鈾燃料元件加工(fabrication of uranium fuel element)

將天然鈾或具有不同²³⁵U豐度濃縮鈾的金屬鈾、鈾合金或鈾化合物制成鈾燃料元件及將其組裝成鈾燃料組件的過程。主要由鈾燃料元件制取和鈾燃料組件兩大環(huán)節(jié)組成。鈾燃料元件的形狀主要有棒狀和板狀兩種，它們由芯體和密封包殼構(gòu)成。鈾燃料組件則是截面具有一定形狀的鈾燃料元件的棒束，用作核反應堆的燃料。

1940年，美國根據(jù)費米(E.Fermi)的可控核鏈式裂變反應理論，開始設計和建造世界第一座核反應堆，制出第一批天然鈾燃料元件，建成的這座天然鈾石墨核反應堆，于1943年開始運行。此后，隨著不同用途、不同類型核反應堆的出現(xiàn)，鈾燃料元件的組成及形狀也根據(jù)需要而變得多種多樣。鈾燃料元件加工工業(yè)已成為核工業(yè)的重要組成部分。中國于20世紀50年代末建立了鈾燃料元件的加工工業(yè)。

技術(shù)要求鈾燃料元件的加工技術(shù)相當復雜，除要求鈾燃料元件在反應堆運行不出故障外，還要求元件或組件在整個工作期間保持一定的完整性。核裂變所釋出的能量，以熱能的形式由循環(huán)流經(jīng)活性區(qū)的冷卻劑導出，而裂變產(chǎn)物則不允許泄漏到冷卻劑中。因此，除均相反應堆外，其他反應堆所用的鈾燃料元件均由含天然鈾或濃縮鈾燃料芯體和密封包殼組成。密封包殼采用中子吸收截面小、耐腐蝕和具有足夠強度的材料制造，如采用鋁、鋁合金、鋯合金和不銹鋼等。

鈾燃料元件制取主要包括芯體制造和加工成形、密封包殼的加工、芯體在密封包殼中的密封和包裝。核反應堆用的鈾燃料元件主要有金屬型鈾燃料元件和鈾化合物陶瓷型燃料元件兩大類。

金屬型鈾燃料元件金屬型鈾燃料元件包括以金屬鈾或鈾合金為芯體的元件。

(1)金屬鈾燃料元件。先用真空高頻感應爐熔化、精煉所得的金屬鈾錠，然后鑄造成芯體坯件；或采用軋制、擠壓等工藝制取芯體坯件。金屬鈾芯體必須經(jīng)過β相熱處理，使晶體無序化，以改善其各向異性。按尺寸公差將經(jīng)過β相熱處理的金屬鈾芯體截切加工成金屬鈾棒。截切取的金屬鈾棒裝入鋁、鋁合金或鎂合金的密封包殼管中，兩端用端塞密封，并經(jīng)加壓處理使芯體和密封包殼達到冶金結(jié)合，便制得金屬鈾燃料元件。金屬鈾棒狀燃料元件也有呈空心管狀結(jié)構(gòu)的。英國、法國早期的二氧化碳氣冷堆和某些生產(chǎn)堆曾采用金屬鈾棒狀燃料元件。

(2)鈾合金燃料元件。鈾合金燃料元件芯體的各向異性和輻射性能優(yōu)于金屬鈾燃料元件芯體。鈾合金燃料芯體有兩種加工方法，一種是熔煉鑄造法，另一種是將鈾金屬化合物，如UAl₃或U₃Si₂等和鋁粉混合壓制的加工方法。鈾鋁合金燃料元件較廣泛地用于材料實驗堆和以輻照為主要目的的高通量研究堆。當采用熔煉鑄造加工法時，必須用高濃縮鈾和金屬鋁通過配料、熔煉、鑄造、加工而制成與元件形狀尺寸相應的芯體坯料。板狀元件是把芯坯裝在鏡框形的密封包殼材料中，通過軋制使其和鏡框貼緊，然后將上下密封包殼板蓋臺，再經(jīng)軋制即制成板狀元件。最后將多塊元件板組裝成核燃料組件。高通量試驗堆采用的某些同心套管式的棒狀鈾燃料組件，經(jīng)熔煉鑄造加工成的高濃縮鈾鋁合金芯坯，用端塞封入內(nèi)外密封包殼管，經(jīng)過擠壓制成貼緊包覆的管狀元件。除外套管外，其他每層套管的外表，沿軸向有三條互成120度角的筋條，作為套管水隙和起增強剛度的作用，然后將六套元件管按尺寸組裝成同心套管式的棒狀燃料組件。

