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高温气冷堆球形燃料元件规模化制造关键技术研发及应用
2020-06-19
球形燃料元件是具有固有安全性的球床式高温气冷堆的核心技术之一，是“买不来的”关键核心技术。高温气冷堆燃料元件的结构形式和材料体系复杂，工艺技术和生产设备独特，许多国家都开展了技术攻关，但仍处于实验室水平，不能满足规模化制造要求。高温气冷堆示范工程属于国家科技重大专项之一，目的是建造20万千瓦级模块式球床高温气冷堆核电站。示范工程燃料元件规模化制造技术需要跨越提高装铀量和降低破损率的两大难点，在没有可借鉴的经验的条件下，面临巨大的理论及工程挑战。
在国家科技重大专项项目的支持下，清华大学核能与新能源技术研究院燃料元件团队在原有数十年研究基础上，开展了“高温气冷堆球形燃料元件规模化制造关键技术研发及应用”的研究，旨在揭示燃料元件宏观性能与工艺技术微观参数和设备体系的内在联系，攻克燃料元件规模化生产的技术难题，解决单元件装铀量增加而破损率指标要求更高的问题，获得球形燃料元件规模化生产技术，达到稳定工艺、提高成品率的目的。项目形成了一系列技术成果和较完备的知识产权体系，包括：发表学术论文146 篇；获授权国家发明专利“二氧化铀核芯陈化槽、陈化洗涤干燥系统及方法”（ZL201310306412.3）、“一种制备高温堆燃料元件UO2 核芯的方法”（ZL200710175794.561） 等61 项；其中“一种大规模连续制备包覆颗粒的系统”（WO2017012323A1）和“一种球形燃料元件成型的设备”（WO2017124372A1）两项发明专利已在多国授权；形成了一批重要的的技术秘密。
1 主要创新成果
1.1 开发了稳定的外凝胶胶液配方和制胶工艺，获得高密度、高球形度和单一直径分散性的二氧化铀颗粒
溶胶凝胶法规模化生产UO2 核芯的两大挑战：其一，解决从连续胶体到独立颗粒的快速成型技术，历经溶解、配胶、分散、陈化、洗涤、干燥、焙烧、还原和烧结等物理和化学过程，把柔软的凝胶颗粒变为成分均匀、高密度的陶瓷颗粒；其二，每天需要生产数百万量级的球形颗粒，同时保证数百万量级的颗粒具有单一的直径分散（500μm）和非常好的球形度（不圆度<1.2）。因此，UO2 核芯的物理性能、化学性能、几何尺寸性能要高度统一，需要攻克溶胶凝胶的基础理论、工艺方法和设备控制高度协同的难题。
针对两大挑战，项目组开展了创新性的研究工作，首先解决了胶液的配方和稳定性，这是保证攻克技术挑战的关键问题。通过深入研究溶胶凝胶机理，发现了外凝胶工艺过程中，从U3O8 原料到最终UO2 烧结微球各阶段的化学和材料微观结构演变的规律。设计了欠酸硝酸铀酰溶解和煮胶配胶设备系统，保证溶液各参数的稳定性；通过采用分步交叉加入溶解原料，结合精细温度波动控制，实现了高铀酰离子浓度的欠酸硝酸铀酰溶液制备，攻克了溶解效率低的难题。通过控温结合控制络合剂的加入速度，解决了煮胶过程中沉淀问题，提高了胶液稳定性。
通过以上创新性的研究工作，发现了众多工艺中的内在规律，攻克了的胶液稳定配方工艺、总流量控制多喷嘴分散技术、陈化- 洗涤- 干燥一体化技术、焙烧-还原一体化技术等一系列难题，建立了包括溶解、煮胶、分散、陈化、焙烧还原等一套完整的设备系统，实现了UO2 核芯颗粒的批量化制造，性能指标达到密度为10.84 g/cm3，平均直径497.4μm，不圆度为1.07，超过国际同行实验室制造水平。以上技术已成功在中核北方核燃料元件有限公司实现工业化应用，UO2 核芯微球合格率达到大于93.5% 的高水平。
