一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球及其制备方法

技术领域

本发明属于球床式高温气冷堆燃料元件设计领域，具体地，本发明涉及一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球及其制备方法。

背景技术

高温气冷堆指使用氦气作为冷却剂、石墨作为中子慢化剂的核反应堆，是第四代先进反应堆堆型之一，其显著特征是固有安全性。

高温气冷堆包括一个堆芯，该堆芯除去少量燃料、控制材料外，基本上全都为石墨类材料，如石墨反射层、碳砖、支撑构件和各类导管等。石墨材料既作为慢化材料又作为结构材料。在高温气冷堆初装堆和过渡堆芯装载了数十万个石墨球，在调试和运行的过程中，石墨球会通过堆顶加料管添加到反应堆堆芯，通过堆底卸料管流出。然而石墨球在循环过程中会与自身以及石墨堆内构件、燃料装卸料系统管道和设备发生摩擦磨损，从而产生石墨粉尘。而石墨粉尘的产生会引发一系列的新问题，并可能会影响反应堆的安全与正常运行。例如，粒度相对较小的石墨颗粒，会在氦气冷却剂的携带下，在反应堆一回路流动，并在一回路表面和流动死区沉积，对设备的维护和检修带来不便；粒度相对比较大的石墨颗粒会在重力作用下，在反应堆堆芯底部堆积，引起燃料球在管道中架桥卡死现象，影响燃料元件循环。此外，石墨粉尘还会在蒸发器换热管表面沉积，影响其换热效率。细微的金属粉尘和石墨球在管路中的流动摩擦中产生的金属粉末会受到堆内辐照，直接影响堆内辐射水平的提高。且石墨粉尘还会随氦气的泄漏进入空气中，对环境产生污染。因此，需要对现有的球床式高温气冷堆中的石墨球做出进一步优化，以减少石墨粉尘的产生。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球及其制备方法，以减少高温气冷堆一回路石墨粉尘的产生量。

本发明实施例一方面提出一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球，所述含锆包覆层石墨球从内到外依次包括：石墨球基体和锆包覆层；所述锆包覆层的厚度为0.25～0.50mm。

本发明实施例中的高温气冷堆用含锆包覆层石墨球，通过在石墨球基体表面包覆一层锆合金，可以在不改变堆芯特性的前提下，减少高温气冷堆一回路石墨粉尘的产生量。

由于锆的热中子俘获截面小(0.180±0.004靶恩，1靶恩＝10

在本发明的一些实施例中，所述石墨球基体的直径为6±0.2cm；密度为1.70～1.80g/cm

在本发明的一些实施例中，所述锆包覆层的材质为Zr-4合金、ZIRLO合金、M5合金中的任一种。

本发明另一方面还提出上述高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法，包括如下步骤：

S1，通过熔炼、挤压成型，制得两个半球形的锆合金包覆层；

S2，将所述两个半球形的锆合金包覆层装配在石墨球基体表面，并采用真空电子束将所述两个半球形的锆合金包覆层焊接在一起，并对焊缝进行打磨，然后再对锆合金包覆层的表面进行磨削、抛光，制得所述含锆包覆层石墨球。

前述针对高温气冷堆用含锆包覆层石墨球所描述的特征和优点，同样适用于高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法，在此不再赘述。

在本发明的一些实施例中，所述熔炼的温度为2000～2100℃；熔炼的时间为5～10min。

在本发明的一些实施例中，所述熔炼是在保护气体氛围中进行，所述保护气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述挤压成型的压力为20～25MPa；挤压成型的时间为30～60s。

在本发明的一些实施例中，所述焊接是在真空度≤8×10

在本发明的一些实施例中，所述磨削是依次采用400目、600目、800目、1200目的砂纸进行磨削。

在本发明的一些实施例中，所述抛光采用的抛光液为无水乙酸、丙酸和高氯酸的混合液。

本发明具有如下优点和有益效果：

本发明实施例中，通过在石墨球基体表面包覆一层锆合金，可以在不改变堆芯特性的前提下，显著减少高温气冷堆一回路的石墨粉尘量，提升高温气冷堆的运行安全性；同时简化了石墨粉尘收集装置，提高了高温气冷堆的经济性和可靠性。且本发明实施例中的高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法工艺简单，易操作，应用前景广泛。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

