基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010543464.2 (22)申请日 2020.06.15 (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 申请人 上海核工程研究设计院有限公司 中国核动力研究设计院 (72)发明人 陈义李聪邱绍宇鲁中良 孙超丁阳张瑞谦尤李鸣 苗恺潘小强同治强朱勇辉 朱丽兵李涤尘 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 范巍 (51)Int.Cl. G21C 21/08(2006.01) (54)发明名称 一种基于3D打印的。

2、棒状核燃料元件及其密 封成形方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于3D打印的核燃料元 件密封成形方法， 属于核电技术领域， 采用SiC作 为燃料元件的包壳材料， 通过3D打印方法和激光 熔覆技术， 在包壳和端塞间形成密封圈， 包壳采 用SiC陶瓷材料， SiC密封圈与SiC包壳形成良好 的匹配， 能保证包壳和端塞密封性能， 降低燃料 芯体的运行温度和堆芯储能， 提高棒状核燃料元 件的安全性。 本发明设计合理， 操作简便， 密封圈 与SiC包壳形成良好匹配， 可有效提高棒状核燃 料元件的密封性能。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 111951991 A 2020.11.17 CN 。

3、111951991 A 1.一种棒状核燃料元件， 其特征在于， 包括SiC包壳(3)、 U3Si2芯体(5)和位于U3Si2芯体 (5)与SiC包壳(3)之间的冶金结合层(4)， 所述U3Si2芯体(5)的内部开设有中孔(6)， 所述SiC 包壳(3)的两端分别固定有一个端塞(1)， 在所述端塞(1)和SiC包壳(3)之间设置有SiC密封 圈(2)。 2.根据权利要求1所述的一种棒状核燃料元件， 其特征在于， 所述SiC密封圈(2)的致密 度高于99， SiC密封圈(2)的外径与SiC包壳(3)外径尺寸相同。 3.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法， 其 。

4、特征在于， 包括如下步骤： S1： 将粒度为100 m， 40 m， 20 m和5 m的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量比进行混合， 得 到3D打印用的纤维粉体， 将该碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂混合， 得到3D打印墨水； S2： 建立包壳密封圈的三维CAD模型， 建立棒状核燃料元件运动轨迹， 与3D打印扫描路 径相匹配； S3： 将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机， 并利用S1中制备的打印墨水打印成形， 得 到碳纤维基包壳密封圈的素坯； S4： 对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理， 得到环状碳纤维预制体基 板； S5： 利用球形高纯Si粉对碳纤维预制体基板进行干燥处理， 在。

5、通保护气体氛围下对碳 纤维预制体基板上进行激光熔覆， 在激光作用下碳纤维预制体和Si粉反应生成SiC密封圈 (2)， 即在端塞(1)和SiC包壳(3)之间生成SiC密封圈(2)， 使端塞(1)和SiC包壳(3)之间密 封， 得到密封的棒状核燃料元件。 4.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法， 其特 征在于， S1所述的短碳纤维的长度为510 m。 5.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法， 其特 征在于， S1所述的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂的质量比例为1:41:2。 6.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其。

6、密封成形方法， 其特 征在于， S2所述的棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔(6)为轴转动， 所述的扫描路径是以棒 状核燃料元件转动， 3D打印机喷头保持不动的路径。 7.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法， 其特 征在于， S4所述的真空干燥和热解处理工艺为： 将素坯在2030条件下真空干燥34h， 随后升温至300400保温3060min， 然后升温至9001000保温36h。 8.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法， 其特 征在于， S5所述的球形高纯Si粉粒度为10100 m。 9.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒。

7、状核燃料元件及其密封成形方法， 其特 征在于， S5所述的碳纤维预制体和Si粉反应时间为248h。 10.根据权利要求3所述的一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法， 其特 征在于， S5所述的保护气体为氩气； S5所述的激光加工参数包括： 激光功率为300500W， 扫 描速度为300500mm/min， Si粉的送粉量为1.23.2g/min， 温度为14001800。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111951991 A 2 一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法 技术领域 0001 本发明属于核电技术领域， 涉及一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形 方法。