鈾化合物陶瓷燃料元件二氧化鈾是廣泛用于水冷動力堆的陶瓷燃料。此種燃料元件的制造一般包括二氧化鈾芯件制造、芯體的密封包裝和制成燃料棒。

二氧化鈾芯體的制造一般先將²³⁵U豐度低于5%的濃縮UF₆經(jīng)濕法或干法制成可燒結(jié)的UO₂粉末。濕法是先將UF₆轉(zhuǎn)化成重鈾酸銨或三碳酸鈾酰銨沉淀，過濾得到的沉淀經(jīng)洗滌、干燥后，送入還原爐進行熱分解和氫還原即可獲得可燒結(jié)UO₂粉末。干法是將UF₆氣體通入回轉(zhuǎn)爐，使之依次與水蒸氣和蒸氣接觸，即生成可燒結(jié)U0₂粉末，再將U0₂粉末壓制成圓柱狀的生坯芯體，在燒結(jié)爐內(nèi)于氫氣氣氛下連續(xù)高溫燒結(jié)。所得燒結(jié)塊按規(guī)定的尺寸公差進行研磨和烘干即得二氧化鈾陶瓷芯塊。

制成燃料棒是先將鋯合金密封包殼管的下端塞好，然后將干燥的二氧化鈾陶瓷芯體、隔熱塊和貯氣空間彈簧分別裝入密封包殼管，焊接上端塞，經(jīng)上端塞上的小孔抽真空，并向棒內(nèi)充入一定壓力的高純氦氣，隨后立即堵孔，封焊成元件棒。此種燃料芯棒的密封包裝與金屬型燃料元件不同，前者在芯體與包殼之間存在微小間隙。

鈾燃料組件鈾燃料元件裝載于反應堆活性區(qū)內(nèi)，在進行可控鏈式核裂變反應過程中，釋放出大量中子、裂變產(chǎn)物和能量。鈾燃料元件在反應堆內(nèi)有一定的使用期限，需定期更新，因此需將一定數(shù)量的鈾燃料元件組裝成結(jié)構(gòu)獨立、便于裝卸的組件。

水冷動力堆的鈾燃料組件由許多鈾燃料元件棒組裝而成。壓水堆的鈾燃料元件棒長約4m，組件一般采用17×17或15×15根的棒束型。在截面為正方形的鈾燃料元件棒束中，有一些鈾燃料元件棒的位置為控制棒的導向管所取代，沿長度方向隔一定距離有定位格架。沸水堆的鈾燃料元件組件一般為7×7根鈾燃料元件棒束。組件本身不包括控制棒導向管，組件外有一方形盒套。典型壓水堆的鈾燃料元件棒組裝，是先將導向管與定位隔架點焊固定，構(gòu)成支撐鈾燃料元件棒的骨架，然后組裝鈾燃料元件棒。待鈾燃料元件棒裝完后，再將上下管座與導向管聯(lián)結(jié)起來。聯(lián)結(jié)的方式有固定式和可拆卸式，后者的優(yōu)點是可以在水下檢查或更換鈾燃料元件棒。中國秦山核電廠采用以二氧化鈾陶瓷芯塊和鋯-4合金密封包殼管構(gòu)成的燃料元件棒和15×15根束棒型壓水堆燃料組件。