球磨時(shí)間對(duì)快堆MOX粉末攪拌球磨效果的影響①

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(中核四0四有限公司　甘肅　蘭州　732850)

MOX燃料廠是銜接后處理廠和核電站的重要環(huán)節(jié)，開展MOX燃料研究是實(shí)施核燃料閉式循環(huán)戰(zhàn)略的必然要求，并有利于推動(dòng)快堆技術(shù)的發(fā)展[1]。國外多年MOX燃料研制經(jīng)驗(yàn)表明，干法處理雖然可以減少廢液的排放，但存在钚分布均勻度不佳的缺點(diǎn)，因此，為保證MOX燃料在堆內(nèi)的安全服役，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)球磨工藝的研究，改善钚元素分布的均勻性[2]。

1　攪拌球磨影響因素

國外先進(jìn)MOX燃料制造廠大多采用攪拌球磨方式進(jìn)行物料均質(zhì)化及破碎處理，我國也自主研制了攪拌球磨裝置。影響攪拌球磨效果的因素較多，各因素的具體影響如下。

1.1　磨球的影響

磨球?qū)η蚰サ挠绊懼饕デ虿馁|(zhì)和尺寸兩方面。課題組前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，瑪瑙材質(zhì)磨球韌性較差，在球磨過程中出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，經(jīng)過比對(duì)實(shí)驗(yàn)，最終選擇氧化鋯材質(zhì)的磨球。

1.2　球料比的影響

磨球能量隨球料比的增大而升高，球磨效率高。過大的磨球物料比會(huì)加劇磨球的磨損，導(dǎo)致雜質(zhì)增多。課題組前期模擬實(shí)驗(yàn)確定的球料比為1∶1。

1.3　攪拌轉(zhuǎn)速的影響

轉(zhuǎn)速過低，磨球具備的能量較低，破碎效果不佳；磨球的損耗隨球磨轉(zhuǎn)速的升高而增大，并對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行不利。

1.4　球磨時(shí)間的影響

球磨初始階段，粒度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，均勻度則相應(yīng)提高。球磨一段時(shí)間后，粒度和均勻度變化不大。

據(jù)此，本課題組計(jì)劃在前期模擬實(shí)驗(yàn)和少量熱實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過采用MOX混合粉末開展不同工藝條件的球磨實(shí)驗(yàn)，研究球磨時(shí)間對(duì)MOX混合粉末粒度、钚分布均勻度的影響，為MOX燃料芯塊的工業(yè)化生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

2.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)選用自主研發(fā)的立式攪拌球磨裝置進(jìn)行球磨處理，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　立式攪拌球磨裝置示意圖Fig.1　The schematic of vertical stirring ball milling device

該球磨裝置最高轉(zhuǎn)速為1500 r/min，球磨罐容積為2 L。

2.2　實(shí)驗(yàn)材料

選用UO2和PuO2原料粉末(簡(jiǎn)稱X粉末)，以及經(jīng)煅燒處理重新使用的MOX粉末(簡(jiǎn)稱Y粉末)進(jìn)行球磨處理，兩種粉末的主要區(qū)別為粒度大小，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)所用粉末的粒度檢測(cè)結(jié)果Table 1　The test results of particle size of the powder used in the experiment

3　實(shí)驗(yàn)方案與檢測(cè)方法

結(jié)合前期球磨后處理經(jīng)驗(yàn)，選定前期實(shí)驗(yàn)確定的X粉末600 r/min轉(zhuǎn)速，Y粉末800 r/min的球磨轉(zhuǎn)速，分別在不同球磨球磨時(shí)間下進(jìn)行球磨處理，具體工藝參數(shù)如表2所示。

表2　球磨工藝參數(shù)Table 2　The parameters of ball milling process

采用激光粒度儀測(cè)量粉末的中位粒度，粒度控制指標(biāo)為<1 μm，采用庫侖儀定量分析混合粉末中钚元素含量，計(jì)算差異系數(shù)，分析钚分布的均勻度[3]，均勻度控制指標(biāo)為≥98%。

4　實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

4.1　對(duì)粒度的影響

圖2是X粉末在600 r/min轉(zhuǎn)速下，粒度隨球磨時(shí)間變化的曲線。

圖2　X粉末粒度與球磨時(shí)間的關(guān)系Fig.2　The relationship between particle size and milling time of X powder

