重水堆核燃料芯塊質(zhì)量過程控制研究

郭吉龍

（中核北方核燃料元件有限公司，包頭 014035）

中核北方核燃料元件有限公司建設(shè)有國內(nèi)唯一的一條重水堆核燃料元件生產(chǎn)線，主要負責(zé)為秦山第三核電廠供應(yīng)CANDU-6型核燃料元件。該核燃料元件生產(chǎn)線為中核北方核燃料元件有限公司建設(shè)時間最早的一條民用核燃料元件生產(chǎn)線，于2002年12月建成投產(chǎn)。

芯塊作為燃料棒束的重要組成部分，其質(zhì)量水平直接決定著核燃料棒束在反應(yīng)堆內(nèi)的運行穩(wěn)定性。為不斷提高產(chǎn)品實體質(zhì)量，降低質(zhì)量風(fēng)險，進一步保證棒束焊接質(zhì)量，本文開展了重水堆核燃料芯塊質(zhì)量過程控制研究。

1 重水堆芯塊質(zhì)量控制分析

1.1 工藝介紹

重水堆芯塊生產(chǎn)線主要工序包括制粒成型、燒結(jié)、磨削以及排長裝管[1]。其中：制粒成型和燒結(jié)工序為常規(guī)的粉末冶金工藝，目的是將天然UO2粉末制備成水浸密度、金相、化學(xué)成分等技術(shù)指標符合要求的芯塊；磨削和排長裝管工序則是對芯塊進行相應(yīng)的處理，使芯塊尺寸、粗糙度以及清潔度等技術(shù)指標符合要求，在保證包殼管質(zhì)量的前提下，將芯塊裝入包殼管。

1.2 質(zhì)量控制分析

燒結(jié)后芯塊的水浸密度是芯塊質(zhì)量過程控制的重要技術(shù)指標。它既受粉末性能和制粒成型工藝的影響，又會影響磨削、排長等后續(xù)工藝[2]。從經(jīng)濟效益和芯塊質(zhì)量控制等方面綜合考慮，重水堆芯塊水浸密度值控制在10.62～10.66 g·cm-3范圍內(nèi)最佳。

芯塊裝管過程會影響到包殼管管口清潔度及狀態(tài)，進而影響包殼管端塞焊接質(zhì)量。如果包殼管管口存在異物或坡口受到損傷，則會形成焊接線、夾雜等缺陷，大大增加了焊接金相檢驗不合格的概率。因此，芯塊水浸密度和芯塊裝管質(zhì)量是此次質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

2 芯塊水浸密度控制

芯塊水浸密度受UO2粉末活性和制粒成型燒結(jié)等多個工藝因素影響，而UO2粉末活性受化工轉(zhuǎn)化包括ADU沉淀、還原等工藝影響較大。某一個工藝過程出現(xiàn)偏差，可能影響到最終結(jié)果，因此需要系統(tǒng)分析并加強過程控制，以提高并穩(wěn)定芯塊水浸密度。

2.1 優(yōu)化工藝控制過程

2.1.1 ADU沉淀方式改進

ADU沉淀加氨量和加氨速度是影響ADU粉末比表面的主要因素，進而影響UO2粉末的比表面和壓制燒結(jié)密度[3]。針對手動加氨時加氨速度控制不精準、氨水流量波動性大等問題，設(shè)計自動加氨系統(tǒng)，實現(xiàn)加氨過程中的自動化操作。自動加氨系統(tǒng)能有效避免人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，與手動加氨方式相比，自動化程度更高，加氨速度控制精度更高。自動加氨與手動加氨速度對比結(jié)果，如圖1所示。

2.1.2 還原爐溫度控制優(yōu)化

根據(jù)還原爐圖紙建立還原爐溫度控制模型，分析還原爐溫度控制方式和溫度梯度，再根據(jù)分析結(jié)果開展還原爐熱電偶插入深度對還原爐溫度控制的影響試驗，確定熱電偶最佳插入深度，優(yōu)化還原爐溫度控制效果。

2.2 開展工藝影響試驗

2.2.1 沉淀工藝對芯塊水浸密度的影響試驗

為了驗證沉淀工藝條件對芯塊水浸密度的影響，對沉淀加氨速度、氨水調(diào)整量、攪拌速度3個工藝條件開展正交試驗。將不同條件下產(chǎn)出的ADU轉(zhuǎn)化為UO2粉末后進行壓燒試驗，測量并統(tǒng)計水浸密度，最終確定加氨速度520 L·h-1、氨水調(diào)整量+2 L、攪拌速度400 r·min-1為最優(yōu)沉淀條件。

2.2.2 還原工藝對芯塊水浸密度的影響試驗

為了驗證還原工藝條件對芯塊水浸密度的影響，對還原進料速度和還原溫度兩個工藝條件開展2因素3水平的正交試驗。相關(guān)試驗方案與結(jié)果，如表1所示。

表1 還原工藝正交試驗方案及結(jié)果表

各試驗條件下獲得的芯塊的密度值均滿足《UO2芯塊技術(shù)條件》要求，其中在還原爐進料量43 kg·h-1、還原溫度695 ℃條件下的結(jié)果最優(yōu)，為最佳還原條件。