1.2 获得高质量的TRISO 型包覆燃料颗粒，保障了燃料元件在反应堆内阻挡裂变产物的性能
包覆燃料颗粒在反应堆内高温、高压、高辐照条件下阻挡裂变产物的释放，是反应堆安全的第一道屏障，具有极其重要的作用。
通过研究流化床- 化学气相沉积法制备包覆燃料颗粒的多步热解反应、化学气相沉积机理和流化床传热传质机理，获得了稳定的氧化铀颗粒密相流态化控制技术，突破了颗粒流场、反应器温度场和化学气相沉积物质场协同耦合的难题；自主研发了四层连续生产的包覆燃料颗粒生产自动化控制系统，实现了目前装量最大的包覆燃料颗粒（百万量级）的一次连续生产技术，并实现包覆燃料颗粒多层结构、密度和各向异性度等性能高度均匀一致和稳定。
基于以上材料表征分析（微观尺度，纳米至微米级）、颗粒流化和运动规律（介观尺度，微米至毫米级）以及流化床反应器设计和生产线全系统设计（宏观尺度，厘米至数米级）等多尺度的系列创新性研究取得的包覆燃料颗粒生产线关键核心技术成果，建成了具有自主知识产权的包覆燃料颗粒生产线。基于这一系列创新性成果，实现了规模化批量生产的包覆燃料颗粒连续生产。该技术已成功在中核北方核燃料元件有限公司实现工业化应用，包覆燃料颗粒合格率达到大于96.8% 的高水平。
1.3 研发大批量包覆燃料颗粒穿衣工艺和设备技术，开发球形燃料元件准等静压制备技术和设备体系
（1）专用核纯石墨粉及基体石墨粉制备工艺研发
高温堆球形燃料元件90% 以上都是由石墨基体构成，石墨既是燃料的结构材料，又是中子慢化剂，对燃料元件的性能以及在反应堆的中子物理性能和热工性能起着至关重要的作用。基体石墨粉中天然石墨粉、人造石墨粉的微观结构、粒度分布以及基体石墨粉的制备工艺决定了后续压制性能及燃料元件性能。
采用不同的粉碎及粉体整形手段，调整天然石墨粉和人造石墨粉两种粉体的微观结构，并通过微观、介观尺度分析手段测试，获得粉体各种性能参数；经过大量数据比较分析，揭示了粒径分布、微观形貌对比表面积、安息角、松装密度等粉体特性参数的影响，并通过制粉工艺的优化，通过控制粉体粒径分布和球形化程度，平衡比表面积和松装密度等互相制约的粉体参数，获得了一整套可控制备天然石墨粉和人造石墨粉原材料的工艺。批量试验结果显示，采用该基体石墨粉制备技术，松装密度、电导率等参数满足技术要求，且性能稳定，所制备的燃料元件产品性能均优于设计指标。
（2）大批量包覆燃料颗粒穿衣工艺和设备技术
“穿衣”是在包覆燃料颗粒外均匀包裹一层厚度约为0.2 mm 的基体石墨粉，作为后续压制工序时包覆燃料颗粒间的缓冲层，以防包覆燃料颗粒因直接接触受压使包覆层破裂，是降低破损率最直接、最有效的手段。技术难点主要包括单批处理量3 kg U 包覆燃料颗粒穿衣设备的研制、均匀穿衣涂敷层的穿衣颗粒的工艺研发。
通过反复设计、模拟、验证等技术攻关，研发了一批具有自主产权的设备。在包覆燃料颗粒的穿衣工艺研究中，率先将动态表面倾角引入到穿衣工艺研究，并提出了穿衣鼓转速的分时段划分，使穿衣过程的工艺参数设置更加合理；率先采用离散单元法模拟研究穿衣鼓内颗粒运动规律，为穿衣工艺的优化提供了理论指导和方向；确定了最佳工艺参数；通过粒形、粒径的动态分析，把握了穿衣过程中颗粒长大的规律。最终固化整个工艺涉及的20 多个参数，并分别形成了含3 kg U 和5 kg U 包覆燃料颗粒的完整工艺规程。该技术实现了最大产能单批5 kg U 包覆燃料颗粒的穿衣，成品率稳定且都较高，为制备低破损率燃料元件提供了最直接的保障。
（3）准等静压法制备球形燃料元件技术
