材料試驗反應堆

材料試驗反應堆是反應堆之一。用來檢測處在強輻射場中的材料和反應堆部件。

基本介紹

• 中文名：材料試驗反應堆
• 外文名：materials testing recator
• 學科：原子能科學技術
• 領域：核反應堆
• 作用：檢測材料和反應堆部件
• 縮寫：MTR反應堆

反應堆燃料元件的製造

概述

材料試驗反應堆(MTR)燃料元件由18或19塊長度約24寸，寬28寸，厚0.060寸的軋制包殼板組裝而成，每塊燃料板由一個厚度為0.020寸的燃料芯體，包覆0.020寸的鋁所組成，板與板之間有冷卻間隙。板都彎曲成一定的弧度，以便有較大的剛性。包括端部金屬附屬檔案在內，裝配好的燃料元件總長度為4尺。

材料試驗反應堆燃料元件最初是由洛斯一阿拉莫斯及橡樹嶺聯合製造的。生產出來的一些元件曾在材料試驗反應堆中進行過輻照。元件是用橡樹嶺發展的製造鈾燃料元件的方法製備的。後來在漢福特製造了全套的元件堆裝料，並在1958年裝進材料試驗反應堆中。由於他們使用的設備及裝置不盡相同，因此，製造這些元件的方法在細節上也有所不同。

製造工藝

(a)熔化和鑄造

將650克經過清洗的爐料，即1/4寸的高純鋁棒及新加工的鈽金屬，配成鋁-10%(重量)鈽合金成份，在氧化鎂坩堝中進行真空熔化，並在940℃保溫1小時後，用底注方法澆入水冷銅模。出爐後將鑄錠切斷，進行重熔，即再在940℃保溫一小時，使合金均勻化，然後快冷澆鑄成3/4x2-1/2x6寸的毛坯。曾發現在所用設備條件下採用澆鑄溫度為685℃、澆孔為3/32寸的工藝最為適宜。如果毛坯經過切除端余和機械清理後表而良好，化學分析結果也滿意，則還要用射線照相方塊撿查每個毛坯中PuAl4的偏析，要求鈽含量保持在9.5-10.5%(重量)範圍內。

(b)軋制

鑄錠在大氣中於550℃進行熱軋，軋輥應預熱到260℃。錠子大約經6道軋制(每道壓縮0.050寸)，由0.75寸熱軋到0.45寸，即壓縮40%。然後以每道0.005-0.010寸的壓縮量，再將它冷軋到0.370寸，這樣總的壓縮率約為50%。軋制後錠子進行射線照相，並切割成2.10×2.19寸的芯體，然後用排液法測定每個芯體的密度，並根據密度值驗算鈽的含量。

(c)芯體裝配

芯體先在HNO₃-HF液槽中清洗，再在沸水巾漂洗，並在空氣中吹乾，然後將芯體材料與經過同樣方法清洗的鋁部件進行裝配。裝配時，將芯體壓入型框中，放在帶有抽空管的外框內，並緊固在兩個蓋板之間。裝配操作在通風櫥中進行。裝好的組件經測量阿爾法沾污後，用氣體吹管將它預熱到300℃，並用惰性氣體電弧焊和純鋁填料棒把各邊封焊起來。焊好的組件進行第一次氦氣檢漏，要求漏氣率小於1%，而經過補焊後就不再漏氣了。將悍好的毛坯組件上的抽空管與真空歧管連線起來，進行一夜的除氣，在歧管真空度達到0.5x10^-3毫米汞柱後，將組件加熱到540℃，保溫4小時，然後將抽空管夾緊，以便進行組件的焊接。焊接前先用氣體吹管把抽空管預熱到300℃，然後再進行壓力焊接。井將超過封口的管端打平，以便最後焊死。將已抽真空和封焊的組件裝運到橡樹嶺，軋製成燃料板，並採用與鈾元件大體相同的方式裝配成燃料元件。

(d)熔化和鑄造

熔化、合金化和鑄造都是在大氣中而不是在真空中進行的，因為在大氣中操作產率高，設備簡單，而且這種工藝經過在喬克河和漢福特改進之後已有成熟的經驗。將1500克核純鋁熔化並升溫至900℃後，把210克直徑1/4寸的鈽棒添加到熔融鋁中，以配製Al-14%(重量)Pu的合金。在900℃保溫1小時後，將熔體溫度降低到700℃並澆鑄成三根直徑為1.25寸、長度為8寸的棒。切去鑄棒端余，並在每端取樣以分析鈽含量，余料則進行重熔回收。在得到每根棒的杯分析結果後，鑄棒就可以切割成園柱體模鍛毛坯。每根毛坯名義含鈽量為18.16克，重量為55克。