8、。 背景技术 0002 核燃料元件是核电站的能量源泉， 也是核反应堆的核心部件。 燃料元件在反应堆 内所处的环境条件为辐照场、 温度场、 速度场以及一定外压等， 工作环境十分苛刻。 对燃料 元件包壳、 端塞等结构材料来说， 除辐照造成的损伤以外， 还要承受芯体材料的尺寸变化而 产生的应力、 应变、 腐蚀等。 0003 轻水反应堆是核电站的主要堆型， 采用棒状核燃料元件。 现役棒状核燃料元件由 短圆柱状的燃料芯块、 包壳、 端塞、 贮气腔压紧弹簧等构成。 碳化硅是目前重要的功能结构 陶瓷材料， 具有耐高温、 抗氧化、 耐磨损和耐腐蚀等一系列优异性能， 其密度仅有镍基高温 合金的1/41/3， 是。

9、未来核燃料元件包壳的重要材料。 日本福岛事故后， 对核燃料元件的安 全性提出了更高的要求。 0004 现有技术中的棒状核燃料元件因包壳和端塞密封性能不好而严重影响棒状核燃 料元件的安全性能， 因此如何保证包壳和端塞密封性能， 进而降低燃料芯体的运行温度和 堆芯储能， 对于提高棒状核燃料元件的安全性具有重要意义。 0005 鉴于SiC的耐水腐蚀性能和热强性能优异， 探索碳化硅陶瓷基复合材料零件在能 源领域的制造， 具有重要的应用前景。 发明内容 0006 为了克服上述现有技术的缺点， 本发明的目的在于提供一种基于3D打印的棒状核 燃料元件及其密封成形方法， 解决现有的棒状核燃料元件因包壳和端塞密。

10、封性能不好而导 致的安全问题。 本发明采用SiC作为棒状燃料元件的包壳材料， 提出通过3D打印成型与激光 熔覆技术， 在包壳和端塞间形成密封圈， 解决包壳和端塞之间的密封问题， 提高棒状核燃料 元件的安全性。 0007 为了达到上述目的， 本发明采用以下技术方案予以实现： 0008 与现有技术相比， 本发明具有以下有益效果： 0009 本发明公开了一种棒状核燃料元件， 芯体采用中间带孔的U3Si2芯体， 提高了燃料 元件的铀装载量， 在U3Si2芯体与SiC包壳之间设置冶金结合层， 消除了U3Si2芯体与包壳之 间的间隙， U3Si2芯体中心的中孔可储存裂变气体， 并充分吸收辐照肿胀。 包壳采。

11、用SiC陶瓷 材料， SiC具有耐高温、 抗氧化、 耐磨损、 耐腐蚀和耐热震等性能， 同时在端塞和SiC包壳之间 设置有SiC密封圈， SiC密封圈与SiC包壳形成良好的匹配， 能保证包壳和端塞之间的密封性 能， 降低了芯体的运行温度和堆芯储能， 从而提高棒状核燃料元件的安全性。 0010 本发明还公开了一种基于3D打印的核燃料元件密封成形方法， 采用SiC作为燃料 元件的包壳材料， 基于3D打印方法， 利用碳纤维粉体和光敏树脂混合制备而成的打印墨水 说明书 1/4 页 3 CN 111951991 A 3 打印碳纤维基包壳密封圈素坯， 对包壳密封圈素坯进行干燥和热解处理制得碳纤维预制体 基板。

12、， 再利用Si粉对其进行激光熔覆， 从而实现SiC密封圈的快速成型。 在包壳和端塞间利 用3D打印技术形成密封圈， 解决了包壳和端塞之间的密封问题。 该方法省略了装配加工等 困难， 可实现变结构、 变厚度的密封圈的制备， 同时密封效果好， 与包壳材料能够形成良好 匹配， 该方法设计合理， 操作简便， 可有效提高棒状核燃料元件的密封性能， 适用于实际生 产。 0011 进一步地， 棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔为轴转动， 扫描路径为棒状核燃料 元件转动而3D打印机喷头保持不动， 棒状核燃料元件的运动轨迹和扫描路径匹配， 进一步 保证了三维CAD模型的准确性， 保证了棒状核燃料元件的密封效果。 附。

13、图说明 0012 图1为本发明提出的棒状核燃料元件的结构示意图； 0013 其中： 1-端塞； 2-SiC密封圈； 3-SiC包壳； 4-冶金结合层； 5-U3Si2芯体； 6-中孔。 具体实施方式 0014 参照图1， 一种棒状核燃料元件， 所述两个端塞1之间安装有SiC包壳3， 通过3D打印 技术和激光熔覆技术在端塞1和SiC包壳3间反应生成SiC密封圈2。 所述SiC包壳3内设有 U3Si2芯体5， 且U3Si2芯体5位于两个端塞1之间， U3Si2芯体5内部开设有中孔6， U3Si2芯体5与 SiC包壳3之间通过热挤压技术形成冶金结合层4。 0015 实施例1 0016 一种棒状核燃料。

