本发明属于核燃料核芯材料制造技术领域，具体涉及一种二氧化铀颗粒的等离子球化工艺。
背景技术：
燃料组件性能直接影响反应堆的安全性、可靠性和使用寿命，因此，传统型燃料组件不断优化，新型燃料组件不断开发，在此过程中，不同尺寸、材料和结构的包覆颗粒，被广泛应用于各种新型燃料的研制与开发，在包覆颗粒燃料制备过程中，核芯的球化是一项关键技术。本发明针对我国在核动力堆元件、新型耐事故燃料元件等领域发展需求，旨在研究开发一种新型球形包覆颗粒核芯uo2球化技术，为球形包覆颗粒燃料提供技术储备。
在包覆颗粒燃料核芯的制备方面，目前国内外普遍采用的方法是溶胶凝胶法，该方法成熟稳定，还存在的问题是，制备粒度较小的粉末颗粒时难以实现量产。
粉末材料球化处理和制备技术的发展历程表明，射频等离子体球化技术具有其他方法无可企及的优越性，概括起来、其具备以下优点：
1)加热温度高、冷却速度快、无电极污染；
2)原料在等离子体中动态分散，可以避免粉体的团聚和长大，适合进行粉体的熔融球化；
3)能量密度高，加热强度大，可以制备高温难熔金属及其他化合物粉体材料；
4)粉末形状规则球化率高，表面光洁；
5)减小粉末的空隙率，提高粉末密度；
6)降低粉末脆性；
7)提高粉末纯度；
8)球形度高、流动性好。
采用等离子球化uo2粉末的技术，国内外尚未见报道，虽然目前溶胶凝胶法应用较为稳定，但开展等离子球化uo2技术研究，即可以解决小尺寸uo2粉末颗粒的球化问题，又可以充分利用等离子球化技术的优点，不断丰富和完善uo2粉末颗粒球化技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种二氧化铀颗粒的等离子球化工艺，采用射频等离子球化技术，在高频电源作用下，惰性气体被电离，形成稳定的高温惰性气体等离子体，将形状不规则的二氧化铀颗粒用运载气体经送粉器喷入到等离子炬中，二氧化铀颗粒在高温等离子体中被迅速加热表面熔化，利用液体表面张力实现球化，然后以极高的速度进入反应器，在惰性气氛下快速冷却凝固，进入收料室中收集。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种二氧化铀颗粒的等离子球化工艺，包括如下步骤：
步骤一：将筛分后的二氧化铀颗粒放置于送粉器中，将送粉器抽真空，充入氩气至标准大气压，再次抽真空充氩气，如此反复2～4次；
步骤二：对等离子炬、冷却室和收集室抽真空；
步骤三：启动冷却水循环机组，启动射频电源，预热灯丝；
步骤四：接通气源，打开等离子炬供气流量柜，通入工作氩气；
步骤五：调节真空管道阀门开度20％～60％；
步骤六：接通射频电源高压，启动等离子炬产生等离子弧，立即向等离子炬内通入冷却氩气；
步骤七：等离子弧稳定后，调节射频电源高压至8～15kv；
步骤八：启动送粉器，送出二氧化铀颗粒至等离子炬中进行球化；
步骤九：球化过程结束后，破真空打开收集室，取出二氧化铀颗粒。
所述的步骤一，将送粉器抽真空至20pa以下。
所述的步骤二，对等离子炬、冷却室和收集室抽真空至1pa以下。
所述的步骤三，预热灯丝40～80分钟。
所述的步骤四，通入工作氩气1～5m3/h。
所述的步骤六，立即向等离子炬内通入冷却氩气4～10m3/h。
所述的步骤八，以5～50g/min的速度送出二氧化铀颗粒至等离子炬中进行球化。
