【摘要】本文首先介紹了高温氣冷堆核燃料元件生產線工程（827工程）概況，然後講述包覆燃料顆粒的構成，製備工藝流程及關鍵設備，最後調試結果表明此製備技術可以生產出各項性能都滿足產品技術條件的包覆燃料顆粒。
【關鍵詞】包覆燃料顆粒；流程；製備技術
0前言
827工程是國內首條高温氣冷堆核電站燃料元件生產線，為示範電站提供首爐燃料元件和運行後換料所需的燃料元件，併為今後商用高温氣冷堆核電廠的燃料元件生產積累技術經驗。球形燃料元件由燃料區和無燃料區構成。燃料區是包覆燃料顆粒彌散在石墨基體裏的直徑為約50mm的球體。無燃料區是圍繞燃料區的厚度約5mm（和燃料區相同的石墨基體材料）的球殼。燃料區和無燃料區間無物理上分界面。球形燃料元件的直徑為60mm，每個球形燃料元件含7g鈾，即約為12000個包覆燃料顆粒。包覆燃料顆粒是高温氣冷堆核電站燃料元件的重要組成部分，它是利用化學氣相沉積的原理，採用清華大學核能與新能源技術研究院專有技術製備的[1]。包覆燃料顆粒是由二氧化鈾燃料核芯、疏鬆熱解碳層、內緻密熱解碳層、碳化硅層和外緻密熱解碳層組成。
1工藝原理
合格的UO2燃料核芯在高温流化牀沉積爐中採用氣相沉積法制成包覆燃料顆粒。包覆基本化學過程：C2H2→2C+H2↑C3H6→3C+3H2↑CH3SiCl3→SiC+3HCl↑
2工藝流程簡述
首先檢查冷卻水源、氣源是否正常，水壓為0.2~0.3MPa，壓縮空氣壓力為0.5~0.6MPa，氬氣、乙炔、丙烯、氫氣和甲基三氯硅烷（MTS）供氣壓力為0.2~0.3MPa。然後抽真空，通氬氣，升温，氣體從包覆爐底部的噴嘴送入，在包覆爐升温達到一定温度後，將UO2燃料核芯從包覆爐頂部的裝料器中放入。分四層進行包覆。第一層，疏鬆熱解碳層。將包覆爐升温至1200℃，氬氣作為稀釋和載帶氣體，通入反應氣體乙炔，生成疏鬆熱解碳層。疏鬆熱解碳層的密度小於1.1g/cm3，厚度為50~140μm，它的主要作用是儲存氣態裂變產物，吸收輻照引起的核芯腫脹，緩衝輻照以及温度變化引起的應力，防止裂變反衝核直接轟擊緻密熱解碳層以及解脱燃料核芯與緻密熱解碳層間的機械耦合。第二層，內緻密熱解碳層。將包覆爐升温至1400℃，氬氣作為稀釋和載帶氣體，通入反應氣體乙炔和丙烯，生成內緻密熱解碳層。內緻密熱解碳層的密度約1.9g/cm3，厚度為20~60μm，它作為SiC層沉積的基底，用來防止在包覆SiC層時產生的HCl和UO2核芯反應，延緩金屬裂變產物對SiC層的腐蝕，承受輻照時對包覆層產生的內壓。第三層，碳化硅層。將包覆爐升温至1500℃以上，氬氣作為保護氣體，氫氣作為稀釋和載帶氣體，通入反應氣體甲基三氯硅烷（MTS），生成碳化硅層。碳化硅層的密度大於3.18g/cm3，厚度約為25~45μm，由於它的強度高、彈性模量大、具有耐腐蝕性，因此是承受包覆燃料顆粒內壓以及阻擋裂變產物釋放的`關鍵層。它阻擋固態裂變產物的能力比熱解碳層高1~3個量級，強度比熱解碳層高好幾倍。第四層，外緻密熱解碳層。將包覆爐降温至1400℃，氬氣作為稀釋和載帶氣體，通入反應氣體乙炔和丙烯，生成外緻密熱解碳層。外緻密熱解碳層的密度約1.9g/cm3，厚度為20~60μm，它是阻擋裂變產物釋放的又一道屏障，並且能夠保護SiC層免受機械損傷。在完成疏鬆熱解碳層和內緻密熱解碳層沉積之後要分別取樣，用作性能檢驗。最後包覆爐降温冷卻，卸出包覆燃料顆粒產品，進行滾筒篩的篩分和振動台的分選，除去尺寸和球形度不合格的包覆燃料顆粒次品，經性能檢驗，合格的包覆燃料顆粒送大球製備工序製造球形元件。不合格的包覆燃料顆粒送返品破碎煅燒工序處理。包覆第一、二和四層過程產生的尾氣經炭黑除塵器（三級分離：旋風分離、布袋除塵、精密過濾）除去炭黑，剩餘的可燃氣體在點火裝置點火後排入通風系統；包覆第三層（碳化硅層）過程產生的尾氣經吸收塔吸收除去HCl氣體，剩餘的可燃氣體在點火裝置點火後排入通風系統，HCl吸收產生的NaCl廢液排入天然蒸發池。在包覆顆粒的包覆過程中，是由水環真空機組對整個系統進行抽真空，確保包覆爐爐壓為微負壓（-1～1kPa），滿足工藝生產要求。
3關鍵設備
整個包覆系統是由包覆爐、MTS供給系統、配氣櫃、炭黑除塵器、吸收塔、水環真空機組和點火器組成[2]。其中關鍵設備為包覆爐，包覆燃料顆粒的製備過程都是在包覆爐中完成的。包覆爐及輔助系統主要由包覆爐、真空系統、循環冷卻水系統、加熱電源及温控系統、裝卸料系統、防爆管路等組成。
4結論
包覆燃料顆粒各包覆層的厚度、密度方面的性能主要受包覆各層時的反應氣體流量、沉積温度、沉積時間的影響[3]。包覆顆粒製備工藝試驗投料為貧料，設定好各包覆層的反應氣體流量、沉積温度、沉積時間，進行包覆。包覆完畢，再根據製備出的包覆燃料顆粒各包覆層厚度、密度檢測結果，調整工藝參數，經過多次試驗，最終制備出各項性能都滿足產品技術條件的包覆燃料顆粒，為下一步穿衣顆粒製備工序打下良好的基礎。
【參考文獻】
［1］高温氣冷堆核電站示範工程燃料元件生產線工程初步設計輸入資料[S].
［2］包覆爐系統用户手冊[S].
［3］高温氣冷堆核燃料元件生產線調試報告[R].
文萃咖
