CN111951991A - 一种基于3d打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印的核燃料元件密封成形方法，属于核电技术领域，采用SiC作为燃料元件的包壳材料，通过3D打印方法和激光熔覆技术，在包壳和端塞间形成密封圈，包壳采用SiC陶瓷材料，SiC密封圈与SiC包壳形成良好的匹配，能保证包壳和端塞密封性能，降低燃料芯体的运行温度和堆芯储能，提高棒状核燃料元件的安全性。本发明设计合理，操作简便，密封圈与SiC包壳形成良好匹配，可有效提高棒状核燃料元件的密封性能。
Description
技术领域
本发明属于核电技术领域，涉及一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法。
背景技术
核燃料元件是核电站的能量源泉，也是核反应堆的核心部件。燃料元件在反应堆内所处的环境条件为辐照场、温度场、速度场以及一定外压等，工作环境十分苛刻。对燃料元件包壳、端塞等结构材料来说，除辐照造成的损伤以外，还要承受芯体材料的尺寸变化而产生的应力、应变、腐蚀等。
轻水反应堆是核电站的主要堆型，采用棒状核燃料元件。现役棒状核燃料元件由短圆柱状的燃料芯块、包壳、端塞、贮气腔压紧弹簧等构成。碳化硅是目前重要的功能结构陶瓷材料，具有耐高温、抗氧化、耐磨损和耐腐蚀等一系列优异性能，其密度仅有镍基高温合金的1/4～1/3，是未来核燃料元件包壳的重要材料。日本福岛事故后，对核燃料元件的安全性提出了更高的要求。
现有技术中的棒状核燃料元件因包壳和端塞密封性能不好而严重影响棒状核燃料元件的安全性能，因此如何保证包壳和端塞密封性能，进而降低燃料芯体的运行温度和堆芯储能，对于提高棒状核燃料元件的安全性具有重要意义。
鉴于SiC的耐水腐蚀性能和热强性能优异，探索碳化硅陶瓷基复合材料零件在能源领域的制造，具有重要的应用前景。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法，解决现有的棒状核燃料元件因包壳和端塞密封性能不好而导致的安全问题。本发明采用SiC作为棒状燃料元件的包壳材料，提出通过3D打印成型与激光熔覆技术，在包壳和端塞间形成密封圈，解决包壳和端塞之间的密封问题，提高棒状核燃料元件的安全性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种棒状核燃料元件，芯体采用中间带孔的U3Si2芯体，提高了燃料元件的铀装载量，在U3Si2芯体与SiC包壳之间设置冶金结合层，消除了U3Si2芯体与包壳之间的间隙，U3Si2芯体中心的中孔可储存裂变气体，并充分吸收辐照肿胀。包壳采用SiC陶瓷材料，SiC具有耐高温、抗氧化、耐磨损、耐腐蚀和耐热震等性能，同时在端塞和SiC包壳之间设置有SiC密封圈，SiC密封圈与SiC包壳形成良好的匹配，能保证包壳和端塞之间的密封性能，降低了芯体的运行温度和堆芯储能，从而提高棒状核燃料元件的安全性。
本发明还公开了一种基于3D打印的核燃料元件密封成形方法，采用SiC作为燃料元件的包壳材料，基于3D打印方法，利用碳纤维粉体和光敏树脂混合制备而成的打印墨水打印碳纤维基包壳密封圈素坯，对包壳密封圈素坯进行干燥和热解处理制得碳纤维预制体基板，再利用Si粉对其进行激光熔覆，从而实现SiC密封圈的快速成型。在包壳和端塞间利用3D打印技术形成密封圈，解决了包壳和端塞之间的密封问题。该方法省略了装配加工等困难，可实现变结构、变厚度的密封圈的制备，同时密封效果好，与包壳材料能够形成良好匹配，该方法设计合理，操作简便，可有效提高棒状核燃料元件的密封性能，适用于实际生产。
进一步地，棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔为轴转动，扫描路径为棒状核燃料元件转动而3D打印机喷头保持不动，棒状核燃料元件的运动轨迹和扫描路径匹配，进一步保证了三维CAD模型的准确性，保证了棒状核燃料元件的密封效果。
附图说明
图1为本发明提出的棒状核燃料元件的结构示意图；
其中：1-端塞；2-SiC密封圈；3-SiC包壳；4-冶金结合层；5-U3Si2芯体；6-中孔。
具体实施方式
参照图1，一种棒状核燃料元件，所述两个端塞1之间安装有SiC包壳3，通过3D打印技术和激光熔覆技术在端塞1和SiC包壳3间反应生成SiC密封圈2。所述SiC包壳3内设有U3Si2芯体5，且U3Si2芯体5位于两个端塞1之间，U3Si2芯体5内部开设有中孔6，U3Si2芯体5与SiC包壳3之间通过热挤压技术形成冶金结合层4。
实施例1
一种棒状核燃料元件的3D打印密封成形方法，包括以下步骤：
1)将粒度为100μm，40μm，20μm和5μm的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合，短碳纤维长度在5～10μm，得到3D打印用的纤维粉体，将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按1:3的质量比例混合，得到3D打印墨水；
2)建立包壳密封圈的三维CAD模型，建立棒状核燃料元件运动轨迹，并与扫描路径相匹配，棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动，扫描路径围绕棒状核燃料元件转动，3D打印机喷头保持不动。
3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机，并利用步骤1)中制备的打印墨水打印成形，得到碳纤维基包壳密封圈的素坯；
4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理，将素坯放置在真空脱脂炉内，在30℃条件下真空干燥4h，随后以1℃/min的升温速率升温至300℃并保温30min，然后以1℃/min的升温速率升温至900℃并保温3h，得到环装碳纤维预制体基板。
5)对球形高纯Si粉进行干燥处理，球形高纯Si粉粒度为10μm，在通氩气保护气体氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆，其中激光功率选择350W，扫描速度为350mm/min，送粉量是2.0g/min，温度为1400℃。以棒状核燃料元件中孔6为轴转动，以激光加工头和Si粉喷头保持不动的方式成型，在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密封圈2，该SiC密封圈2位于端塞1和SiC包壳3之间，使端塞1和SiC包壳3之间密封，进而得到完全密封的棒状核燃料元件。
