二氧化铀芯块

为构成燃料元件而堆叠在包壳内的燃料小块

燃料芯块，为构成燃料元件而堆叠在包壳内的燃料小块，通常为圆柱形。燃料芯块是燃料元件的核心部分，在核燃料领域中，氧化铀、氧化钍、氧化钚及其混合物和其它氧化物的应用较为广泛，其中二氧化铀芯块（UO2）以其独特的性能优点几乎成为所有轻水堆、重水堆的主要燃料。

二氧化铀核燃料芯块特点

经过长期的堆内考验，确认二氧化铀是一种很好的核燃料。其优良特性主要表现在：

1)作为非裂变的组合元素氧的热中子俘获截面极低（<0.0002 靶）;

2)熔点高达 2800℃，扩大了反应堆可选用的工作温度;

3)在熔点以内只有一种结晶形态，各向同性，没有金属铀各向异性带来的缺陷；

4)辐照稳定性好，经长期辐照能保持其稳定的尺寸和形状；

5)对冷却剂水的抗腐蚀性能好，与包壳材料有很好的相容性。

二氧化铀芯块作为核燃料的不足之处是铀密度低；导热系数仅为金属铀的十几分之一，容易引起芯块局部过热和影响芯块向冷却剂传热；质硬且脆，不利于加工和运输；从 UF6（六氟化铀）到制成 UO2芯块，需要一套较特殊而且技术要求高的加工工艺。尽管如此，它仍然是动力堆用得最广泛的核燃料。

二氧化铀芯块制造工艺

二氧化铀芯块采用传统的粉末冶金工艺制造，即将二氧化铀粉末冷压成生坯，然后高温烧结成具有一定尺寸、形状、强度和密度的烧结块。最后磨削、检查，得到符合技术条件要求的二氧化铀芯块。

混合

在二氧化铀芯块制造中，为了使获得的成品芯块能够达到设计技术条件要求的密度和微观结构，往往需要在基体二氧化铀粉末中添加一些密度调节剂或造孔剂，也有为改善粉末压制性能而添加的润滑剂，还有为获得较大的芯块晶粒尺寸而添加的晶粒长大剂。这些添加剂粉末必须均匀地分布在基体粉末中，因此，混合在芯块制造中是必不可少的。

二氧化铀粉末混合采用机械混合法。粉末在混料器里依靠机械作用，相互扩散、对流和剪切，最终达到混合均匀的目的。

制粒

陶瓷级二氧化铀粉末由于颗粒很细，流动性很差，无法满足自动成型时的填模。因此，在成型前要对粉末进行制粒处理。通常采用的制粒工艺称为“干法制粒”工艺，包括预压、制粒和球化等三个过程。

成型

成型是粉末冶金过程中一道非常重要的工序。它的作用就是通过加压或不加压的办法使粉末固化。成型的基本目的是：

1)得到所需要的制品（又称生坯）形状；

2)获得工艺条件规定的生坯块密度；

3)使机械固结的生坯具有足够的强度；

4)有利于随后的烧结过程。

烧结

烧结是在低于待烧结物主要成分熔点的某一温度下，为了提高粉末或压坯强度的热处理过程。在二氧化铀芯块制造中，烧结是非常重要而且必不可少的一道工序。由于二氧化铀熔点很高（2865±15℃），因此，二氧化铀坯块的烧结温度也很高（通常达1700℃以上），而且二氧化铀粉末中多余的氧必须在烧结过程中去除，因此，二氧化铀的烧结必须在还原性（氢气）气氛下进行。

磨削

二氧化铀芯块在烧结过程中坯块尺寸会发生不均匀地收缩，体积收缩率可达 50%，造成烧结块“凹腰鼓”状变形，为了尽可能减小变形，从而避免反应堆在运行工况下二氧化铀芯块与包壳间的相互机械作用，对烧结块的外圆进行磨削，使其设计公差在允许范围内，进而保证二氧化铀芯块和包壳间的间隙达到合适的范围。烧结块通常用金刚石材料作为磨轮，在无心磨床上进行外圆磨削。二氧化铀芯块的磨削过程包括无心外圆磨、清洗、烘干和外观检查等多道工序。把这些工序连接起来，就构成了工程应用的生产线。

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