该工艺是在射频等离子体实验装置上实现的，射频等离子体实验装置包括射频电源、等离子炬供气流量柜、送粉器、真空管道、等离子炬、冷却室和收集室、真空泵、冷却水循环机组、气源、控电柜；射频电源进端与室内供电柜连接，出端与等离子炬和控电柜连接，等离子炬供气流量柜进端与气源相连，出端与等离子炬相连，送粉器进端与真空管道和气源相连，出端与等离子炬相连，通过真空管道和气源实现对送粉器抽真空充气，由调速器控制送粉器底板转速和振动量来实现向等离子炬的目标送粉量，等离子炬由内层石英管、中层陶瓷管和外包套组成，等离子炬物料出端与冷却室和收集室相连，气体出端与真空管道相连，球化过程进行时，由送粉器将uo2粉末颗粒送入等离子炬内，球化后的uo2粉末颗粒进入冷却室和收集室内；供气流量柜向等离子炬内不断提供工作气和冷却气，真空泵通过真空管道不断抽走多余的气体；先将等离子炬内抽成真空，通入氩气使等离子炬内压力达到0.01～0.08mpa，接入高压使氩气击穿，大电流产生的焦耳热通过热传导和对流的形式加热被送入到等离子炬内的气体，从而形成火炬形状的热等离子体；冷却室与收集室相连，收集室出端为舱门，可开舱门取出球化后的uo2粉末颗粒，冷却室通过氩气冷却使球化uo2粉末颗粒温度降低急冷凝聚；真空泵与真空管道连接，真空泵的作用是在等离子体点火过程中，将等离子炬内保持负压状态，并维持等离子体点火压力，实现等离子炬内压力的精确控制；冷却水循环机组与等离子矩电极相连，作用是对等离子炬电极冷却。
本发明所取得的有益效果为：
本发明首次在二氧化铀核芯材料中采用等离子球化的手段，设计了工艺流程，整体球化过程均可实现真空和氩气状态，二氧化铀无氧化现象，通过工艺实验确定了工艺参数，球化后的二氧化铀颗粒球形度高，球化比例达到80％以上，颗粒无团聚、氧化现象。该发明解决了小尺寸二氧化铀颗粒球化问题，针对未来新型耐事故燃料元件等领域发展需求，为球形包覆颗粒燃料提供技术储备。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明是在射频等离子体实验装置上实现的，射频等离子体实验装置包括射频电源、等离子炬供气流量柜、送粉器、真空管道、等离子炬、冷却室和收集室、真空泵、冷却水循环机组、气源、控电柜。
射频电源进端与室内供电柜连接，出端与等离子炬和控电柜连接，其作用是为等离子炬提供高压，等离子炬内气体电离产生等离子弧。等离子炬供气流量柜进端与气源相连，出端与等离子炬相连，为等离子炬提供工作气和冷却气。送粉器进端与真空管道和气源相连，出端与等离子炬相连，通过真空管道和气源可实现对送粉器抽真空充气，由调速器控制送粉器底板转速和振动量来实现向等离子炬的目标送粉量。等离子炬由内层石英管、中层陶瓷管和外包套组成，等离子炬物料出端与冷却室和收集室相连，气体出端与真空管道相连，球化过程进行时，由送粉器将uo2粉末颗粒送入等离子炬内，球化后的uo2粉末颗粒进入冷却室和收集室内。供气流量柜向等离子炬内不断提供工作气和冷却气，真空泵通过真空管道不断抽走多余的气体。先将等离子炬内抽成真空，通入氩气使等离子炬内压力达到0.01～0.08mpa，接入高压使氩气击穿，大电流产生的焦耳热通过热传导和对流的形式加热被送入到等离子炬内的气体，从而形成火炬形状的热等离子体。冷却室与收集室相连，收集室出端为舱门，可开舱门取出球化后的uo2粉末颗粒，冷却室通过氩气冷却使球化uo2粉末颗粒温度降低急冷凝聚。真空泵与真空管道连接，真空泵的作用是在等离子体点火过程中，将等离子炬内保持负压状态，并维持等离子体点火压力，实现等离子炬内压力的精确控制。冷却水循环机组与等离子矩电极相连，作用是对等离子炬电极冷却。