实施例2
一种棒状核燃料元件的3D打印密封成形方法，包括以下步骤：
1)将粒度为100μm，40μm，20μm和5μm的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合，短碳纤维长度在5～10μm，得到3D打印用的纤维粉体，将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按1:2.5的质量比例混合，得到3D打印墨水；
2)建立包壳密封圈的三维CAD模型，建立棒状核燃料元件运动轨迹，并与扫描路径相匹配，棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动，扫描路径围绕棒状核燃料元件转动，3D打印机喷头保持不动。
3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机，并利用步骤1)中制备的打印墨水打印成形，得到碳纤维基包壳密封圈的素坯；
4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理，将素坯放置在真空脱脂炉内，在30℃条件下真空干燥3h，随后以1℃/min的升温速率升温至300℃并保温60min，然后以1℃/min的升温速率升温至900℃并保温5h，得到环装碳纤维预制体基板。
5)对球形高纯Si粉进行干燥处理，球形高纯Si粉粒度为30μm，在通氩气保护气体氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆，其中激光功率选择450W，扫描速度为450mm/min，送粉量选择区间是2.6g/min，温度为1400℃。
以棒状核燃料元件中孔6为轴转动，以激光加工头和Si粉喷头保持不动的方式成型，在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密封圈2，该SiC密封圈2位于端塞1和SiC包壳3之间，使端塞1和SiC包壳3之间密封，进而得到完全密封的棒状核燃料元件。
实施例3
一种棒状核燃料元件的3D打印密封成形方法，包括以下步骤：
1)将粒度为100μm，40μm，20μm和5μm的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合，短碳纤维长度在5～10μm，得到3D打印用的纤维粉体，将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按1:4的质量比例混合，得到3D打印墨水；
2)建立包壳密封圈的三维CAD模型，建立棒状核燃料元件运动轨迹，并与扫描路径相匹配，棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动，扫描路径围绕棒状核燃料元件转动，3D打印机喷头保持不动。
3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机，并利用步骤1)中制备的打印墨水打印成形，得到碳纤维基包壳密封圈的素坯；
4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理，将素坯放置在真空脱脂炉内，在20℃条件下真空干燥4h，随后以1℃/min的升温速率升温至350℃并保温45min，然后以1℃/min的升温速率升温至920℃并保温6h，得到环装碳纤维预制体基板。
5)对球形高纯Si粉进行干燥处理，球形高纯Si粉粒度为50μm，在通氩气保护气体氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆，其中激光功率选择300W，扫描速度为300mm/min，送粉量是1.2g/min，温度为1500℃。
以棒状核燃料元件中孔6为轴转动，以激光加工头和Si粉喷头保持不动的方式成型，在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密封圈2，该SiC密封圈2位于端塞1和SiC包壳3之间，使端塞1和SiC包壳3之间密封，进而得到完全密封的棒状核燃料元件。
实施例4
一种棒状核燃料元件的3D打印密封成形方法，包括以下步骤：
1)将粒度为100μm，40μm，20μm和5μm的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合，短碳纤维长度在5～10μm，得到3D打印用的纤维粉体，将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按1:2的质量比例混合，得到3D打印墨水；
2)建立包壳密封圈的三维CAD模型，建立棒状核燃料元件运动轨迹，并与扫描路径相匹配，棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动，扫描路径围绕棒状核燃料元件转动，3D打印机喷头保持不动。
3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机，并利用步骤1)中制备的打印墨水打印成形，得到碳纤维基包壳密封圈的素坯；
4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理，将素坯放置在真空脱脂炉内，在30℃条件下真空干燥4h，随后以1℃/min的升温速率升温至400℃并保温50min，然后以1℃/min的升温速率升温至1000℃并保温4h，得到环装碳纤维预制体基板。
5)对球形高纯Si粉进行干燥处理，球形高纯Si粉粒度为100μm，在通氩气保护气体氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆，其中激光功率选择500W，扫描速度为500mm/min，送粉量是3.2g/min，温度为1800℃。
以棒状核燃料元件中孔6为轴转动，以激光加工头和Si粉喷头保持不动的方式成型，在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密封圈2，该SiC密封圈2位于端塞1和SiC包壳3之间，使端塞1和SiC包壳3之间密封，进而得到完全密封的棒状核燃料元件。
