[科普中国]-材料处理反应堆

材料处理反应堆又叫材料试验反应堆是反应堆之一。用来检测处理处在强辐射场中的材料和反应堆部件。

反应堆燃料元件的制造概述材料处理反应堆燃料元件由18或19块长度约24寸，宽28寸，厚0.060寸的轧制包壳板组装而成，每块燃料板由一个厚度为0.020寸的燃料芯体，包覆0.020寸的铝所组成，板与板之间有冷却间隙。板都弯曲成一定的弧度，以便有较大的刚性。包括端部金属附件在内，装配好的燃料元件总长度为4尺。

材料处理反应堆燃料元件最初是由洛斯一阿拉莫斯及橡树岭联合制造的。生产出来的一些元件曾在材料试验反应堆中进行过辐照。元件是用橡树岭发展的制造铀燃料元件的方法制备的。后来在汉福特制造了全套的元件堆装料，并在1958年装进材料试验反应堆中。由于他们使用的设备及装置不尽相同，因此，制造这些元件的方法在细节上也有所不同。

制造工艺（a）熔化和铸造

将650克经过清洗的炉料，即1/4寸的高纯铝棒及新加工的钚金属，配成铝-10%（重量）钚合金成份，在氧化镁坩埚中进行真空熔化，并在940℃保温1小时后，用底注方法浇入水冷铜模。出炉后将铸锭切断，进行重熔，即再在940℃保温一小时，使合金均匀化，然后快冷浇铸成3/4x2-1/2x6寸的毛坯。曾发所用设备条件下采用浇铸温度为685℃、浇孔为3/32寸的工艺最为适宜。如果毛坯经过切除端余和机械清理后表而良好，化学分析结果也满意，则还要用射线照相方块捡查每个毛坯中PuAl4的偏析，要求钚含量保持在9.5-10.5%（重量）范围内。

（b）轧制

铸锭在大气中于550℃进行热轧，轧辊应预热到260℃。锭子大约经6道轧制（每道压缩0.050寸），由0.75寸热轧到0.45寸，即压缩40%。然后以每道0.005-0.010寸的压缩量，再将它冷轧到0.370寸，这样总的压缩率约为50%。轧制后锭子进行射线照相，并切割成2.10×2.19寸的芯体，然后用排液法测定每个芯体的密度，并根据密度值验算钚的含量。

（c）芯体装配

芯体先在HNO3-HF液槽中清洗，再在沸水巾漂洗，并在空气中吹干，然后将芯体材料与经过同样方法清洗的铝部件进行装配。装配时，将芯体压入型框中，放在带有抽空管的外框内，并紧固在两个盖板之间。装配操作在通风橱中进行。装好的组件经测量阿尔法沾污后，用气体吹管将它预热到300℃，并用惰性气体电弧焊和纯铝填料棒把各边封焊起来。焊好的组件进行第一次氦气检漏，要求漏气率小于1%，而经过补焊后就不再漏气了。将悍好的毛坯组件上的抽空管与真空歧管连接起来，进行一夜的除气，在歧管真空度达到0.5x10-3毫米汞柱后，将组件加热到540℃，保温4小时，然后将抽空管夹紧，以便进行组件的焊接。焊接前先用气体吹管把抽空管预热到300℃，然后再进行压力焊接。井将超过封口的管端打平，以便最后焊死。将已抽真空和封焊的组件装运到橡树岭，轧制成燃料板，并采用与铀元件大体相同的方式装配成燃料元件。

（d）熔化和铸造

熔化、合金化和铸造都是在大气中而不是在真空中进行的，因为在大气中操作产率高，设备简单，而且这种工艺经过在乔克河和汉福特改进之后已有成熟的经验。将1500克核纯铝熔化并升温至900℃后，把210克直径1/4寸的钚棒添加到熔融铝中，以配制Al-14%（重量）Pu的合金。在900℃保温1小时后，将熔体温度降低到700℃并浇铸成三根直径为1.25寸、长度为8寸的棒。切去铸棒端余，并在每端取样以分析钚含量，余料则进行重熔回收。在得到每根棒的杯分析结果后，铸棒就可以切割成园柱体模锻毛坯。每根毛坯名义含钚量为18.16克，重量为55克。

