核燃料元(组)件制造

核物理科普系列十七

一、核燃料组件简述

根据反应堆类型和结构的不同,核燃料组件有多种类型,目前常用的压水堆核电厂核燃料组件是由封装了易裂变材料的核燃料元件棒按一定的规律排列组成的,它主要由上下管座、格架、控制棒导向管和燃料元件棒组成。

1.核燃料的特点:能量高度集中,一座1000MW级的压水堆核电机组每年需要补充新燃料约24吨低浓铀。燃料组件在堆内处于强中子场中,经受高温、高压、高流速冷却剂的冲刷,同时承受裂变产物化学作用和复杂的机械载荷,工作条件十分苛刻,要求燃料组件有高度的可靠性和安全性;燃料组件的设计、制造和运行是对可靠性和安全性的主要影响因素。

2.使用寿命:一般燃料组件在反应堆内使用3~5年的时间。

国内首条ap1000核燃料元件生产线

二、核燃料组件的制造工艺

从低浓UF6开始到燃料组件成品,主要有以下工序:

1.化工转化—制备可烧结UO2粉末

转化工艺流程有:重铀酸铵(ADU)法、三碳酸铀酰铵(AUC)法、流化床法(FBP)、火焰反应法(FRP)和一体化干法(IDR)等;前两种称为湿法工艺流程,后三种称为干法工艺流程;目前我国采用ADU工艺和IDR工艺。

(1)ADU流程:是最早实现工业规模生产陶瓷UO2粉末的方法,它即适用于UF6也适用于UO2(NO3)2做原料,还能处理生产过程中的废品和废料;缺点是流程较长,过程中产生大量的废水,ADU组成复杂,生产的UO2粉末再现性不好,氟含量高等;其工艺流程如下:

UF6的汽化:

UF6的水解:生成氟化铀酰溶液;

ADU的沉淀:用过量氨水沉淀时形成多种铀酸盐沉淀;必须控制适宜的ADU沉淀条件(选择好工艺参数即控制反应温度、反应时间、PH值、料流中铀的浓度以及沉淀剂的浓度和过滤程序等)使其具有适宜的物理性能和结构、化学组成稳定、氟含量低、铀沉淀尽可能完全、容易过滤等;

ADU的过滤和洗涤:

ADU的干燥:

ADU的分解、还原和脱氟:干燥后的ADU在回转炉内煅烧分解还原成UO2粉末,实际过程中先分解成高价铀氧化物然后再还原成UO2,即ADU-UO3-U3O8-UO2。

中核集团自主研制的CF3核燃料元件

(2)IDR工艺:将气态UF6送入回转炉反应器,在入口处与部分水蒸汽先形成树枝状结构的UO2F2,落入反应器底部,由螺旋推料机送入转炉,继而与逆流而来的H2和水蒸汽反应生成含氟量很低的UO2粉末。

IDR优点:工序短、产量大、废液量少,可在一台设备内完成,生产连续化,易实现自动化,生产的UO2粉末压制烧结性能高,尾气中的HF容易回收;

IDR缺点:粉末流动性差、需要制粒工序;该工艺不能处理UO2(NO3)2来料。

2.UO2芯块制备

制得合格的UO2粉末进行合批处理(使不同批次的粉末的化学组成、物理性能和同位素丰度更加均匀一致);

均匀化后的粉末进入制粒工序(经压块、破碎和筛分后按规定的粒度配比,使粉末有良好的流动性);

等压压制(旋转压机或多冲头压机)

芯块烧结(一般采用连续烧结炉,放在钼舟中还原气氛,温度1700度)

烧结合格的芯块进入磨削工序(保证外形尺寸公差和表面光洁度);

3.组件零部件制造

包括元件棒端塞、上下管座、定位格架和控制棒导向管等;

上下管座一般由低钴不锈钢制成;

焊接是格架加工的重要工艺方法(一般用接触电阻焊)。

4.燃料元件棒制备

此工序主要包括锆合金管准备、端塞焊接、装入芯块、弹簧和隔离块、充氦和堵孔焊接;

为保证端塞焊接的可靠性,焊接质量常用超声检测和X光透射检测;

组装好的元件棒要经过芯块间隔检查和同位素丰度检查。

6.组件组装

一般压水堆组件全长为4~5米,重量在550~670kg,是一个大型而又精密的高技术产品;

核燃料组件的组装主要包括骨架组装和拉棒或推棒;

在燃料棒上涂上一层保护膜进行保证,组装完后将膜清洗干净;

组装最后工序是将上下管座与装完燃料棒的骨架用导向管连接起来。