(e)模鍛

因為適用於帶手套箱的軋機尚未使用，故利用模鍛方法將鑄造合金模鍛成芯體部件，雖然存在著粘模同題，但這個方法還是比較好的。模鍛時，芯體前端及後端都曾發生畸變，因此必須控制芯體的增厚。鑄坯在400℃的熱模中，以125噸壓力可模鍛成如圖所示的形狀，鍛好的坯料要用射線照相方法檢查偏析及裂紋，合格坯料按下述方法進行清洗;鋼絲刷清理;在10%HNO₃-2%HF溶液中浸蝕3分鐘;靜水漂洗，在清洗液巾用超音波清洗5分鐘;在水槽中用超音波洗滌10分鐘;用三氯乙烯去水;檢查阿爾法沾污。對無阿爾法沾污的坯料稱重後，放入預先清洗乾淨的鋁芯框內，然後與型框裝配在一起，並緊固在兩個蓋板之間。用自耗電極自動焊接機，在25%氦-75%氬保護氣氛下，將組件的三個面焊好，而裝有抽空管的一面則用手工焊接。焊好之組件要進行氦氣檢漏，然後把24個已焊好的組件放在同一爐子的架子上，並將組件上的抽空管與真空歧管連結起來。當真空度迭到1×10^-4毫米汞柱後，將爐子加熱到620℃，保溫10小時，然後在抽空管的三個位置上，用冷焊使之密封。在隨後的軋制過程中，曾發現有一些組件起泡，這是由子爐內溫度分布不均勻和除氣溫度過低所引起的。

(f)熱軋

將組件加熱到590℃，至少保溫2.5小時後，在一台軋輥為6×8寸的軋機上軋制，經6-7道軋制(每道壓縮率為30%,道次之間要重新加熱軋板)後，組件厚度由0.75時軋到0.070寸，長度由5寸軋到5尺。在進行下一道工序之前，要將軋後組件的端部余料加以切除。
(g)熔鹽退火

軋制後的組件，用熔鹽退火處理，可以減少燃料板在以後加工過程中起泡。熔鹽退火處理時先用酒精稀釋的專門熔鹽塗抹每塊軋板，然後將這些板放在淺盤中，裝入密閉的蒸餾罐內，將它抽空並加熱到150℃，然後通氬氣到這個蒸餾罐中，使壓力達到1.0磅/寸2，並保持氬氣流量為5尺3/分。當燃料板加熱到500℃後，抽空蒸餾罐，並用氬氣進行沖洗，最後用氬氣重新充滿蒸餾罐。之後將燃料板加熱到530℃後以上，均熱30分鐘。從蒸餾罐中取出燃料板，並在熔鹽凝固前將它們分開。燃料板在熱水中洗滌後，再在10%HNO₃-1%HF溶液中進行擦洗並檢查氣泡。熔鹽處理的優點在於能從鋁中排除氫氣，如果不經過這樣的處理，燃料板就會在隨後的鼓泡試驗或焊接操作時起泡。
(h)冷軋

把經過鼓泡檢驗的熔鹽退火後的燃料板冷軋到0.060±0.003寸的最終厚度。最終燃料芯體的尺寸為;最大長度24寸，最小平均長度23寸，最小寬度2.45寸。芯體長度可以用控制最終厚度在規定的公差範圍內的方法來調正。
(i)定位及銑加工

對燃料板進行射線照相，就可以確定芯體的精確位置。射線照相時可將底片緊貼在燃料板上，並使它與芯體位置相吻合。在芯體區域以外，穿過燃料板和底片鑽若干個定位孔，通過定位孔，用導銷把20塊板固定在一起，然後將這些組件放置在手套箱內的銑床上銑加工到最後寬度，當銑加工板的長度時，可用輔助夾具和活動導銷將這些板重新加以固定和夾緊。
(j)X射線吸收掃描

可用記錄式X射線透射光度計上的一個0.250×0.05寸的視窗，在縱軸上以5-10寸/分的速度對銑加工後的燃料板進行掃描，以檢驗其整個長度一上的鈽含量變化。採用這種設備和上述操作條件，可以測出鈽含量的微小變化。

(k)鼓泡試驗

將所有要檢驗的燃料板都加熱到500℃，保溫30分，再加熱到600℃，保溫30分，然後檢查板的起泡和阿爾法沾污。

反應堆燃料的裝配及焊接

將燃料板在模中彎曲，然後裝配到墊有鋁一矽合全焊條的鋁製側板(也可用鋁一矽包殼的鋁側板)的槽口內。對組件進行脫脂、酸浸及沖洗。所有的連線處都塗巨助劑，然後用不鏽鋼夾具裝配各部件，使其位置適當。組件裝配以後就轉送到陶瓷間，裝進蒸餾罐中，抽空蒸餾罐後，就充入氬氣，並放進加熱到的596℃的爐子中，待組件達到該溫度後，焊接就完成了。從爐中取出蒸餾罐，待冷卻後，就從蒸餾罐中取出組件，進行沖洗，並浸到HNO₃-HF溶液中去掉殘留的助熔劑。最後，要對焊好的燃料元件的板間隙、總寬、總高，曲面高度及凹凸高度進行檢查，然後將鑄鋁端盒就位焊接，並對整個組件的端面進行加工，以便使燃料組件的尺寸與它在反應堆中的位置能精確配合。