專利名稱：一種陶瓷基中子吸收球及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種陶瓷基中子吸收球及制備方法。
背景技術(shù)：
作為清潔的、安全、環(huán)保的能源，核能發(fā)電對(duì)于緩解世界及各國能源安全和全球氣候變化問題都具有重要意義。雖然經(jīng)過了美國三哩島和前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故挫折，人們?nèi)匀辉诜e極開發(fā)更安全、經(jīng)濟(jì)性更好的核能發(fā)電技術(shù)。目前，第三代核電技術(shù)已經(jīng)基本成熟。正在研發(fā)的第四代核能系統(tǒng)中，高溫氣冷堆可以實(shí)現(xiàn)很高的出口溫度，具有高發(fā)電效率和高品位熱供應(yīng)能力，引起人們廣泛關(guān)注。高溫氣冷堆采用陶瓷型包覆顆粒燃料元件，氦氣作為冷卻劑，石墨作慢化劑，堆芯出口溫度可以達(dá)到700°C，直至950 1000°C。高溫氣冷堆是一種安全性能好的堆型，這是由于1)優(yōu)異的燃料元件性能；2)石墨堆芯的熱容量大；3)全范圍的負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)； 4)氦冷卻劑為惰性氣體，化學(xué)穩(wěn)定性好，不會(huì)發(fā)生相變。吸收球停堆系統(tǒng)是高溫氣冷堆的第二停堆系統(tǒng)，在高溫氣冷堆運(yùn)行過程中與控制棒系統(tǒng)配合，起到停堆與調(diào)節(jié)運(yùn)行功率的作用。其工作原理是，在正常停堆或者緊急停堆時(shí)，吸收球落入反應(yīng)堆的吸收球孔道，利用碳化硼中IOB的吸收中子特性，吸收中子進(jìn)而阻止反應(yīng)堆的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的停堆；當(dāng)反應(yīng)堆需要啟動(dòng)時(shí)，吸收球通過氣體輸送到反應(yīng)堆頂部的貯球罐內(nèi)，使之處于備用狀態(tài)。根據(jù)吸收球的使用工況，要求吸收球有很好的耐磨損性能和抗熱震性能，同時(shí)與石墨孔道間有良好的匹配性，但是傳統(tǒng)中子吸收球的強(qiáng)度、硬度，耐磨損性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度和硬度，耐磨性能好、工藝簡單的中子吸收球及其制備方法。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種陶瓷基中子吸收球，該中子吸收球的組成包括陶瓷基體、燒結(jié)助劑和中子吸收劑；陶瓷基體質(zhì)量百分比為50% 95%，中子吸收劑質(zhì)量百分比為5% 50%。其中，陶瓷基體材料為碳化硅；燒結(jié)助劑為氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、碳化硼、硼中的一種，或者將硼與碳一起加入；燒結(jié)助劑加入量在中子吸收球中質(zhì)量百分比的0.01% 15%。其中，陶瓷基體材料為氮化硅；燒結(jié)助劑為氧化鎂、氧化鋁、氧化鈦、氧化釔、氧化鑭、氮化鋁、氮化鎂中的一種或多種混合，燒結(jié)助劑加入量在中子吸收球中質(zhì)量百分比的 0. 5% 25%。
其中，中子吸收劑為碳化硼，碳化硼在中子吸收球中質(zhì)量百分比為5% 50%。上述陶瓷基中子吸收球的的制備方法，包括以下工藝步驟Si、混料，將陶瓷基體粉體、碳化硼粉、相應(yīng)的燒結(jié)助劑及酒精或者水一起混合，混合時(shí)間為0. 5 48h ；S2、造粒；S3、成型，將粉料壓制成球形坯體；S4、燒結(jié)，在保護(hù)氣氛下對(duì)S3步驟中的球形坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為 1650-2100°C ；S5、機(jī)械加工，將燒結(jié)后的球體經(jīng)過機(jī)械加工，加工成球形度好、尺寸符合要求的球體，清洗干燥后即為成品。其中，工藝步驟S2為用噴霧造粒機(jī)造對(duì)混合原料進(jìn)行造粒，造粒后粒徑為 30-800 μm0其中，工藝步驟S3為使用靜壓成型方法將粉料壓制成球形坯體，成型壓力為 100 450MPa。