燃料元件球坯成型利用了橡胶在高压下表现的流体特性、压力能向各个方向传播的特性，用钢模内的橡胶模压制粉体，获得类似等静压效果的压坯，是保证燃料元件良好的热力学各向同性、控制破损率最重要的步骤。
研发了球坯准等静压成型工艺设计及设备研制、炭化工艺优化等，研制了压制生产线、准等静压终压压机、专用准等静压模具及浇注设备等。通过工艺研究和工艺固化，形成了一整套完备的球形燃料元件生产工艺规程及质保体系。在此基础上进行单元件装铀量为7 g 的批量验证试验，所制备的元件平均自由铀含量为6.73×10-6，优于设计指标一个数量级，其他各项性能都优于技术要求，实现了增加铀装量40% 的情况下，仍保证低的破损率的球形燃料元件制备技术。
1.4 形成了规模化生产燃料元件理化性能分析技术体系并完成了生产应用
燃料元件结构的特殊性决定了其工艺的复杂性，复杂工艺的每个步骤都需要严格的质量检测和管控，国际上还缺乏系统的规模化生产燃料元件性能分析技术体系和仪器设备体系。
针对高温气冷堆UO2 核芯颗粒、包覆燃料颗粒、基体石墨球、球形燃料元件和原材料的60 余项性能特点，自主研发了基体石墨球落球强度、腐蚀性能、磨损性能，燃料元件直径、无燃料区和包覆燃料颗粒分布测量等一系列具有高精度和高效率的分析方法体系和设备体系，开发了适用于高温气冷堆核电站示范工程燃料元件生产的理化性能分析关键技术体系。
基于以上原创性成果，建立了一套高温气冷堆燃料元件生产质量控制体系，完成了高温气冷堆核电站示范工程燃料元件辐照考验样品和生产线65 万个燃料元件的理化性能分析，创新形成了规模化生产燃料元件理化性能分析技术体系并完成了生产应用。
2 推广应用
依托清华大学高温气冷堆球形燃料元件规模化生产工艺和设备技术，清华大学核研院和中核北方核燃料元件有限公司组成联合团队，在中核北方核燃料元件有限公司建造了年产30 万个球形燃料元件的生产线。该生产线包含UF6 转化U3O8 粉末、UO2 核芯颗粒制备、包覆燃料颗粒制备、穿衣颗粒制备、球形燃料元件制备、基体石墨粉制备、物理化学性质检测以及返品回收和废液处理等工序，构成了完整的球形燃料元件制造体系和流程。高温气冷堆球形燃料元件生产线于2016 年投产，当年实现达产达标，生产线产能和产品质量等各项技术经济指标逐年提高，并达到且超过设计要求，UO2 核芯颗粒成品率93.48%，优于80% 的设计指标，包覆燃料颗粒成品率96.81%，优于90% 的设计指标，球形燃料元件成品率99.04%，优于98% 的设计指标，各类中间产品和最终产品均实现了质量水平的稳定提高和突破。
截止2018 年12 月，生产出合格的首炉用球形燃料元件65 万个，总成品率达到98.43%，有力保证了山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程的首炉燃料元件供应，并为今后商用高温气冷堆球形燃料元件生产技术积累了重要经验。
3 社会效益
“高温气冷堆球形燃料元件规模化制造关键技术研发及应用”项目针对UO2 核芯、包覆燃料颗粒、球形燃料元件以及石墨粉原材料，全面突破规模化生产中大批量颗粒的化学反应的协同规律，大批量颗粒在复杂结构反应器内的流态化控制机理，大批量粉体性能统计特性等理论问题，在掌握理论规律的基础上，设计独特的生产设备和检测设备，经过试验研究，获得控制工艺技术，最终解决了规模化生产中的理论和工程挑战。
研究项目实现了国家科技重大专项自主创新的目的和要求，增强了中国核能技术国际竞争力，有望为未来大规模生产和先进燃料元件的制造提供技术支撑，为实现高温气冷堆商业化，核电“走出去”和“一带一路”倡议实施作出贡献。