14、元件的3D打印密封成形方法， 包括以下步骤： 0017 1)将粒度为100 m， 40 m， 20 m和5 m的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合， 短碳 纤维长度在510 m， 得到3D打印用的纤维粉体， 将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按 1:3的质量比例混合， 得到3D打印墨水； 0018 2)建立包壳密封圈的三维CAD模型， 建立棒状核燃料元件运动轨迹， 并与扫描路径 相匹配， 棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动， 扫描路径围绕棒状核燃料元件转 动， 3D打印机喷头保持不动。 0019 3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机， 并利用步骤1)中制备的打印墨水打印 成形。

15、， 得到碳纤维基包壳密封圈的素坯； 0020 4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理， 将素坯放置在真空脱脂 炉内， 在30条件下真空干燥4h， 随后以1/min的升温速率升温至300并保温30min， 然 后以1/min的升温速率升温至900并保温3h， 得到环装碳纤维预制体基板。 0021 5)对球形高纯Si粉进行干燥处理， 球形高纯Si粉粒度为10 m， 在通氩气保护气体 氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆， 其中激光功率选择350W， 扫描速度为350mm/ min， 送粉量是2.0g/min， 温度为1400。 以棒状核燃料元件中孔6为轴转动， 以激光加工头 和Si粉。

16、喷头保持不动的方式成型， 在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密 封圈2， 该SiC密封圈2位于端塞1和SiC包壳3之间， 使端塞1和SiC包壳3之间密封， 进而得到 完全密封的棒状核燃料元件。 0022 实施例2 说明书 2/4 页 4 CN 111951991 A 4 0023 一种棒状核燃料元件的3D打印密封成形方法， 包括以下步骤： 0024 1)将粒度为100 m， 40 m， 20 m和5 m的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合， 短碳 纤维长度在510 m， 得到3D打印用的纤维粉体， 将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按 1:2.5的质量比例混合， 得到3。

17、D打印墨水； 0025 2)建立包壳密封圈的三维CAD模型， 建立棒状核燃料元件运动轨迹， 并与扫描路径 相匹配， 棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动， 扫描路径围绕棒状核燃料元件转 动， 3D打印机喷头保持不动。 0026 3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机， 并利用步骤1)中制备的打印墨水打印 成形， 得到碳纤维基包壳密封圈的素坯； 0027 4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理， 将素坯放置在真空脱脂 炉内， 在30条件下真空干燥3h， 随后以1/min的升温速率升温至300并保温60min， 然 后以1/min的升温速率升温至900并保温5h， 得到环装碳纤维。

18、预制体基板。 0028 5)对球形高纯Si粉进行干燥处理， 球形高纯Si粉粒度为30 m， 在通氩气保护气体 氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆， 其中激光功率选择450W， 扫描速度为450mm/ min， 送粉量选择区间是2.6g/min， 温度为1400。 0029 以棒状核燃料元件中孔6为轴转动， 以激光加工头和Si粉喷头保持不动的方式成 型， 在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密封圈2， 该SiC密封圈2位于端塞1 和SiC包壳3之间， 使端塞1和SiC包壳3之间密封， 进而得到完全密封的棒状核燃料元件。 0030 实施例3 0031 一种棒状核燃料元件的3D打印。

19、密封成形方法， 包括以下步骤： 0032 1)将粒度为100 m， 40 m， 20 m和5 m的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合， 短碳 纤维长度在510 m， 得到3D打印用的纤维粉体， 将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按 1:4的质量比例混合， 得到3D打印墨水； 0033 2)建立包壳密封圈的三维CAD模型， 建立棒状核燃料元件运动轨迹， 并与扫描路径 相匹配， 棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动， 扫描路径围绕棒状核燃料元件转 动， 3D打印机喷头保持不动。 0034 3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机， 并利用步骤1)中制备的打印墨水打印 成形， 得到碳纤维。

