專利名稱:碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于粉末冶金制造方法，具體涉及核反應堆用可燃毒物芯塊的制備方法。
背景技術：
為了延長核反應堆堆芯壽命，加深元件燃耗，必須在裝料時加大剩余反應性。由于首次裝料的元件是新的，剩余反應性很大，若全靠增加硼濃度來抑制反應性，很可能超過臨界硼濃度，使反應性溫度系數(shù)出現(xiàn)正值。為了既不超過臨界硼濃度，又兼顧反應性控制，需要添加可燃毒物。使用一定數(shù)量的、可精確控制的固體可燃毒物來補償堆芯反應性，有效地展平功率分布，使反應堆平穩(wěn)、安全、高效運行。
目前在核反應堆中常用的可燃毒物有兩種類型，一類是均勻型可燃毒物燃料，如UO2-Gd2O3, UO2-ZrB2等；另一類為分離型可燃毒物，如硼不銹鋼、硼硅酸鹽玻璃、B4C-Al2O3^B4C-Zr-2等。在分離型可燃毒物中，硼不銹鋼由于吸收中子后“寄生吸收”較大，已經(jīng)逐步地被其他可燃毒物所取代。硼硅酸鹽玻璃是將硼玻璃放在不銹鋼或鋯合金包殼管內做毒物棒，但硼硅酸鹽玻璃的強度低、對水冷卻劑的抗腐蝕性極差。后來西屋公司開發(fā)了新型的通水環(huán)狀可燃毒物WABA (Al2O3-B4C),與硼硅酸鹽玻璃和硼不銹鋼相比，提高了可燃毒物的有效性，增加了硼對燃料燃耗的消耗，但是環(huán)狀毒物的加工相對比較困難。
由于Zr-2基體幾乎沒有“寄生吸收”，抗輻照性能好，并且與包殼的相容性好，是一種理想的可燃毒物材料，但由于鋯粉的成本太高，導致鋯基可燃毒物材料的造價高昂。鋁合金具有良好的核性能，已被廣泛用作生產堆和試驗堆的元件包殼和堆芯結構材料。其中，鋁硅合金是鋁合金中應用最廣的一類合金，有著良好的焊接性、抗蝕性和力學性能，當Si含量約為12%時，力學性能最佳。以鋁硅共晶合金為基體的可燃毒物芯塊，可以使得毒物芯塊的價格相對便宜，并且鋁硅合金作為基體對中子也無“寄生吸收”，導熱性能優(yōu)于鋯合金基體，在許用溫度下有著較好的力學性能和良好的抗蝕和耐輻照能力。
經(jīng)檢索，以鋁硅共晶合金為基體的用于核反應堆的碳化硼-鋁硅合金可燃毒物的制備工藝未見報導。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本和導熱性能優(yōu)于鋯合金基體的碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法。
本發(fā)明的技術方案如下
碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊制備方法，具體制備步驟如下
步驟一混料按照預定的化學配比將碳化硼粉末與鋁硅合金粉末在混料機中混合均
勻；
步驟二芯坯壓制將混合均勻的粉末采用單向模壓壓制成預制芯坯；
步驟三熱擠壓將預制芯坯放入擠壓模具中，再將擠壓模具放置到電阻爐中，經(jīng)加熱、升溫、保溫后擠壓為型材；步驟四型材加工將擠壓型材退火、校直、切割，得到碳化硼在鋁硅基體中均勻分布，密度為97 99%T. D的芯塊成品。
其附加特征在于
所述步驟一中采用的鋁硅合金粉末為鋁硅共晶合金粉末；
所述的鋁硅共晶合金粉末為A188SH2粉末。所述步驟一中的碳化硼粉末的質量分數(shù)為I. 49^1. 68wt%、粒度5 30 U m ;鋁硅合金粉末的質量分數(shù)為98. 32 98. 5Iwt %，粒度10 70 u m ;混合時間3(T60min。
所述步驟二中混合粉末壓制成預制芯坯的壓力為25(T300MPa ;保壓時間45飛Os ； 所述步驟三中電阻爐加熱溫度為40(T550 °C，升溫速率1(T15°C /min,保溫時間
30 180min ;模具擠壓比11，擠壓速度2. 5 4. Omm/s。
