一种高强耐辐照肿胀的控制棒芯体及其制备方法与流程

1.本发明涉及核反应堆的控制棒芯体材料技术领域，尤其涉及一种高强耐辐照肿胀的控制棒芯体及其制备方法。


背景技术：

2.ag-in-cd合金是压水堆和研究堆常用的控制棒芯体材料，但ag-in-cd合金在反应堆内服役一段时间后会发生明显的肿胀，当ag-in-cd合金的肿胀量较大时可能会导致控制棒发生“卡棒”现象，给核反应堆运营带来安全风险。
3.目前认为导致ag-in-cd合金发生肿胀的原因主要有两方面：
4.第一方面原因是ag-in-cd合金辐照过程中嬗变产物sn引起的辐照肿胀。ag-in-cd合金在中子辐照下会发生嬗变反应生成sn元素：
[0005][0006][0007]
未辐照的ag-in-cd合金为单相固溶体，嬗变产物sn在ag-in-cd合金中具有较低的固溶度，当sn超过固溶度后合金中会析出富sn且密度明显低于母相的第二相。因此，为了减少由于嬗变产物sn生成引起的辐照肿胀，应该降低ag-in-cd合金中的in含量。
[0008]
第二方面原因是ag-in-cd合金在控制棒两端预紧弹簧的预紧力、自身重力和辐照的交互作用下发生蠕变，以及在下落冲击作用下发生镦粗。通过提高ag-in-cd合金的强度，尤其是高温强度，有助于减缓ag-in-cd合金由于应力作用导致的镦粗或者肿胀。
[0009]
鉴于以上原因，目前研究的热点是围绕降低ag-in-cd合金的in含量、提高ag-in-cd合金的强度来提高ag-in-cd控制棒的抗辐照肿胀能力。