其中，工藝步驟S4中的燒結(jié)工藝與陶瓷基體材料有關(guān)以碳化硅為陶瓷基體材料的中子吸收球燒結(jié)溫度為1720-2100°C ；以氮化硅為陶瓷基體材料的中子吸收球燒結(jié)溫度為1650-1860°C ；燒結(jié)時(shí)保護(hù)氣氛為氮?dú)?、惰性氣體或者氮?dú)馀c惰性氣體的任意比例混合氣體。其中，包括工藝步驟S5 機(jī)械加工，將燒結(jié)后的球體經(jīng)過機(jī)械加工，加工成球形度好、尺寸符合要求的球體，清洗干燥后即為成品。(三)有益效果本發(fā)明的陶瓷基中子吸收球及制備方法具有以下有益效果1)將碳化硼與陶瓷材料在混料過程均勻混合，解決中子吸收球碳化硼與陶瓷基體的相容性問題。2)采用陶瓷基體的中子吸收球與石墨基體中子吸收球?qū)Ρ?，可以提高吸收球的?qiáng)度與硬度，由于有較好的強(qiáng)度與硬度可減少表面包覆處理工藝環(huán)節(jié)，降低吸收球生產(chǎn)的成本。3)該工藝路線完全可以采用現(xiàn)有的陶瓷的設(shè)備條件，無需專門購置或者加工專用設(shè)備，容易組織生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1 本實(shí)施例中子吸收球的陶瓷基體材料是氮化硅，其制作工藝步驟包括Si、按照氮化硅碳化硼氧化釔氧化鋁=70 18 6 6 (質(zhì)量比)稱取粉體，加入酒精后在球磨機(jī)中混合48小時(shí)，制備成均勻的漿料。S2、將漿料用噴霧造粒機(jī)進(jìn)行噴霧造粒，制備出粒徑為50 μ m,流動(dòng)性良好的球形顆粒粉體。
S3、將粉體裝入模具中進(jìn)行等靜壓成型，成型壓力250MPa。S4、將成型后的毛坯球進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為1800°C，燒結(jié)氣氛為氮?dú)獗Ｗo(hù)。S5、將燒結(jié)后樣品按吸收球規(guī)格要求進(jìn)行機(jī)加工處理，清洗后即得到氮化硅基中子吸收球。所制備氮化硅基中子吸收球抗壓強(qiáng)度為150MPa，洛氏硬度60。本實(shí)施例中陶瓷基體材料為氮化硅，燒結(jié)助劑為氧化釔和氧化鋁，中子吸收劑為碳化硼。本實(shí)施例中工藝參數(shù)可以在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，例如燒結(jié)助劑可以選擇氧化鎂、氧化鋁、氧化鈦、氧化釔、氧化鑭、氮化鋁、氮化鎂中的一種或多種混合，或者將硼與碳一起加入；在球磨機(jī)中進(jìn)行混合的時(shí)間可以為0. 5小時(shí)、10小時(shí)、24小時(shí)、36小時(shí)等； 靜壓成型壓力可以是100MPa、200MPa、400MPa、450MPa等；燒結(jié)溫度也可以在1650_1860°C 范圍內(nèi)選擇等等。實(shí)施例2 本實(shí)施例中子吸收球的陶瓷基體材料是碳化硅，其制作工藝步驟包括Si、按照碳化硅碳化硼硼粉石墨粉=75 15 8 2(質(zhì)量比)稱取粉體， 并一起加入水，在球磨機(jī)中混合36小時(shí)，制備成均勻的漿料。S2、將漿料用噴霧造粒機(jī)進(jìn)行噴霧造粒，制備出粒徑為50 μ m,流動(dòng)性良好的球形顆粒粉體。S3、將粉體裝入模具中進(jìn)行等靜壓成型，成型壓力200MPa。S4、將成型后的毛坯球進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度為1900°C，燒結(jié)氣氛為氬氣保護(hù)。S5、將燒結(jié)后樣品按吸收球規(guī)格要求進(jìn)行機(jī)加工處理，清洗后即得到碳化硅基中子吸收球。所制備碳化硅基中子吸收球抗壓強(qiáng)度200MPa，洛氏硬度70。本實(shí)施例中陶瓷基體材料為碳化硅，燒結(jié)助劑為硼粉石墨粉，中子吸收劑為碳化硼。和實(shí)施例1類似，本實(shí)施例中工藝參數(shù)也可以在本發(fā)明公開的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。例如，燒結(jié)助劑還可以選擇氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、碳化硼、硼中的一種；燒結(jié)溫度在 1720-2100°C范圍內(nèi)選擇等等。