本發(fā)明的效果在于本發(fā)明的制備方法是以鋁硅合金為基體，將碳化硼作為中子吸收劑，均勻分布在鋁硅合金基體中。本發(fā)明制備的碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊成本和導熱性能優(yōu)于鋯合金基體?？扇级疚镄緣K致密度高，達97%T. D以上。
具體實施方式
本發(fā)明的碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法，是以鋁硅合金為基體，碳化硼作為中子吸收劑，均勻分布在鋁硅合金基體中，碳化硼粉末與鋁硅合金粉末經(jīng)均勻混料后，壓制成預制芯坯，再進行熱擠壓，經(jīng)型材加工，得到碳化硼在鋁硅基體中均勻分布，密度為97%T. D以上的芯塊成品。
具體制備步驟如下
步驟一混料將質量分數(shù)為I. 49^1. 68wt%、粒度5 30 y m的碳化硼粉末與質量分數(shù)98. 32^98. 5 Iwt %，粒度1(T70 U m的鋁硅合金粉，在混料機中混合均勻，混料時間30 60min ；
步驟二芯坯壓制將混合均勻的粉末在25(T300MPa的壓力下，采用單向模壓壓制成預制芯坯，保壓時間45飛Os;
步驟三熱擠壓將預制芯坯放入擠壓模具中，再將擠壓模具放置到電阻爐中加熱至40(T550°C，升溫速率為1(T15°C /min，保溫3(Tl80min后擠壓為型材；模具擠壓比11，擠壓速度 2. 5 4. Omm/s ；
步驟四型材加工將擠壓型材退火、校直、切割，得到碳化硼在鋁硅基體中均勻分布，密度為97 99%T. D的芯塊成品。
下面結合實施例對本發(fā)明作進一步描述
實施例I
步驟一混料將質量分數(shù)為I. 49wt%、粒度30 ii m的碳化硼粉末與質量分數(shù)98. 51wt%、粒度70 ii m的招娃合金粉,在混料機中均勻混合，混料時間30min ；
步驟二芯坯壓制將混合粉末在300MPa的壓力下，采用單向模壓成碳化硼鋁硅合金預制芯坯，保壓時間60s ；
步驟三熱擠壓將預制芯坯放入擠壓模具中，再將擠壓模具放置到電阻爐中加熱至400°C，升溫速率10°C /min，保溫ISOmin后擠壓為型材；擠壓模具的擠壓比為11，擠壓速度
2.5mm/s ；步驟四型材加工對擠壓出的型材退火、校直、切割，得到碳化硼在鋁硅基體中均勻分布，密度為97%T. D的芯體成品。
實施例2
步驟一混料將質量分數(shù)為I. 68wt%、粒度5 u m的碳化硼粉末與質量分數(shù)98. 32wt%、粒度10 ii m的招娃合金粉,在混料機中均勻混合，混料時間60min ；
步驟二芯坯壓制將混合粉末在300MPa的壓力下，采用單向模壓成碳化硼鋁硅合金預制芯坯，保壓時間60s ；
步驟三熱擠壓將預制芯坯放入擠壓模具中，再將擠壓模具放置到電阻爐中加熱至550°C，升溫速率15°C /min，保溫60min后擠壓為型材；擠壓模具的擠壓比為11，擠壓速度4. Omm/s ;
步驟四型材加工對擠壓出的型材退火、校直、切割，得到碳化硼在鋁硅基體中均勻分 布，密度為99%T. D的芯體成品。
實施例3
步驟一混料將質量分數(shù)為I. 64wt%、粒度20 ii m的碳化硼粉末與質量分數(shù)98. 36wt%、粒度30 ii m的招娃合金粉,在混料機中均勻混合，混料時間30min ；
步驟二芯坯壓制將混合粉末在250MPa的壓力下，采用單向模壓成碳化硼鋁硅合金預制芯坯，保壓時間60s ；
步驟三熱擠壓將預制芯坯放入擠壓模具中，再將擠壓模具放置到電阻爐中加熱至500°C，升溫速率10°C /min，保溫30min后擠壓為型材；擠壓模具的擠壓比為11，擠壓速度2. 6mm/s ；