技术实现要素：

[0010]
本发明提出一种高强耐辐照肿胀的控制棒芯体及其制备方法，以解决现有技术中存在的ag-in-cd控制棒的抗辐照肿胀能力较弱的问题。
[0011]
本发明具体的技术方案如下：
[0012]
一种高强耐辐照肿胀的控制棒芯体，控制棒芯体中，in的含量为7.50～8.50wt.％，cd的含量为5.50～6.00wt.％，hf的含量为0.50～0.80wt.％，ti的含量为0.06～0.20wt.％，y的含量为0.15～0.30wt.％、o的含量为0.10～0.30wt.％，余量为ag和不可避免的杂质。
[0013]
一种高强耐辐照肿胀的控制棒芯体的制备方法，用于制备如权利要求1的控制棒芯体。
[0014]
具体地，控制棒芯体的制备方法，包括步骤：
[0015]
步骤1，以ag-in-cd预合金粉、hf粉、混合氧化物为原料，进行球磨处理；
[0016]
步骤2，将球磨处理后的混合粉末装入磨具，采用高温烧结技术来制备ag-in-cd合金；
[0017]
步骤3，ag-in-cd合金经过热轧和退火处理，制得控制棒芯体。
[0018]
优选地，ag-in-cd预合金粉中，in的含量为7.80～8.50wt.％，cd的含量为5.60～6.20wt.％，余量为ag和不可避免的杂质。
[0019]
优选地，ag-in-cd预合金粉采用气体雾化法制备，雾化ag-in-cd预合金粉的尺寸为50～200μm。
[0020]
优选地，混合氧化物包括纳米tio2颗粒及纳米y2o3颗粒，且混合氧化物的平均尺寸为10～50nm。
[0021]
进一步地，步骤1中，ag-in-cd预合金粉、hf粉、纳米tio2颗粒、纳米y2o3颗粒按照重量比(98.5～99.2)：(0.5～0.8)：(0.1～0.3)：(0.2～0.4)进行称量；hf粉、纳米tio2颗粒和纳米y2o3颗粒的纯度均≥99.9％；hf粉的尺寸为10～50μm，纳米tio2颗粒的尺寸为5～50nm，纳米y2o3颗粒的尺寸为20～50nm。
[0022]
进一步地，步骤1中，球磨处理温度低于5℃，球磨时间为15h，球料比为10:1。
[0023]
进一步地，步骤2中，高温烧结技术采用热等静压烧结，烧结压力为75～150mpa，烧结温度为650～700℃，保温时间为1～2h。
[0024]
进一步地，步骤3中，热轧处理温度为360～400℃，热轧的轧制比为4:1。
[0025]
本发明的有益效果在于：
[0026]
1、本发明在传统ag-in-cd合金的成分基础上，大幅度降低in的含量，提高ag的含量和cd的含量，并添加少量的hf元素，在维持控制棒价值基本不变的条件下，减少了反应堆内中子辐照过程中嬗变产物sn的生成，从而有助于减缓ag-in-cd控制棒的辐照肿胀；
[0027]
2、本发明通过机械合金化在ag-in-cd合金制备过程中引入纳米tio2颗粒和y2o3颗粒，纳米tio2颗粒和y2o3颗粒弥散分布于ag-in-cd合金基体中，起着弥散强化作用，显著提高了ag-in-cd合金的力学强度，从而降低由于蠕变或者镦粗导致的控制棒芯体肿胀。
附图说明
[0028]
图1为不同成分的ag-in-cd控制棒芯体的辐照肿胀率随中子注量的变化规律图。
具体实施方式
[0029]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0030]
本发明提出一种高强耐辐照肿胀的控制棒芯体及其制备方法，尤其涉及一种高强耐辐照肿胀的ag-in-cd控制棒芯体及其制备方法。
[0031]
本发明具体的技术方案如下：
[0032]
一种高强耐辐照肿胀的控制棒芯体，控制棒芯体中，in的含量为7.50～8.50wt.％，cd的含量为5.50～6.00wt.％，hf的含量为0.50～0.80wt.％，ti的含量为0.06～0.20wt.％，y的含量为0.15～0.30wt.％、o的含量为0.10～0.30wt.％，余量为ag和不可避免的杂质。
[0033]
作为本发明的第一实施例，ag-in-cd控制棒芯体中，in的含量为8.20wt.％，cd的含量为5.70wt.％，hf的含量为0.60wt.％，ti的含量为0.07wt.％，y的含量为0.15wt.％，o
的含量为0.10wt.％，余量为ag和不可避免的杂质。
[0034]
第一实施例中的ag-in-cd控制棒芯体的制备步骤如下：
[0035]
步骤1、通过气体雾化法制备ag-in-cd预合金粉，其中：
[0036]
(1)雾化预合金粉的尺寸为50～200μm；
[0037]
(2)ag-in-cd预合金粉的化学成分为8.20wt.％in，5.90wt.％cd，余量为ag和不可避免的杂质；
[0038]
步骤2、将ag-in-cd预合金粉、hf粉、纳米tio2颗粒、纳米y2o3颗粒作为原料，进行球磨处理，其中：
[0039]
(1)ag-in-cd预合金粉、hf粉、纳米tio2颗粒、纳米y2o3颗粒按照重量比为99.1：0.6：0.1：0.2进行称量；
[0040]
(2)原料hf粉、tio2颗粒和y2o3颗粒的纯度均≥99.9％；
[0041]
(3)hf粉的尺寸为10～50μm，tio2颗粒的尺寸为5～50nm，y2o3颗粒的尺寸为20～50nm；
[0042]
