铀燃料元件加工(fabrication of uranium fuel element)

将天然铀或具有不同²³⁵U丰度浓缩铀的金属铀、铀合金或铀化合物制成铀燃料元件及将其组装成铀燃料组件的过程。主要由铀燃料元件制取和铀燃料组件两大环节组成。铀燃料元件的形状主要有棒状和板状两种，它们由芯体和密封包壳构成。铀燃料组件则是截面具有一定形状的铀燃料元件的棒束，用作核反应堆的燃料。

1940年，美国根据费米(E.Fermi)的可控核链式裂变反应理论，开始设计和建造世界第一座核反应堆，制出第一批天然铀燃料元件，建成的这座天然铀石墨核反应堆，于1943年开始运行。此后，随着不同用途、不同类型核反应堆的出现，铀燃料元件的组成及形状也根据需要而变得多种多样。铀燃料元件加工工业已成为核工业的重要组成部分。中国于20世纪50年代末建立了铀燃料元件的加工工业。

技术要求铀燃料元件的加工技术相当复杂，除要求铀燃料元件在反应堆运行不出故障外，还要求元件或组件在整个工作期间保持一定的完整性。核裂变所释出的能量，以热能的形式由循环流经活性区的冷却剂导出，而裂变产物则不允许泄漏到冷却剂中。因此，除均相反应堆外，其他反应堆所用的铀燃料元件均由含天然铀或浓缩铀燃料芯体和密封包壳组成。密封包壳采用中子吸收截面小、耐腐蚀和具有足够强度的材料制造，如采用铝、铝合金、锆合金和不锈钢等。

铀燃料元件制取主要包括芯体制造和加工成形、密封包壳的加工、芯体在密封包壳中的密封和包装。核反应堆用的铀燃料元件主要有金属型铀燃料元件和铀化合物陶瓷型燃料元件两大类。

金属型铀燃料元件金属型铀燃料元件包括以金属铀或铀合金为芯体的元件。

(1)金属铀燃料元件。先用真空高频感应炉熔化、精炼所得的金属铀锭，然后铸造成芯体坯件；或采用轧制、挤压等工艺制取芯体坯件。金属铀芯体必须经过β相热处理，使晶体无序化，以改善其各向异性。按尺寸公差将经过β相热处理的金属铀芯体截切加工成金属铀棒。截切取的金属铀棒装入铝、铝合金或镁合金的密封包壳管中，两端用端塞密封，并经加压处理使芯体和密封包壳达到冶金结合，便制得金属铀燃料元件。金属铀棒状燃料元件也有呈空心管状结构的。英国、法国早期的二氧化碳气冷堆和某些生产堆曾采用金属铀棒状燃料元件。

(2)铀合金燃料元件。铀合金燃料元件芯体的各向异性和辐射性能优于金属铀燃料元件芯体。铀合金燃料芯体有两种加工方法，一种是熔炼铸造法，另一种是将铀金属化合物，如UAl₃或U₃Si₂等和铝粉混合压制的加工方法。铀铝合金燃料元件较广泛地用于材料实验堆和以辐照为主要目的的高通量研究堆。当采用熔炼铸造加工法时，必须用高浓缩铀和金属铝通过配料、熔炼、铸造、加工而制成与元件形状尺寸相应的芯体坯料。板状元件是把芯坯装在镜框形的密封包壳材料中，通过轧制使其和镜框贴紧，然后将上下密封包壳板盖台，再经轧制即制成板状元件。最后将多块元件板组装成核燃料组件。高通量试验堆采用的某些同心套管式的棒状铀燃料组件，经熔炼铸造加工成的高浓缩铀铝合金芯坯，用端塞封入内外密封包壳管，经过挤压制成贴紧包覆的管状元件。除外套管外，其他每层套管的外表，沿轴向有三条互成120度角的筋条，作为套管水隙和起增强刚度的作用，然后将六套元件管按尺寸组装成同心套管式的棒状燃料组件。

铀化合物陶瓷燃料元件二氧化铀是广泛用于水冷动力堆的陶瓷燃料。此种燃料元件的制造一般包括二氧化铀芯件制造、芯体的密封包装和制成燃料棒。

二氧化铀芯体的制造一般先将²³⁵U丰度低于5%的浓缩UF₆经湿法或干法制成可烧结的UO₂粉末。湿法是先将UF₆转化成重铀酸铵或三碳酸铀酰铵沉淀，过滤得到的沉淀经洗涤、干燥后，送入还原炉进行热分解和氢还原即可获得可烧结UO₂粉末。干法是将UF₆气体通入回转炉，使之依次与水蒸气和蒸气接触，即生成可烧结U0₂粉末，再将U0₂粉末压制成圆柱状的生坯芯体，在烧结炉内于氢气气氛下连续高温烧结。所得烧结块按规定的尺寸公差进行研磨和烘干即得二氧化铀陶瓷芯块。

制成燃料棒是先将锆合金密封包壳管的下端塞好，然后将干燥的二氧化铀陶瓷芯体、隔热块和贮气空间弹簧分别装入密封包壳管，焊接上端塞，经上端塞上的小孔抽真空，并向棒内充入一定压力的高纯氦气，随后立即堵孔，封焊成元件棒。此种燃料芯棒的密封包装与金属型燃料元件不同，前者在芯体与包壳之间存在微小间隙。

铀燃料组件铀燃料元件装载于反应堆活性区内，在进行可控链式核裂变反应过程中，释放出大量中子、裂变产物和能量。铀燃料元件在反应堆内有一定的使用期限，需定期更新，因此需将一定数量的铀燃料元件组装成结构独立、便于装卸的组件。

水冷动力堆的铀燃料组件由许多铀燃料元件棒组装而成。压水堆的铀燃料元件棒长约4m，组件一般采用17×17或15×15根的棒束型。在截面为正方形的铀燃料元件棒束中，有一些铀燃料元件棒的位置为控制棒的导向管所取代，沿长度方向隔一定距离有定位格架。沸水堆的铀燃料元件组件一般为7×7根铀燃料元件棒束。组件本身不包括控制棒导向管，组件外有一方形盒套。典型压水堆的铀燃料元件棒组装，是先将导向管与定位隔架点焊固定，构成支撑铀燃料元件棒的骨架，然后组装铀燃料元件棒。待铀燃料元件棒装完后，再将上下管座与导向管联结起来。联结的方式有固定式和可拆卸式，后者的优点是可以在水下检查或更换铀燃料元件棒。中国秦山核电厂采用以二氧化铀陶瓷芯块和锆-4合金密封包壳管构成的燃料元件棒和15×15根束棒型压水堆燃料组件。