷芯块-316Ti不锈钢复合结构温度场的分布,考虑了材料的热物性参数与温度的关系,运用ANSYS有限元软件模拟了该复合结构的激光切割过程,通过ANSYS的Fluent模块实现激光热源C语言程序的UDF加载与编译。研究了不同激光切割工艺参数下的温度分布云图,结果表明:温度分布主要呈现为类彗尾状;最高温度集中在切割热源中心处,工件表面的最高温度随着激光功率的增加和切割速度的降低而升高;当激光功率过小或切割速度过大时,工件会因热量输入不足而切不透;当激光功率过大或切割速度过小时,切缝会因材料熔化区域变大而变宽。仿真结果可以对实际切割过程的工艺参数优化提供参考。