实施例5
一种棒状核燃料元件的3D打印密封成形方法，包括以下步骤：
1)将粒度为100μm，40μm，20μm和5μm的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合，短碳纤维长度在5～10μm，得到3D打印用的纤维粉体，将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按1:3的质量比例混合，得到3D打印墨水；
2)建立包壳密封圈的三维CAD模型，建立棒状核燃料元件运动轨迹，并与扫描路径相匹配，棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动，扫描路径围绕棒状核燃料元件转动，3D打印机喷头保持不动。
3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机，并利用步骤1)中制备的打印墨水打印成形，得到碳纤维基包壳密封圈的素坯；
4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理，将素坯放置在真空脱脂炉内，在25℃条件下真空干燥4h，随后以1℃/min的升温速率升温至300℃并保温40min，然后以1℃/min的升温速率升温至950℃并保温6h，得到环装碳纤维预制体基板。
5)对球形高纯Si粉进行干燥处理，球形高纯Si粉粒度为65μm，在通氩气保护气体氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆，其中激光功率选择400W，扫描速度为400mm/min，送粉量是2.5g/min，温度为1600℃。
以棒状核燃料元件中孔6为轴转动，以激光加工头和Si粉喷头保持不动的方式成型，在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密封圈2，该SiC密封圈2位于端塞1和SiC包壳3之间，使端塞1和SiC包壳3之间密封，进而得到完全密封的棒状核燃料元件。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种棒状核燃料元件，其特征在于，包括SiC包壳(3)、U3Si2芯体(5)和位于U3Si2芯体(5)与SiC包壳(3)之间的冶金结合层(4)，所述U3Si2芯体(5)的内部开设有中孔(6)，所述SiC包壳(3)的两端分别固定有一个端塞(1)，在所述端塞(1)和SiC包壳(3)之间设置有SiC密封圈(2)。
2.根据权利要求1所述的一种棒状核燃料元件，其特征在于，所述SiC密封圈(2)的致密度高于99％，SiC密封圈(2)的外径与SiC包壳(3)外径尺寸相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将粒度为100μm，40μm，20μm和5μm的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量比进行混合，得到3D打印用的纤维粉体，将该碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂混合，得到3D打印墨水；
S2：建立包壳密封圈的三维CAD模型，建立棒状核燃料元件运动轨迹，与3D打印扫描路径相匹配；
S3：将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机，并利用S1中制备的打印墨水打印成形，得到碳纤维基包壳密封圈的素坯；
S4：对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理，得到环状碳纤维预制体基板；
S5：利用球形高纯Si粉对碳纤维预制体基板进行干燥处理，在通保护气体氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆，在激光作用下碳纤维预制体和Si粉反应生成SiC密封圈(2)，即在端塞(1)和SiC包壳(3)之间生成SiC密封圈(2)，使端塞(1)和SiC包壳(3)之间密封，得到密封的棒状核燃料元件。
4.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法，其特征在于，S1所述的短碳纤维的长度为5～10μm。
5.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法，其特征在于，S1所述的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂的质量比例为1:4～1:2。
6.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法，其特征在于，S2所述的棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔(6)为轴转动，所述的扫描路径是以棒状核燃料元件转动，3D打印机喷头保持不动的路径。
7.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法，其特征在于，S4所述的真空干燥和热解处理工艺为：将素坯在20～30℃条件下真空干燥3～4h，随后升温至300～400℃保温30～60min，然后升温至900～1000℃保温3～6h。
8.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法，其特征在于，S5所述的球形高纯Si粉粒度为10～100μm。
9.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法，其特征在于，S5所述的碳纤维预制体和Si粉反应时间为2～48h。
10.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法，其特征在于，S5所述的保护气体为氩气；S5所述的激光加工参数包括：激光功率为300～500W，扫描速度为300～500mm/min，Si粉的送粉量为1.2～3.2g/min，温度为1400～1800℃。
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