文章编号: 1004-0609(2006)09-1481-05
碳化硼屏蔽吸收芯块的研制及其在快堆中的性能考核
王零森
(中南大学 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083)
摘 要: 用碳热还原法制取高化学剂量的B4C细粉, 细粉经气流粉碎制得微米级B4C粉末。 经致密化工艺得到碳化硼屏蔽吸收芯块。 芯块达到了中国实验快中子反应堆(CEFR)的技术要求。 碳化硼芯块在快堆中经过383有效天的考核, 快中子通量达3.8×1022cm-2(中子能量E>1.602×10-14J, 即>0.1MeV), 证明其具有高的辐照稳定性, 符合使用要求, 可以在CEFR堆中使用。
关键词: 碳化硼; 快中子反应堆; 中子吸收材料 中图分类号: TG142; TF123; TF125.3
文献标识码: A
Preparation of boron carbide pellets and testing in fast breeder reactor
WANG Ling-sen
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The boron carbide pellets were manufactured using fine powder which is fabricated by carbon reducing boron oxide and then by air flow attrition. The pellets satisfy the requirements of fast breeder reactor technical specifications. The pellets were tested in fast breeder reactor for 383 effective days, the fast neutron flux reached 3.8×1022cm-2(E>1.602×10-14J, i.e. >0.1MeV). The results show that the irradiation stability of the pellets is very good and all the other irradiation properties meet the needs for CEFR. It means that the pellets developed can be used in fast breeder reactor.
Key words: boron carbide; neutron capture materials; fast breeder reactor
能源一直是困扰各国并引起国际争端的重要问题之一。 随着石油、 煤等自然资源的日益匮乏, 核能已成为重要的清洁能源, 各国竞相发展。 1980年美国核电就率先超过油电。 1985年比利时的核电已超过总发电量的50%。 现在核电接近或超过50%的国家有法国(72.8%)、 日本(50%)、 乌克兰(46.8%)等。 1997年全世界核电已占总发电量的17%。 美国有核电站104座, 核电占总发电量的20%~30%[1]。 然而, 现在核电堆都是热中子堆, 天然铀能的利用率约为1%。 1t铀只相当于9250t石油或13750t标准煤。 已探明的铀储量十分有限, 资源浪费严重。 快中子的能量大于1.602×10-14J, 为热中子能量的数十万倍。 中子反应堆(快堆)的铀能利用率高达70%以上, 1t铀在快堆中相当于8.88万t石油或132万t标准煤。 能量利用率比热中子堆提高96倍以上。 而且, 快堆可以利用天然铀浓缩后的废弃物——贫铀, 而贫铀是所有核国家最难处理的核废料之一。 快堆技术要求高, 只有法、 俄、 美等少数发达国家掌握。 我国的实验快堆(CEFR)已进入施工阶段[2]。
碳化硼中子俘获截面高, 没有二次辐射污染, 价格低廉, 是常用的中子吸收材料。 据统计, 1965年前公布的83个动力堆中使用碳化硼作控制材料的有43个, 大于50%; 1971年前建立的282个动力堆中有123个使用碳化硼, 约为43.6%[3]。
如果说碳化硼是热堆的主要控制材料之一, 对快堆来说, 因其吸收能谱宽, 就几乎成了惟一的选择。
我国一直在进行热堆用碳化硼的研究。 1965年生产的控制芯块在801堆中运行18年, 中子积分通量达1×1022/cm2, “黑度”仍没有降低; 经过千次以上落棒的热震和机械振动, 芯块没有破裂; 10B(n, α)Li反应所产生的氦没有使铝包壳损坏[3]。 已有的成果为研制快屏蔽堆芯块提供了技术基础。
1 材料研制
材料制备的技术路线如下。 实验方法见文献[4, 9, 10, 14]。
1.1高B4C相含量微米级碳化硼粉的研制
