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核電設備制造過程中應用的真空技術

核電站是個龐大、復雜的系統,有上萬件設備,品種繁多,它們共同的特點是必須在強輻射環境中長期可靠地工作。核電設備制造過程中應用真空技術的主要有:燃料元件和控制棒的制造,設備制造過程中的真空檢漏,核電設備中一些特殊材料的制造。
1.燃料元件制造
燃料元件是由鈾芯塊和包殼管組成的。不同堆型對燃料元件有不同的要求,但在制造過程中,都采用了真空工藝。
(1)金屬鈾精煉
粗鈾精煉,現在都是在專用的真空感應爐中進行,使之進一步純化后,再加人合金元素,鑄成便于加工的形狀。精煉溫度一般控制在1400℃左右,真空度控制在1.3*10-2Pa。
(2)氧化鈾制備
水冷堆采用二氧化鈾陶瓷燃料,方法是把六氟化鈾溶于水,使之水解,再經過真空過濾和洗滌,制成二氧化鈾。國外真空過濾工藝真空度已提高到1.3*10-1Pa。水冷堆燃料棒組裝時,鈾芯塊和包殼管都必須先經過高溫真空除氣處理,然后在真空室里將芯塊裝人包殼管內。經真空焊接,抽真空1.3*10-1Pa,最后充氦并焊上密封端蓋,對密封部位進行檢漏。
(3)彌散型燃料元件制備
高溫氣冷堆采用彌散型燃料元件,方法是將二氧化鈾、二氧化牡和石墨粉按一定比例加人粘結劑制成塊,在真空環境中加熱到2000℃左右,燒結成直徑為幾百微米的密集球芯粒。
(4)快中子堆燃料元件制備
快中子堆采用鈾和懷混合氧化物燃料元件,必須先燒結成形后在真空條件下裝人不銹鋼包殼管內?;秤芯綞?,一切操作都必須在1.3*10-1Pa的真空手套箱中進行,手套箱所在的房間也要抽成真空,作為防止放射性物質逸出的第二道屏障。美國實驗堆II號(EBR- II)的鈾杯燃料采用另一種真空工序制做,全部設備都置于1.3x 10 -1Pa真空室內,為此,安裝了抽速極大的真空泵。
2.控制棒制造
控制棒用于吸收反應堆中多余的中子,控制鏈式反應,保持一定的功率??刂瓢糶究槌S錳薊?,它在空氣中會氧化而失效,因此碳化翻芯塊制備要嚴格進行真空除氣,而后裝人特制的玻璃管內抽真空保存。在制造控制棒時,先將包殼管抽真空、再放進芯塊并抽真空到1.3*10-1Pa,最后充氮封存。
3.核電專用檢翻設備制造
防止放射性泄漏是核電站設備最起碼的要求,一回路設備和二回路設備都要有良好的密封性能,在制造時必須進行嚴格的真空檢漏。需要檢漏的主要有一回路的各種容器、連接管道、蒸發器、換熱器、冷凝器等。自20世紀70年代以來,核電設備檢漏標準已提高到1.3*10-6Pa*L/s,即不允許1.3*10-6Pa*L/s的單個漏孔存在。現代大型核電站需要檢漏的大容器,其容積都在數十立方米以上,自世界上第一座核電站建立以來,核電大容器檢漏始終是人們關心的研究課題。目前,國外已有核電設備專用的氮檢漏儀,并配有專門用于大容器檢漏的吸嘴。
4.核電設備中一些特殊材料的制造
核電設備需要許多特殊的材料,它們共同的特點是純度高、核性能好、耐磨蝕、耐輻射、耐高溫。為了達到這些性能,在材料的生產工藝中都采用真空技術?;钚蘊抗惴河糜諍說繒救洗?,近年來利用真空法制取活性炭的方法得到很大發展。方法要點是將化合物樹脂在高真空中炭化,制取致密性良好又有很大微孔容積的炭,真空法制取的活性炭,活化性能優異。
石墨廣泛用作反應堆慢化劑。為了提高石墨的密度和改善核性能,必須將石墨置于真空環境用瀝青浸漬后再烘燒。高溫氣冷堆燃料元件包殼用的是不透氣石墨,必須將石墨在真空中加熱到1000℃左右,通人丙烷后熱解出炭素,真空加熱的目的是使石墨表面形成致密的涂層,得到透氣率極低的石墨。錯合金作為包殼管和結構材料廣泛用于水冷堆中。由于錯在不太高的溫度下就會和空氣中的氧、氮、氫起反應,所以錯及其合金的熔化、冷熱加工和焊接都必須在真空中進行。
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