除非另作定义，本发明所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内有一般技能的人士所理解的通常意义。

在本文中，术语“约”、“左右”是指所列举的值的+/-10％。

在本文中，在将值描述为范围的情况下，应当理解，这种公开包括在该范围内的所有可能的子范围的公开，以及落入该范围内的具体数值，而与是否明确指出具体数值或具体子范围无关。

本发明实施例一方面提出一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球，该含锆包覆层石墨球从内到外依次包括：石墨球基体和锆包覆层；锆包覆层的厚度为0.25～0.50mm。

本发明实施例中通过在石墨球基体表面包覆一层锆合金，可以在不改变堆芯特性的前提下，有效防止石墨粉尘的产生。

由于锆的热中子俘获截面小(0.180±0.004靶恩，1靶恩＝10

在一些具体的实施例中，锆包覆层的厚度为0.25～0.50mm，非限制性举例如：0.25mm、0.30mm、0.45mm、0.50mm。需要说明的是，若锆包覆层过薄，则不利于防止石墨粉尘的产生；若锆包覆层过厚，则会过多增加石墨球的重量，不利于石墨球在燃料装卸料系统中的循环使用，因此，本发明实施例中控制锆包覆层的厚度为0.25～0.50mm。

在一些具体的实施例中，石墨球基体的直径为6±0.2cm；密度为1.70～1.80g/cm

在一些具体的实施例中，锆包覆层的材质为Zr-4合金、ZIRLO合金、M5合金中的任一种。

本发明另一方面还提出上述高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法，包括如下步骤：

S1，通过熔炼、挤压成型，制得两个半球形的锆合金包覆层；

S2，将所述两个半球形的锆合金包覆层装配在石墨球基体表面，并采用真空电子束将两个半球形的锆合金包覆层焊接在一起，并对焊缝进行打磨，然后再对锆合金包覆层的表面进行磨削、抛光，制得所述含锆包覆层石墨球。

在一些具体的实施例中，熔炼的温度为2000～2100℃，非限制性举例如：2000℃、2050℃、2080℃、2100℃等；熔炼的时间为5～10min，非限制性举例如：5min、8min、10min等。

在一些具体的实施例中，熔炼是在真空条件下进行熔炼的，且熔炼是在保护气体氛围中进行，所述保护气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种。

在一些具体的实施例中，挤压成型的压力为20～25MPa，非限制性举例如：20MPa、23MPa、24MPa、25MPa等；挤压成型的时间为30～60s，非限制性举例如：30s、45s、50s、60s等。

在一些具体的实施例中，焊接是在真空度≤8×10

在一些具体的实施例中，磨削是依次采用400目、600目、800目、1200目的砂纸进行磨削。

在一些具体的实施例中，抛光采用的抛光液为无水乙酸、丙酸和高氯酸的混合液；

具体的，抛光液是将90％无水乙醇和10％丙酸的混合液加入高氯酸中制备得到，且混合液与高氯酸的体积比为1:200。

下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步详细说明，下列实施例中使用本领域常规的仪器设备，实施例中未注明具体条件的实验方法，为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照制造厂商所建议的方法和条件。除非另有说明，以下实施例中使用的各种原料，均为常规市售产品，或者可以通过已知的方法制备得到。

实施例1

本实施例提供一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球，该含锆包覆层石墨球从内到外依次包括：石墨球基体和锆包覆层；其中，石墨球基体的直径为6cm，密度为1.70g/cm

该高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法，包括如下步骤：

S1，将Zr-4合金在氩气氛围保护下于2000℃下真空熔炼10min，之后再于23MPa下挤压成型45s，制得两个半球形的锆合金包覆层；

S2，将上述两个半球形的锆合金包覆层装配在石墨球基体表面，并采用真空电子束将两个半球形的锆合金包覆层焊接在一起，并对焊缝进行打磨，然后再对锆合金包覆层的表面依次采用400目、600目、800目、1200目的砂纸进行磨削，最后再经抛光后，即得含锆包覆层石墨球。