(4)球磨处理温度低于5℃，球磨时间为15h，球料比为10:1；
[0043]
3、将球磨处理后的混合粉末装入磨具，采用热等静压烧结方法制备ag-in-cd合金材料，其中：热等静压烧结的烧结压力为100mpa，烧结温度为680℃，保温时间为1.5h；
[0044]
4、将烧结制备的ag-in-cd合金材料经过热轧和退火处理，制得最终的高强耐辐照肿胀的ag-in-cd合金材料，其中：热轧处理温度为360℃，热轧的轧制比为4:1。
[0045]
作为本发明的第二实施例，ag-in-cd合金材料中，in的含量为7.50wt.％，cd的含量为5.90wt.％，hf的含量为0.70wt.％，ti的含量为0.20wt.％，y的含量为0.15wt.％、o的含量为0.20wt.％，余量为ag和不可避免的杂质。
[0046]
第二实施例中的ag-in-cd合金材料的制备步骤如下：
[0047]
步骤1、通过气体雾化法制备ag-in-cd预合金粉，其中：
[0048]
(1)雾化预合金粉的尺寸为50～200μm；
[0049]
(2)ag-in-cd预合金粉的化学成分为7.80wt.％in，6.10wt.％cd，余量为ag和不可避免的杂质；
[0050]
步骤2、将ag-in-cd预合金粉、hf粉、纳米tio2颗粒、纳米y2o3颗粒作为原料，进行球磨处理，其中：
[0051]
(1)ag-in-cd预合金粉、hf粉、纳米tio2颗粒、纳米y2o3颗粒按照重量比为98.8：0.7：0.3：0.2进行称量；
[0052]
(2)原料hf粉、tio2颗粒和y2o3颗粒的纯度均≥99.9％；
[0053]
(3)hf粉的尺寸为10～50μm，tio2颗粒的尺寸为5～50nm，y2o3颗粒的尺寸为20～50nm；
[0054]
(4)球磨处理温度低于5℃，球磨时间为15h，球料比为10:1；
[0055]
步骤3、将球磨处理后的混合粉末装入磨具，采用热等静压烧结方法制备ag-in-cd合金材料，其中：热等静压烧结的烧结压力为100mpa，烧结温度为680℃，保温时间为1.5h；
[0056]
步骤4、将烧结制备的ag-in-cd合金材料经过热轧和退火处理，制得最终的高强耐辐照肿胀的ag-in-cd合金材料，其中：热轧处理温度为380℃，热轧的轧制比为4:1。
[0057]
图1为通过ag-in-cd控制棒芯体辐照肿胀模型计算得到的不同成分的ag-in-cd控
制棒芯体的辐照肿胀率随中子注量的变化规律图。从图中可以看出，在相同的中子注量条件下，第一实施例和第二实施例制备的ag-in-cd合金芯体辐照肿胀率明显低于传统ag-in-cd合金(参比合金，成分为80wt.％的ag、15wt.％的in、5wt.％的cd)。要达到相同的控制棒芯体辐照肿胀率，第一实施例和第二实施例制备的ag-in-cd合金所需的中子注量(或者辐照时间)显著高于传统ag-in-cd合金。例如，控制棒芯体辐照肿胀率要达到1.5％，传统ag-in-cd合金的中子注量约为3.8
×
10
21
/cm2，而第一实施例和第二实施例制备的ag-in-cd合金的中子注量分别为7.1
×
10
21
/cm2和7.7
×
10
21
/cm2。由此可知，本发明制备的ag-in-cd合金材料的抗辐照肿胀能力明显优于传统ag-in-cd合金。
[0058]
表1不同ag-in-cd合金材料的力学强度数据
[0059]
材料屈服强度(mpa)抗拉强度(mpa)传统ag-in-cd合金(参比合金)140.2332.5第一实施例制备的ag-in-cd合金252.6570.3第二实施例制备的ag-in-cd合金293.5608.1
[0060]
表1为本发明的第一实施例和第二实施例制备的ag-in-cd合金力学强度数据，并与传统ag-in-cd合金(参比合金)进行了对比。由表可知，第一实施例和第二实施例制备的ag-in-cd合金的力学强度与传统ag-in-cd合金相比有了显著提升，即：通过机械合金化制备ag-in-cd合金，使纳米tio2颗粒和y2o3颗粒弥散分布于合金基体中，可以起着强烈的弥散强化作用。另一方面，第二实施例比第一实施例添加的纳米氧化物颗粒更多，因而制备的ag-in-cd合金的强度也更高。综上，本发明制备的ag-in-cd合金材料的力学强度明显优于传统ag-in-cd合金。
[0061]
本发明的有益效果在于：
[0062]
本发明针对ag-in-cd控制棒辐照肿胀较大的问题，在传统ag-in-cd合金的基础上，将in含量从15wt.％降低到7.5～8.5wt.％，可以有效降低嬗变产物sn的产生量和富sn第二相的析出长大。为了弥补in含量降低引起的热中子吸收截面减小，将ag-in-cd合金中cd的含量从5wt.％提升到5.5～6.0wt.％，ag的含量从80wt.％提升到83.9wt.％以上，以及添加少量的含量为0.5～0.8wt.％的hf元素。通过上述ag-in-cd合金主要成分的调整，即使大幅度降低了in含量，仍可以维持控制棒价值基本不变。另一方面，通过机械合金化在ag-in-cd合金中引入纳米tio2颗粒和y2o3颗粒，起到弥散强化作用，可以显著提高ag-in-cd合金的力学强度。
[0063]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。