（e）模锻

因为适用于带手套箱的轧机尚未使用，故利用模锻方法将铸造合金模锻成芯体部件，虽然存在着粘模同题，但这个方法还是比较好的。模锻时，芯体前端及后端都曾发生畸变，因此必须控制芯体的增厚。铸坯在400℃的热模中，以125吨压力可模锻成如图所示的形状，锻好的坯料要用射线照相方法检查偏析及裂纹，合格坯料按下述方法进行清洗;钢丝刷清理;在10%HNO3-2%HF溶液中浸蚀3分钟;静水漂洗，在清洗液巾用超声波清洗5分钟;在水槽中用超声波洗涤10分钟;用三氯乙烯去水;检查阿尔法沾污。对无阿尔法沾污的坯料称重后，放入预先清洗干净的铝芯框内，然后与型框装配在一起，并紧固在两个盖板之间。用自耗电极自动焊接机，在25%氦-75%氩保护气氛下，将组件的三个面焊好，而装有抽空管的一面则用手工焊接。焊好之组件要进行氦气检漏，然后把24个已焊好的组件放在同一炉子的架子上，并将组件上的抽空管与真空歧管连结起来。当真空度迭到1×10-4毫米汞柱后，将炉子加热到620℃，保温10小时，然后在抽空管的三个位置上，用冷焊使之密封。在随后的轧制过程中，曾发现有一些组件起泡，这是由子炉内温度分布不均匀和除气温度过低所引起的。

（f）热轧

将组件加热到590℃，至少保温2.5小时后，在一台轧辊为6×8寸的轧机上轧制，经6-7道轧制（每道压缩率为30%,道次之间要重新加热轧板）后，组件厚度由0.75时轧到0.070寸，长度由5寸轧到5尺。在进行下一道工序之前，要将轧后组件的端部余料加以切除。
（g）熔盐退火

轧制后的组件，用熔盐退火处理，可以减少燃料板在以后加工过程中起泡。熔盐退火处理时先用酒精稀释的专门熔盐涂抹每块轧板，然后将这些板放在浅盘中，装入密闭的蒸馏罐内，将它抽空并加热到150℃，然后通氩气到这个蒸馏罐中，使压力达到1.0磅/寸2，并保持氩气流量为5尺3/分。当燃料板加热到500℃后，抽空蒸馏罐，并用氩气进行冲洗，最后用氩气重新充满蒸馏罐。之后将燃料板加热到530℃后以上，均热30分钟。从蒸馏罐中取出燃料板，并在熔盐凝固前将它们分开。燃料板在热水中洗涤后，再在10%HNO3-1%HF溶液中进行擦洗并检查气泡。熔盐处理的优点在于能从铝中排除氢气，如果不经过这样的处理，燃料板就会在随后的鼓泡试验或焊接操作时起泡。
（h）冷轧

把经过鼓泡检验的熔盐退火后的燃料板冷轧到0.060±0.003寸的最终厚度。最终燃料芯体的尺寸为;最大长度24寸，最小平均长度23寸，最小宽度2.45寸。芯体长度可以用控制最终厚度在规定的公差范围内的方法来调正。
（i）定位及铣加工

对燃料板进行射线照相，就可以确定芯体的精确位置。射线照相时可将底片紧贴在燃料板上，并使它与芯体位置相吻合。在芯体区域以外，穿过燃料板和底片钻若干个定位孔，通过定位孔，用导销把20块板固定在一起，然后将这些组件放置在手套箱内的铣床上铣加工到最后宽度，当铣加工板的长度时，可用辅助夹具和活动导销将这些板重新加以固定和夹紧。
（j）X射线吸收扫描

可用记录式X射线透射光度计上的一个0.250×0.05寸的窗口，在纵轴上以5-10寸/分的速度对铣加工后的燃料板进行扫描，以检验其整个长度一上的钚含量变化。采用这种设备和上述操作条件，可以测出钚含量的微小变化。

（k）鼓泡试验

将所有要检验的燃料板都加热到500℃，保温30分，再加热到600℃，保温30分，然后检查板的起泡和阿尔法沾污。1

反应堆燃料的装配及焊接将燃料板在模中弯曲，然后装配到垫有铝一硅合全焊条的铝制侧板（也可用铝一硅包壳的铝侧板）的槽口内。对组件进行脱脂、酸浸及冲洗。所有的连接处都涂巨助剂，然后用不锈钢夹具装配各部件，使其位置适当。组件装配以后就转送到陶瓷间，装进蒸馏罐中，抽空蒸馏罐后，就充入氩气，并放进加热到的596℃的炉子中，待组件达到该温度后，焊接就完成了。从炉中取出蒸馏罐，待冷却后，就从蒸馏罐中取出组件，进行冲洗，并浸到HNO3-HF溶液中去掉残留的助熔剂。最后，要对焊好的燃料元件的板间隙、总宽、总高，曲面高度及凹凸高度进行检查，然后将铸铝端盒就位焊接，并对整个组件的端面进行加工，以便使燃料组件的尺寸与它在反应堆中的位置能精确配合。2

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学