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核电设备制造过程中应用的真空技术

核电站是个庞大、复杂的系统,有上万件设备,品种繁多,它们共同的特点是必须在强辐射环境中长期可靠地工作。核电设备制造过程中应用真空技术的主要有:燃料元件和控制棒的制造,设备制造过程中的真空检漏,核电设备中一些特殊材料的制造。

1.燃料元件制造

燃料元件是由铀芯块和包壳管组成的。不同堆型对燃料元件有不同的要求,但在制造过程中,都采用了真空工艺。

(1)金属铀精炼

粗铀精炼,现在都是在专用的真空感应炉中进行,使之进一步纯化后,再加人合金元素,铸成便于加工的形状。精炼温度一般控制在1400℃左右,真空度控制在1.3*10-2Pa。

(2)氧化铀制备

水冷堆采用二氧化铀陶瓷燃料,方法是把六氟化铀溶于水,使之水解,再经过真空过滤和洗涤,制成二氧化铀。国外真空过滤工艺真空度已提高到1.3*10-1Pa。水冷堆燃料棒组装时,铀芯块和包壳管都必须先经过高温真空除气处理,然后在真空室里将芯块装人包壳管内。经真空焊接,抽真空1.3*10-1Pa,最后充氦并焊上密封端盖,对密封部位进行检漏。

(3)弥散型燃料元件制备

高温气冷堆采用弥散型燃料元件,方法是将二氧化铀、二氧化牡和石墨粉按一定比例加人粘结剂制成块,在真空环境中加热到2000℃左右,烧结成直径为几百微米的密集球芯粒。

(4)快中子堆燃料元件制备

快中子堆采用铀和怀混合氧化物燃料元件,必须先烧结成形后在真空条件下装人不锈钢包壳管内。怀有剧毒,一切操作都必须在1.3*10-1Pa的真空手套箱中进行,手套箱所在的房间也要抽成真空,作为防止放射性物质逸出的第二道屏障。美国实验堆II号(EBR- II)的铀杯燃料采用另一种真空工序制做,全部设备都置于1.3x 10 -1Pa真空室内,为此,安装了抽速极大的真空泵。

2.控制棒制造

控制棒用于吸收反应堆中多余的中子,控制链式反应,保持一定的功率。控制棒芯块常用碳化翻,它在空气中会氧化而失效,因此碳化翻芯块制备要严格进行真空除气,而后装人特制的玻璃管内抽真空保存。在制造控制棒时,先将包壳管抽真空、再放进芯块并抽真空到1.3*10-1Pa,最后充氮封存。

3.核电专用检翻设备制造

防止放射性泄漏是核电站设备最起码的要求,一回路设备和二回路设备都要有良好的密封性能,在制造时必须进行严格的真空检漏。需要检漏的主要有一回路的各种容器、连接管道、蒸发器、换热器、冷凝器等。自20世纪70年代以来,核电设备检漏标准已提高到1.3*10-6Pa*L/s,即不允许1.3*10-6Pa*L/s的单个漏孔存在。现代大型核电站需要检漏的大容器,其容积都在数十立方米以上,自世界上第一座核电站建立以来,核电大容器检漏始终是人们关心的研究课题。目前,国外已有核电设备专用的氮检漏仪,并配有专门用于大容器检漏的吸嘴。

4.核电设备中一些特殊材料的制造

核电设备需要许多特殊的材料,它们共同的特点是纯度高、核性能好、耐磨蚀、耐辐射、耐高温。为了达到这些性能,在材料的生产工艺中都采用真空技术。活性炭广泛用于核电站三废处理,近年来利用真空法制取活性炭的方法得到很大发展。方法要点是将化合物树脂在高真空中炭化,制取致密性良好又有很大微孔容积的炭,真空法制取的活性炭,活化性能优异。

石墨广泛用作反应堆慢化剂。为了提高石墨的密度和改善核性能,必须将石墨置于真空环境用沥青浸渍后再烘烧。高温气冷堆燃料元件包壳用的是不透气石墨,必须将石墨在真空中加热到1000℃左右,通人丙烷后热解出炭素,真空加热的目的是使石墨表面形成致密的涂层,得到透气率极低的石墨。错合金作为包壳管和结构材料广泛用于水冷堆中。由于错在不太高的温度下就会和空气中的氧、氮、氢起反应,所以错及其合金的熔化、冷热加工和焊接都必须在真空中进行。


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