实现本发明目的的技术方案：一种二氧化铀颗粒的等离子球化工艺，采用上述等离子球化试验装置，其包括如下步骤：
步骤一：将筛分后的二氧化铀颗粒放置于送粉器中，将送粉器抽真空至20pa以下，充入氩气至标准大气压，再次抽真空充氩气，如此反复2～4次；
步骤二：对等离子炬、冷却室和收集室抽真空至1pa以下；
步骤三：启动冷却水循环机组，启动射频电源，预热灯丝40～80分钟；
步骤四：接通气源，打开等离子炬供气流量柜，通入工作氩气1～5m3/h；
步骤五：调节真空管道阀门开度20％～60％；
步骤六：接通射频电源高压，启动等离子炬产生等离子弧，立即向等离子炬内通入冷却氩气4～10m3/h；
步骤七：等离子弧稳定后，调节射频电源高压至8～15kv；
步骤八：启动送粉器，以5～50g/min的速度送出二氧化铀颗粒至等离子炬中进行球化；
步骤九：球化过程结束后，破真空打开收集室，取出二氧化铀颗粒。
实施例1
本发明所述的一种二氧化铀颗粒的等离子球化工艺，其包括如下步骤：
步骤一：将筛分后10～20μm粒度的二氧化铀颗粒放置于送粉器中，抽真空至20pa以下，充入氩气至标准大气压，再次抽真空充氩气，如此反复2次；
步骤二：对等离子炬、冷却室和收集室抽真空至1pa以下；
步骤三：启动冷却水循环机组，启动射频电源，预热灯丝40分钟；
步骤四：接通气源，打开等离子炬供气流量柜，通入工作氩气2m3/h；
步骤五：调节真空管道阀门开度30％；
步骤六：步骤六：接通射频电源高压，启动等离子炬产生等离子弧，立即向等离子炬内通入冷却氩气5m3/h；
步骤七：等离子弧稳定后，调节射频电源高压至9kv；
步骤八：启动送粉器，以10g/min的速度送出二氧化铀颗粒至等离子炬中进行球化；
步骤九：球化过程结束后，破真空打开收集室，取出二氧化铀颗粒。
实施例2
本发明所述的一种二氧化铀颗粒的等离子球化工艺，其包括如下步骤：
步骤一：将筛分后20～40μm粒度的二氧化铀颗粒放置于送粉器中，抽真空至20pa以下，充入氩气至标准大气压，再次抽真空充氩气，如此反复3次；
步骤二：对等离子炬、冷却室和收集室抽真空至1pa以下；
步骤三：启动冷却水循环机组，启动射频电源，预热灯丝50分钟；
步骤四：接通气源，打开等离子炬供气流量柜，通入工作氩气3m3/h；
步骤五：调节真空管道阀门开度40％；
步骤六：步骤六：接通射频电源高压，启动等离子炬产生等离子弧，立即向等离子炬内通入冷却氩气6m3/h；
步骤七：等离子弧稳定后，调节射频电源高压至12kv；
步骤八：启动送粉器，以20g/min的速度送出二氧化铀颗粒至等离子炬中进行球化；
步骤九：球化过程结束后，破真空打开收集室，取出二氧化铀颗粒。
实施例3
本发明所述的一种二氧化铀颗粒的等离子球化工艺，其包括如下步骤：
步骤一：将筛分后40～60μm粒度的二氧化铀颗粒放置于送粉器中，抽真空至20pa以下，充入氩气至标准大气压，再次抽真空充氩气，如此反复4次；
步骤二：对等离子炬、冷却室和收集室抽真空至1pa以下；
步骤三：启动冷却水循环机组，启动射频电源，预热灯丝60分钟；
步骤四：接通气源，打开等离子炬供气流量柜，通入工作氩气5m3/h；
步骤五：调节真空管道阀门开度50％；
步骤六：步骤六：接通射频电源高压，启动等离子炬产生等离子弧，立即向等离子炬内通入冷却氩气8m3/h；
步骤七：等离子弧稳定后，调节射频电源高压至14kv；
步骤八：启动送粉器，以30g/min的速度送出二氧化铀颗粒至等离子炬中进行球化；
步骤九：球化过程结束后，破真空打开收集室，取出二氧化铀颗粒。