以上實(shí)施例步驟S2造粒后粒徑大小對(duì)后期工藝及機(jī)械加工步驟有影響，所以應(yīng)盡量使造粒后粒徑處于30-800 μ m范圍內(nèi)。以上所述僅是本發(fā)明的實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷基中子吸收球，其特征在于，其組成包括陶瓷基體、燒結(jié)助劑和中子吸收劑；所述陶瓷基體材料為碳化硅或氮化硅，陶瓷基體在中子吸收球中質(zhì)量百分比為50% 95%。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷基中子吸收球，其特征在于，所述陶瓷基體材料為碳化硅； 燒結(jié)助劑為氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、碳化硼、硼中的一種，或者將硼與碳一起加入；燒結(jié)助劑加入量在中子吸收球中質(zhì)量百分比的0.01% 15%。
3.如權(quán)利要求1所述的陶瓷基中子吸收球，其特征在于，所述陶瓷基體材料為氮化硅； 燒結(jié)助劑為氧化鎂、氧化鋁、氧化鈦、氧化釔、氧化鑭、氮化鋁、氮化鎂中的一種或多種混合， 燒結(jié)助劑加入量在中子吸收球中質(zhì)量百分比的0. 5% 25%。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的陶瓷基中子吸收球，其特征在于，所述中子吸收劑為碳化硼，碳化硼在中子吸收球中質(zhì)量百分比為5% 50%。
5.一種陶瓷基中子吸收球的制備方法，其特征在于，包括以下工藝步驟51、混料，將陶瓷基體粉體、碳化硼粉、相應(yīng)的燒結(jié)助劑及酒精或者水一起混合，混合時(shí)間為0. 5 48h ；52、造粒；53、成型，將粉料壓制成球形坯體；54、燒結(jié)，在保護(hù)氣氛下對(duì)S3步驟中的球形坯體進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1650-2100°C；55、機(jī)械加工，將燒結(jié)后的球體經(jīng)過機(jī)械加工，加工成球形度好、尺寸符合要求的球體， 清洗干燥后即為成品。
6.如權(quán)利要求5所述的陶瓷基中子吸收球的制備方法，其特征在于，所述工藝步驟S2 為用噴霧造粒機(jī)造對(duì)混合原料進(jìn)行造粒，造粒后粒徑為30-800 μ m。
7.如權(quán)利要求5所述的陶瓷基中子吸收球的制備方法，其特征在于，所述工藝步驟S3 為使用靜壓成型方法將粉料壓制成球形坯體，成型壓力為100 450MPa。
8.如權(quán)利要求5所述的陶瓷基中子吸收球的制備方法，其特征在于，所述工藝步驟S4 中的燒結(jié)工藝與陶瓷基體材料有關(guān)以碳化硅為陶瓷基體材料的中子吸收球燒結(jié)溫度為 1720-2100°C ；以氮化硅為陶瓷基體材料的中子吸收球燒結(jié)溫度為1650-1860°C ；燒結(jié)時(shí)保護(hù)氣氛為氮?dú)狻⒍栊詺怏w或者氮?dú)馀c惰性氣體的任意比例混合氣體。
9.如權(quán)利要求2所述的陶瓷基中子吸收球的制備方法，其特征在于，還包括工藝步驟 S5 機(jī)械加工，將燒結(jié)后的球體經(jīng)過機(jī)械加工，加工成球形度好、尺寸符合要求的球體，清洗干燥后即為成品。
全文摘要
本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種陶瓷基中子吸收球及制備方法。本發(fā)明的中子吸收球以碳化硅或氮化硅為陶瓷基體，以碳化硼為中子吸收劑，加入燒結(jié)助劑后，通過混料、造粒、成型、燒結(jié)、機(jī)械加工五個(gè)工藝步驟制備。本發(fā)明的陶瓷基中子吸收球以抗熱震性能良好的陶瓷材料作為基體，強(qiáng)度、硬度與耐磨損性能大大提高，采用一般陶瓷生產(chǎn)工藝，技術(shù)成熟、工藝簡單，更節(jié)約成本。
文檔編號(hào)C04B35/63GK102432295SQ20111023123
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者林旭平, 艾德生, 譚威, 鄧長生, 馬景陶, 黃志勇 申請(qǐng)人:清華大學(xué)