核燃料元件制造技术heranliao yuanjian zhizao jishunuclear fuel element manufacturing technology

按设计要求制造核燃料元件的技术。核燃料元件是反应堆内的核心部件，由核燃料、包壳材料和结构材料构成。它是反应堆的释热源。不同用途或不同类型的反应堆对燃料元件技术要求有所差异。以生产核武器装料钚为目的的生产堆和海军核潜艇动力反应堆中燃料元件的制造工艺不尽相同。
自20世纪50年代以来，美、苏、英、法、中等国已先后建成数量不一的钚生产堆或产钚发电两用堆，并制造这些堆所需的燃料元件。钚生产堆中燃料元件既是反应堆运行的燃料，也是产钚的原材料。因此各国均选用天然铀作燃料。美国和俄罗斯制造的这种元件均为短棒形，制造工艺基本相似。制造燃料芯体的过程是将核纯级天然金属铀块通过熔炼铸成一定尺寸的锭子后，在720℃(γ或β相区)以下轧制成长棒，然后切成一定尺寸的短棒。将短棒加热到800℃γ相区温度进行淬火后，切削加工成φ34×100～200mm尺寸，并在其表面镀上几微米厚的金属镍。将短棒装入比其直径大2mm的冲压成形的壁厚为1mm的铝圆筒中，经整径使铝包壳内壁与芯体贴紧，用施压法封合铝包壳开口端，密封包覆芯体。检验合格后即制成了燃料元件。将大量的这种元件装入堆芯中的数千根铝工艺管中(保留2.3mm水隙)，组成了堆的活性区。英、法两国钚生产堆采用了φ25～40mm、长度为900～1200mm的长棒形燃料元件。燃料芯体采用铸造法制造，燃料包壳采用挤压加工的镁合金管。通过压力密合工序使包壳内壁与芯体贴紧，通过严格检验即制成燃料元件。60年代初期，有的国家为了提高钚生产堆元件使用性能，也使用过中空形或管形燃料元件，但其制造工艺更复杂一些。
由于核潜艇动力采用压水堆，要求燃料元件抗高温，有良好的化学和辐照稳定性并要求堆芯体积小，因而选用低浓铀的UO2作燃料和锆合金作包壳的棒形元件或高浓铀的UO2作燃料和锆合金作覆面的板状元件。棒形燃料元件的制造工艺有下列三个步骤：
❶化工转换。用AUC（三碳酸铀酰氨）、ADU（重铀酸铵）或IDR（干法）法，将低浓铀-235的UF6转换成有一定氧、铀比例，达到一定粒度和比表面要求的可烧结的UO2粉末；
❷粉末冶金。将合格的UO2粉末预压并在1700℃温度下烧结，经分析和检验，制成尺寸精密、外观完整并达到94%以上理论密度的芯块；
❸元件棒的制造和组件装配：元件棒由锆合金管、UO2芯块、压紧弹簧、隔热块和端塞等部件构成。先将一定数量的燃料芯块装入外、内壁经过处理并焊好一个端塞的锆合金管中(壁厚0.7～1.0mm)，再将隔热块、压紧弹簧装入管中并向管中充入一定压力的氦气后，焊好另一端塞。经X射线检查和氦检漏后，电解抛光棒表面，即制成燃料元件棒。根据设计要求将数百根元件棒按正方形或三角形排列并固定于由几个部件组成的骨架上，即构成了燃料组件。核潜艇用压水堆燃料元件制造技术经历了40多年的研究与改进，迄今已成熟并定型。今后制造这种元件的发展趋势是采用新工艺、提高设备自动化程度、严格实施质保措施和制造寿命达到13年以上的高燃耗、安全可靠的燃料元件。