实施例2

本实施例提供一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球，该含锆包覆层石墨球从内到外依次包括：石墨球基体和锆包覆层；其中，石墨球基体的直径为6cm，密度为1.75g/cm

该高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法，包括如下步骤：

S1，将ZIRLO合金在氩气氛围保护下于2100℃下真空熔炼8min，之后再于25MPa下挤压成型30s，制得两个半球形的锆合金包覆层；

S2，将上述两个半球形的锆合金包覆层装配在石墨球基体表面，并采用真空电子束将两个半球形的锆合金包覆层焊接在一起，并对焊缝进行打磨，然后再对锆合金包覆层的表面依次采用400目、600目、800目、1200目的砂纸进行磨削，最后再经抛光后，即得含锆包覆层石墨球。

实施例3

本实施例提供一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球，该含锆包覆层石墨球从内到外依次包括：石墨球基体和锆包覆层；其中，石墨球基体的直径为6cm，密度为1.80g/cm

该高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法，包括如下步骤：

S1，将M5合金在氩气氛围保护下于2050℃下真空熔炼5min，之后再于20MPa下挤压成型60s，制得两个半球形的锆合金包覆层；

S2，将上述两个半球形的锆合金包覆层装配在石墨球基体表面，并采用真空电子束将两个半球形的锆合金包覆层焊接在一起，并对焊缝进行打磨，然后再对锆合金包覆层的表面依次采用400目、600目、800目、1200目的砂纸进行磨削，最后再经抛光后，即得含锆包覆层石墨球。

实施例4

本实施例提供一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球，该含锆包覆层石墨球从内到外依次包括：石墨球基体和锆包覆层；其中，石墨球基体的直径为6cm，密度为1.70g/cm

该高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法，包括如下步骤：

S1，将Zr-4合金在氩气氛围保护下于2100℃下真空熔炼10min，之后再于25MPa下挤压成型45s，制得两个半球形的锆合金包覆层；

S2，将上述两个半球形的锆合金包覆层装配在石墨球基体表面，并采用真空电子束将两个半球形的锆合金包覆层焊接在一起，并对焊缝进行打磨，然后再对锆合金包覆层的表面依次采用400目、600目、800目、1200目的砂纸进行磨削，最后再经抛光后，即得含锆包覆层石墨球。

实施例5

本实施例提供一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球，该含锆包覆层石墨球从内到外依次包括：石墨球基体和锆包覆层；其中，石墨球基体的直径为6cm，密度为1.75g/cm

该高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法，包括如下步骤：

S1，将ZIRLO合金在氩气氛围保护下于2100℃下真空熔炼10min，之后再于25MPa下挤压成型60s，制得两个半球形的锆合金包覆层；

S2，将上述两个半球形的锆合金包覆层装配在石墨球基体表面，并采用真空电子束将两个半球形的锆合金包覆层焊接在一起，并对焊缝进行打磨，然后再对锆合金包覆层的表面依次采用400目、600目、800目、1200目的砂纸进行磨削，最后再经抛光后，即得含锆包覆层石墨球。

实施例6

本实施例提供一种高温气冷堆用含锆包覆层石墨球，该含锆包覆层石墨球从内到外依次包括：石墨球基体和锆包覆层；其中，石墨球基体的直径为6cm，密度为1.80g/cm

该高温气冷堆用含锆包覆层石墨球的制备方法，包括如下步骤：

S1，将M5合金在氩气氛围保护下于2050℃下真空熔炼10min，之后再于20MPa下挤压成型60s，制得两个半球形的锆合金包覆层；

S2，将上述两个半球形的锆合金包覆层装配在石墨球基体表面，并采用真空电子束将两个半球形的锆合金包覆层焊接在一起，并对焊缝进行打磨，然后再对锆合金包覆层的表面依次采用400目、600目、800目、1200目的砂纸进行磨削，最后再经抛光后，即得含锆包覆层石墨球。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。