步驟四型材加工對擠壓出的型材退火、校直、切割，得到碳化硼在鋁硅基體中均勻分布，密度為98. 30%T. D的芯體成品。
實施例4
步驟一混料將質量分數(shù)為I. 60wt%、粒度20 ii m的碳化硼粉末與質量分數(shù)98. 40wt%、粒度30 ii m的招娃合金粉,在混料機中均勻混合，混料時間45min ；
步驟二芯坯壓制將混合粉末在275MPa的壓力下，采用單向模壓成碳化硼鋁硅合金預制芯坯，保壓時間45s ；
步驟三熱擠壓將預制芯坯放入擠壓模具中，再將擠壓模具放置到電阻爐中加熱至450°C，升溫速率12. 50C /min，保溫120min后擠壓為型材；擠壓模具的擠壓比為11，擠壓速度 3. 4mm/s ；
步驟四型材加工對擠壓出的型材退火、校直、切割，得到碳化硼在鋁硅基體中均勻分布，密度為98. 62%T. D的芯體成品。
權利要求
1.碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法，其特征在于所述制備方法的具體步驟如下 步驟ー混料按照預定的化學配比將碳化硼粉末與鋁硅合金粉末在混料機中混合均勻； 步驟ニ芯坯壓制將混合均勻的粉末采用單向模壓壓制成預制芯坯； 步驟三熱擠壓將預制芯坯放入擠壓模具中，再將擠壓模具放置到電阻爐中，經(jīng)加熱、升溫、保溫后擠壓為型材； 步驟四型材加工將擠壓型材退火、校直、切割，得到碳化硼在鋁硅基體中均勻分布，密度為97、9%T. D的芯塊成品。
2.按照權利要求
I所述的碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法，其特征在于所述步驟一中采用的鋁硅合金粉末為鋁硅共晶合金粉末。
3.按照權利要求
2所述的碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法，其特征在于所述的鋁硅共晶合金粉末為A188SH2粉末。
4.按照權利要求
I所述的碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法，其特征在于所述步驟一中的碳化硼粉末的質量分數(shù)為I. 49^1. 68wt%、粒度5 30 μ m ;鋁硅合金粉末的質量分數(shù)為98. 51 98. 32wt %，粒度10 70 μ m ;混合時間30 60min。
5.按照權利要求
I所述的碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法，其特征在于所述步驟ニ中混合粉末壓制成預制芯坯的壓カ為25(T300MPa ;保壓時間45飛Os。
6.按照權利要求
I所述的碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法，其特征在于所述步驟三中電阻爐加熱溫度為40(T550°C，升溫速率10 15°C /min，保溫時間3(Tl80min ；模具擠壓比11，擠壓速度2. 5^4. Omm/s ο
專利摘要
本發(fā)明提供一種碳化硼-鋁硅合金可燃毒物芯塊的制備方法。該方法是將碳化硼粉末與鋁硅合金粉末經(jīng)均勻混料后，壓成預制芯坯，再進行熱擠壓，經(jīng)退火及后續(xù)加工，得到可燃毒物芯塊成品。本發(fā)明的制備方法操作簡單，成本低，毒物芯塊密度高且導熱性能好，碳化硼分布均勻性好，滿足核反應堆可燃毒物的設計使用要求。
文檔編號G21C21/18GKCN102672178SQ201210155439
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月18日
發(fā)明者付道貴, 簡敏, 鄒從沛 申請人:中國核動力研究設計院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan