一种核反应堆堆芯中子吸收材料钛酸镝芯块的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于核电站反应堆技术领域，具体涉及一种核反应堆堆芯中子吸收材料钛 酸镝芯块的制备方法。
【背景技术】
[0002] 在核电站运行过程中，反应堆反应性的控制方式有：化学补偿控制、固体可燃毒物 控制、控制棒控制。控制棒是中子强吸收体，它的移动速度快，操作可靠，使用灵活，控制反 应性的准确度高。固体可燃毒物控制，主要用于补偿部分初始过剩反应性。化学补偿控制 即通过改变硼浓度进行，其只能控制慢变化的反应性。因此，核电站一般采用控制棒和硼浓 度作为控制变量来实现反应堆负荷跟踪控制。
[0003] 核电站反应堆的开、停和核功率调节主要由控制棒控制。一旦发生事故，全部控制 棒会自动快速下落，使反应堆内的链式裂变反应停止，保证核电厂的安全。常用控制棒的中 子吸收材料有碳化硼（B 4C)、Ag-In-Cd、Hf酸盐、B4C和Ag-In-Cd的组合体等。而以碳化硼 和硼钢材料为代表的控制棒，此类吸收材料容易出现较严重的辐射损伤，这主要是由于 的（η，α)反应、氦气的产生和肿胀所致。此类材料会在反应堆严重事故条件下与高温高压 的蒸汽发生强放热性氧化反应，产生氢气，严重时发生氢爆。Ag、In、Cd具有相对较低的熔 点，Cd的沸点比较低，当反应堆发生严重事故时，不锈钢包壳熔化，这将导致控制棒中子吸 收材料、不锈钢包壳、锆合金导管之间发生共熔反应。
[0004] 目前，已经有基于Dy、Eu、Sm、Gd、Hf、Cd及其化合物制成的多种材料，希望用来替 代发生（η，α)反应的中子吸收材料，并减少通过调节硼酸浓度控制反应性带来的大量废 水。镝具有五种中子吸收截面相对较大的稳定同位素，这保证了在进行核反应后热中子吸 收截面不会发生突变，保证了核电站的正常运行。镝的嬗变产物的γ活性低，半衰期短，对 堆芯设备的损害小。钛酸镝的熔点高于1700°C，在反应堆发生严重事故时，能保持一定的物 理形状且一定时间内不会与包壳发生反应。核反应堆堆芯中子吸收材料钛酸镝芯块降低了 对调节硼酸浓度设备的依赖，提高了核反应堆的安全性，降低了生产成本。钛酸镝具有优越 的抗辐照性能、良好的热稳定性、热传导性以及机械强度等，同时在与中子反应后不产生气 体，是作为核反应堆堆芯中子吸收材料较佳芯块。
[0005] 常规制备钛酸镝芯块的方法中，把物料进行简单混合，这不利于块体致密度的提 高。已有制备工艺中的预烧时间过长会使粉体活性降低，不利于后续压制块体的最终烧结， 另外预烧后块体再破碎难度大。常规工艺流程中包含预烧结-破碎-过筛步骤，这不但容 易引入杂质，工艺复杂化且增加了钛酸镝块体制备成本等，这都是现有制备钛酸镝Dy 2TiO5 芯块的难点或缺点。而脉冲激光法制备钛酸镝效果虽然较好，但制备的钛酸镝常以薄膜形 式存在，难以制备得到块体态的钛酸镝。针对已有工艺的缺陷，亟需一种新的简化的成本低 的钛酸镝芯块制备方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种核反应堆堆芯中子吸收 材料钛酸镝芯块的制备方法，采用球磨-冷等静压-烧结的方法制备钛酸镝芯块。相对于 现有的球磨混粉-预压坯-预烧结-破碎-过筛-再压坯-烧结的工艺流程，本发明利用 高能球磨制备纳米晶粉体与混合粉体在纳米尺度上均匀混合的特点，省略了预压坯-预烧 结-破碎-过筛等步骤，从而实现制备工艺简化，成本降低等，所需设备简单，所获得的钛酸 镝芯块晶粒细小、组织结构均匀、致密度高，热传导性能、辐照性能优越等。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
[0008] -种核反应堆堆芯中子吸收材料钛酸镝芯块的制备方法，包括：
[0009] 1)将Dy2O3粉体和TiO 2粉体烘干以完全去除结晶水后，按Dy 203粉体与TiO 2粉体 之摩尔比为1:1~1. 2混合进行球磨，球磨装填系数为0. 2~0. 8,球料比为1~50:1，球 磨转速100~lOOOrpm，球磨时间1~120小时，得到混合粉体；
[0010] 2)通过冷等静压将混合粉体压制成坯体，压制参数为：液压缸缸内压力100~ 460MPa、保压0· 2~2. 5小时；
[0011] 3)将坯体在1100~1450°C烧结10~150小时，即得钛酸镝芯块。
[0012] -实施例中：所述Dy2O3粉体与1102粉体之摩尔比为1:1~1. 05,球磨装填系数 0· 48~0· 52,球料比为9~11:1，球磨转速150~250rpm，球磨时间11. 5~12. 5h ;冷等 静压压制参数为：液压缸缸内压力250~270MPa、保压0. 4~0. 6小时；1250~1350°C烧 结95~97小时，即得钛酸镝芯块。
[0013] -实施例中：所述Dy2O3粉体与1102粉体之摩尔比为1:1~1. 05,球磨装填系数 0· 25~0· 35,球料比为1~I. 1: 1，球磨转速100~llOrpm，球磨时间23. 5~24. 5h,;冷等 静压压制参数为：液压缸缸内压力445~455MPa、保压0. 25~0. 30小时；1390~1410°C 烧结11~13小时，即得钛酸镝芯块。
[0014] 一实施例中：所述Dy2O3粉体与1102粉体之摩尔比为1:1~1. 05,球磨装填系数 0· 78~0· 8,球料比为49~50:1，球磨转速990~lOOOrpm，球磨时间1~I. Ih,;冷等静 压压制参数为：液压缸缸内压力250~270MPa、保压0. 4~0. 6小时；1100~1120°C烧结 23~25小时，即得钛酸镝芯块。
[0015] -实施例中：所述Dy2O3粉体与1102粉体之摩尔比为1:1~1. 05,球磨装填系数 0· 48~0· 52,球料比为9~11:1，球磨转速150~250rpm，球磨时间118~120h,;冷等静 压压制参数为：液压缸缸内压力250~270MPa、保压0. 4~0. 6小时；1250~1350°C烧结 148~150小时，即得钛酸镝芯块。
[0016] -实施例中：所述Dy2O3粉体与1102粉体之摩尔比为1:1~1. 05,球磨装填系数 0. 48~0. 52,球料比为9~11: 1，球磨转速450~550rpm，球磨时间3. 5~4. 5h,;冷等静 压压制参数为：液压缸缸内压力100~l〇5MPa、保压1. 8~2. 2小时；1250~1350°C烧结 11~13小时，即得钛酸镝芯块。
[0017] 一实施例中：所述步骤1)中，球磨过程中加入不超过混合粉体总质量1. 0%的硬 脂酸过程控制剂，用于防止混合粉体粘附。
[0018] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
[0019] -种根据上述核反应堆堆芯中子吸收材料钛酸镝芯块的制备方法所制备的钛酸 镝芯块。
[0020] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：
[0021] 上述钛酸镝芯块在制备核反应堆堆芯控制棒上的应用。
[0022] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案之四是：
[0023] 一种核反应堆堆芯控制棒，所述堆芯控制棒包括上述的钛酸镝芯块。
[0024] 本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点：
[0025] 本发明采用球磨-冷等静压-烧结的方法制备钛酸镝芯块，在球磨过程中，通过 球料比、球磨机的转速、球磨时间、球磨罐装填系数等因素的综合考察优化设计，并通过适 当的加入硬脂酸过程控制剂，能在球磨过程不断的破碎、挤压与冷焊后，实现氧化镝粉体和 二氧化钛粉体在纳米尺寸上的均匀混合，同时有效防止粉体粘附且粉体的晶粒达到纳米尺 度。由于纳米颗粒的比表面积大、表面能高、活性强，减小了原子扩散距离，增加了烧结驱动 力，更有利于混合粉体内组元之间的反应和化合，获得的晶粒更细小，也降低了粉末和孔洞 的聚集，有助于提高芯块的致密度。采用一次球磨技术即可