2.2.3 燒結(jié)工藝對芯塊水浸密度的影響試驗

為了驗證粉末比表面和燒結(jié)工藝對芯塊水浸密度的影響程度，開展不同粉末比表面及不同燒結(jié)溫度和推舟速度的正交試驗。通過試驗得出，粉末比表面為5.90 m2·g-1、燒結(jié)溫度1 640 ℃、推舟速度為400 mm·h-1為最優(yōu)燒結(jié)條件。

2.3 確定控制調(diào)整方法

根據(jù)工藝試驗得出的各工藝條件對芯塊水浸密度的影響程度，結(jié)合生產(chǎn)控制過程，制定芯塊水浸密度控制及調(diào)整方法。先定期從還原后的粉末中取樣，進行壓燒試驗。壓燒試驗水浸密度若偏離控制值，先調(diào)整還原工藝參數(shù)（進料速度、還原溫度），再根據(jù)結(jié)果調(diào)整沉淀工藝參數(shù)（加氨速度、氨水加入量），最后根據(jù)粉末物性調(diào)整燒結(jié)工藝參數(shù)，實現(xiàn)對水浸密度準確控制。生產(chǎn)過程中如有個別生產(chǎn)參數(shù)調(diào)整，為保證芯塊水浸密度穩(wěn)定，可按照上述試驗情況對其他部分工藝參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整[4]。

2.4 應(yīng)用效果

確定最優(yōu)工藝參數(shù)和控制調(diào)整方法后，從表2可以看出，2018—2020年芯塊水浸密度在10.62～10.66 g·cm-3范圍內(nèi)的比例有了明顯上升，效果明顯。

表2 2014—2020年芯塊水浸密度在10.62～10.66 g·cm-3的比例情況統(tǒng)計

3 芯塊裝管質(zhì)量控制

3.1 質(zhì)量影響因素分析

清潔度和裝管后包殼管坡口完好性是芯塊裝管質(zhì)量的兩個主要方面[5]。在芯塊裝管過程中，芯塊表面的微細粉容易沾附在包殼管管口。另外，如保護不當(dāng)，可能會導(dǎo)致芯塊磕傷包殼管坡口。因此，需要對芯塊清洗和芯塊裝管過程進行優(yōu)化，規(guī)范生產(chǎn)過程，提高芯塊清洗效果，改善芯塊裝管過程對包殼管坡口質(zhì)量的影響。

3.2 工藝過程優(yōu)化及應(yīng)用

3.2.1 離線自動刷洗技術(shù)設(shè)計及應(yīng)用

針對手動刷洗芯塊情況下人為操作因素對清洗效果影響較大的問題，進行芯塊自動離線刷洗裝置的研制及應(yīng)用。圖2和圖3為離線刷洗裝置翻盤機構(gòu)及清洗機構(gòu)示意圖。離線自動刷洗裝置投入應(yīng)用后，芯塊清潔度得到了明顯改善。

3.2.2 自動裝管技術(shù)設(shè)計及應(yīng)用

長期以來，芯塊裝管操作由操作人員使用專用的推料手柄將芯塊推入包殼管。手動裝管操作受人為因素影響較大，因操作人員力度不同、推料速度不同而影響裝管質(zhì)量。因此，開展自動裝管技術(shù)的研究及應(yīng)用，實現(xiàn)了裝管過程自動化，并進行了自動裝管試驗和參數(shù)優(yōu)化，確定了最佳的裝管推力和推料速度。

3.3 效果驗證

芯塊裝管質(zhì)量控制措施實施后，芯塊清潔度和裝管過程導(dǎo)致的坡口損傷情況得到明顯改善，降低了管口異物污染或坡口損傷導(dǎo)致端塞焊接質(zhì)量不合格的風(fēng)險，有效保證了端塞焊接質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過開展重水堆芯塊質(zhì)量過程控制研究，采取設(shè)備改進、工藝優(yōu)化以及規(guī)范操作等措施，進一步規(guī)范了生產(chǎn)制造過程，提高了質(zhì)量過程控制水平和產(chǎn)品質(zhì)量。

（1）針對芯塊水浸密度控制進行系統(tǒng)分析，在影響芯塊水浸密度的多個工序優(yōu)化工藝過程，并開展相應(yīng)的工藝試驗，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)，制定了水浸密度控制調(diào)整方法，最終使芯塊水浸密度得到了明顯提高且趨于穩(wěn)定。

（2）在芯塊裝管質(zhì)量控制方面，先對質(zhì)量影響因素進行分析，然后開展工藝優(yōu)化，有效規(guī)范了崗位人員操作，降低了人為操作因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。