采用硼酐碳热还原法制得高化学剂量B4C粉, 研究了普通滚动球磨、 振动球磨、 搅拌球磨和气流粉碎等多种粉碎工艺制取B4C细粉[4-8]。 实验结果如图1所示。 从图看出: 搅拌球磨和气流粉碎都能制得粒度小于1μm的B4C粉。 然而, 搅拌球磨由于球与球、 球与筒的强力磨损引入大量杂质。 去除这些杂质将使成本上升, 且影响产品质量。 气流粉碎是粉末粒子在气流作用下自撞击而达到粉碎的目的, 没有研磨体, 不会引入另外的杂质, 且可连续作业, 生产率高。 气流粉碎粉的典型化学成分和平均粒度列如表1。
1.2 成形剂的选择
研究了葡萄糖(A)、 酚醛树脂(B)、 硬酯酸 (C)和酚醛树脂加硬酯酸(D) 4种成形剂对B4C冷压成形的影响[9]。 实验结果如图2所示。 从图看出, 葡萄糖可获得最大密度。 因为成形剂将起双重的作用: 一是有利于烧结坯密度的提高; 二是引入的碳起到了烧结活化剂的作用, 所以在最终实验中要获得较高的烧结坯密度, 选择合适的成形剂非常重要。
图1 各种球磨工艺粉碎效果的对比
Fig.1 Comparison of comminution efficiencies between various mills
1.3掺碳活化烧结
碳化硼是一类极难烧结的物质。 纯碳化硼粉在高达2240℃的温度下也只能烧得75%~80%的密度[9]。 这一密度不能满足快堆的使用要求。 寻求活化途径制取高密度制品一直是碳化硼材料研究的重要问题之一[10-13]。 快堆的重要要求之一是在保证强度、 晶粒度的前提下, 要求有一定的孔隙度, 以便10B(n, α)Li反应所产生的氦气有贮存空间, 减小芯块的辐照损伤。 以葡萄糖为掺碳活化剂, 掺碳量3%, 用比表面积为1.23m2/g(dBET为2.43μm)细粉制得了82%(2.06g/cm3)密度的B4C芯块, 高于同等条件下的文献报导值, 符合快堆要求, 实验结果如图3所示。
表1 气流粉碎粉的典型化学成分和平均粒度
Table 1 Typical chemical composition and mean particle size of air flow attrition powder
图2 不同成形剂对压坯密度的影响
Fig.2 Influence of different pressing additives on compact density
2 B4C芯块性能研究
碳化硼材料的力学、 物理性能与密度、 孔隙分布、 晶粒度等一系列因素有关, 而这些性能影响着它的核性能[14, 15]。 研制成功的产品平均晶粒度为10~15μm, 主要物理、 力学性能(抗弯强度σbb, 抗压强度σc, 弹性模量E, 泊松比υ, 导热率λ, 膨胀系数α)如表2所列。
图3 不同掺碳剂对烧结密度的影响
Fig.3 Influence of different activator on sintered density of B4C
3 B4C芯块在快堆中的考核
在批量产品中随机抽取40块芯块装配成元件,包壳为0Cr17Ni12MoTi钢, 壁厚1mm, 柱总高
(800±2)mm。 元件在堆内经过383有效天的辐照, 达到最大中子通量3.8×1022cm-2(E>1.602×10-14J), 截面10B平均燃耗(8.8±1.1)%~(10.2±1.1)%。 结果表明:
1) 辐照后芯块保持原形状的完整性和几何尺寸, 直径和高度变化0.6%~1.4%(图4), 密度保持原有水平(图5), 侧表面均匀和初始状态没有差别;
2) 芯块和包壳间隙得以保持, 和初始值1.0mm相比, 辐照后不小于0.8mm;
3) 芯块直径最大肿胀〈1.4%(图4), 体积肿胀〈4.2%, 最低相应值为0.6%和1.8%;
4) 辐照过的芯块在1250℃退火, 累积氦释放〈0.2cm3/g B4C(图6)。
表2 B4C芯块的主要物理、 力学性能
Table 2 Main physical and mechanical properties of B4C pellets
图4 碳化硼芯块辐照后直径(a)和高度(b)的变化
Fig.4 Diameter(a) and length(b) changes of boron carbide pellets after irradiation testing
图5 辐照后B4C芯块密度的变化
Fig.5 Density changes of B4C pellets after irradiation testing
图6 氦累积释放率和堆内温度的关系
Fig.6 Relationship between accumulative He release and temperature in reactor
4 结论
所研制的碳化硼芯块在达到快中子堆的辐照参数下表现出高的辐照稳定性, 可以在CEFR快堆中使用。
REFERENCES
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基金项目: 中国实验快中子反应堆国家重点工程资助项目(CEFR-2002-002)
收稿日期: 2006-03-22; 修订日期: 2006-06-28
通讯作者: 王零森, 教授; 电话: 0731-8879235
(编辑 何学锋)