由圖2可以看出，對(duì)于X粉末，在球磨前2.5 h，粒度逐漸減??；當(dāng)球磨2.5 h時(shí)，粒度基本不再減小，粉末粒度為0.86 μm；2.5 h之后，球磨時(shí)間增長(zhǎng)，產(chǎn)品的粒度略有增大，當(dāng)球磨3 h時(shí)，粉末粒度為1.03 μm。

圖3為Y粉末粒度與球磨時(shí)間的關(guān)系。

圖3　Y粉末粒度與球磨時(shí)間的關(guān)系Fig.3　The relationship between particle size and milling time of Y powder

由圖3可知，在球磨前期隨著球磨時(shí)間的增長(zhǎng)，粒度減小，當(dāng)球磨3 h時(shí)，粒度獲得最小值0.89 μm；當(dāng)球磨3.5 h時(shí)，粉末粒度反常增大，粒度為1.04 μm。

當(dāng)粉末粒度較大時(shí)，粉末破碎相對(duì)容易。當(dāng)粉末逐步減小時(shí)，破碎所需的能量逐步提高。大粒徑粉末缺陷數(shù)量較多，球磨初期時(shí)，雖然粒徑較大的粉末破碎所需的表面能較高，但單位質(zhì)量的顆粒破碎所需的能量較低，因而破碎速度較快。隨著粉末破碎程度加深，單位質(zhì)量的破碎能逐步升高，導(dǎo)致球磨后期粒度減小趨勢(shì)降低。球磨時(shí)間過長(zhǎng)，粒度增大[4]。粉末比表面積隨粒度的減小而增大，當(dāng)粒度足夠小時(shí)，粉末會(huì)自發(fā)團(tuán)聚，在達(dá)到極限粒度后，粉末粒度會(huì)增大[5]。

4.2　對(duì)钚分布均勻度的影響

對(duì)不同球磨處理后的MOX混合粉末均勻度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。

表3　不同時(shí)間球磨后MOX粉末的均勻度

從整體上看，隨球磨時(shí)間的增長(zhǎng)，MOX混合粉末中钚分布均勻度升高，當(dāng)球磨時(shí)間大于2.5 h后，均勻度變化趨于穩(wěn)定。

當(dāng)球磨時(shí)間較短時(shí)，球磨過程中輸入的總能量較少，顆粒破碎效果不夠充分，因此粉末中钚分布不夠均勻；增長(zhǎng)球磨時(shí)間，钚分布均勻度提高；當(dāng)球磨時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，粉末達(dá)到破碎極限，粉末中钚分布均勻度變化趨于穩(wěn)定。

綜上，對(duì)于X粉末，在600 r/min攪拌轉(zhuǎn)速下合理的球磨時(shí)間為2.5 h；適用于Y粉末的球磨工藝為800 r/min球磨3 h。

經(jīng)后期MOX芯塊研制工作驗(yàn)證，改變磨球材料和尺寸、球料比三個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)情況下，可制備出粒度和均勻度均符合要求的快堆MOX粉末，球磨處理效率較高，球磨效果達(dá)到國際MOX粉末球磨處理的先進(jìn)水平。采用上述球磨工藝處理制備的MOX混合粉末進(jìn)行后續(xù)制粒、壓制、燒結(jié)處理，能夠研制出合格的快堆MOX燃料芯塊。

5　結(jié)論

本文在前期確定的攪拌轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上，開展了球磨時(shí)間對(duì)攪拌球磨處理效果的研究工作，確定了適用于不同物料的球磨工藝參數(shù)，具體結(jié)論如下：

1)在合理的轉(zhuǎn)速和球磨時(shí)間范圍內(nèi)，增長(zhǎng)MOX粉末的球磨時(shí)間，粒度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，钚分布均勻度逐步提高；當(dāng)球磨時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，粉末會(huì)自發(fā)團(tuán)聚，粒度增大；

2)在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，合理的球磨工藝為：對(duì)于X粉末，在600 r/min轉(zhuǎn)速下，球磨2.5 h；對(duì)于Y粉末，以800 r/min的轉(zhuǎn)速處理3 h。