20、基包壳密封圈的素坯； 0035 4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理， 将素坯放置在真空脱脂 炉内， 在20条件下真空干燥4h， 随后以1/min的升温速率升温至350并保温45min， 然 后以1/min的升温速率升温至920并保温6h， 得到环装碳纤维预制体基板。 0036 5)对球形高纯Si粉进行干燥处理， 球形高纯Si粉粒度为50 m， 在通氩气保护气体 氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆， 其中激光功率选择300W， 扫描速度为300mm/ min， 送粉量是1.2g/min， 温度为1500。 0037 以棒状核燃料元件中孔6为轴转动， 以激光加工头和Si粉喷头保。

21、持不动的方式成 型， 在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密封圈2， 该SiC密封圈2位于端塞1 和SiC包壳3之间， 使端塞1和SiC包壳3之间密封， 进而得到完全密封的棒状核燃料元件。 0038 实施例4 0039 一种棒状核燃料元件的3D打印密封成形方法， 包括以下步骤： 说明书 3/4 页 5 CN 111951991 A 5 0040 1)将粒度为100 m， 40 m， 20 m和5 m的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合， 短碳 纤维长度在510 m， 得到3D打印用的纤维粉体， 将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按 1:2的质量比例混合， 得到3D打印墨水。

22、； 0041 2)建立包壳密封圈的三维CAD模型， 建立棒状核燃料元件运动轨迹， 并与扫描路径 相匹配， 棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动， 扫描路径围绕棒状核燃料元件转 动， 3D打印机喷头保持不动。 0042 3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机， 并利用步骤1)中制备的打印墨水打印 成形， 得到碳纤维基包壳密封圈的素坯； 0043 4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理， 将素坯放置在真空脱脂 炉内， 在30条件下真空干燥4h， 随后以1/min的升温速率升温至400并保温50min， 然 后以1/min的升温速率升温至1000并保温4h， 得到环装碳纤维预制体基。

23、板。 0044 5)对球形高纯Si粉进行干燥处理， 球形高纯Si粉粒度为100 m， 在通氩气保护气体 氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆， 其中激光功率选择500W， 扫描速度为500mm/ min， 送粉量是3.2g/min， 温度为1800。 0045 以棒状核燃料元件中孔6为轴转动， 以激光加工头和Si粉喷头保持不动的方式成 型， 在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密封圈2， 该SiC密封圈2位于端塞1 和SiC包壳3之间， 使端塞1和SiC包壳3之间密封， 进而得到完全密封的棒状核燃料元件。 0046 实施例5 0047 一种棒状核燃料元件的3D打印密封成形方法，。

24、 包括以下步骤： 0048 1)将粒度为100 m， 40 m， 20 m和5 m的短碳纤维按2:4:1.5:2.5的质量混合， 短碳 纤维长度在510 m， 得到3D打印用的纤维粉体， 将配置的碳纤维粉体与光敏树脂粘接剂按 1:3的质量比例混合， 得到3D打印墨水； 0049 2)建立包壳密封圈的三维CAD模型， 建立棒状核燃料元件运动轨迹， 并与扫描路径 相匹配， 棒状核燃料元件运动轨迹为以中孔6为轴转动， 扫描路径围绕棒状核燃料元件转 动， 3D打印机喷头保持不动。 0050 3)将包壳密封圈的制作数据导入3D打印机， 并利用步骤1)中制备的打印墨水打印 成形， 得到碳纤维基包壳密封圈的。

25、素坯； 0051 4)对碳纤维基包壳密封圈素坯进行真空干燥和热解处理， 将素坯放置在真空脱脂 炉内， 在25条件下真空干燥4h， 随后以1/min的升温速率升温至300并保温40min， 然 后以1/min的升温速率升温至950并保温6h， 得到环装碳纤维预制体基板。 0052 5)对球形高纯Si粉进行干燥处理， 球形高纯Si粉粒度为65 m， 在通氩气保护气体 氛围下对碳纤维预制体基板上进行激光熔覆， 其中激光功率选择400W， 扫描速度为400mm/ min， 送粉量是2.5g/min， 温度为1600。 0053 以棒状核燃料元件中孔6为轴转动， 以激光加工头和Si粉喷头保持不动的方式成 型， 在激光作用下碳纤维预制体和Si粉直接反应生成SiC密封圈2， 该SiC密封圈2位于端塞1 和SiC包壳3之间， 使端塞1和SiC包壳3之间密封， 进而得到完全密封的棒状核燃料元件。 0054 以上内容仅为说明本发明的技术思想， 不能以此限定本发明的保护范围， 凡是按 照本发明提出的技术思想， 在技术方案基础上所做的任何改动， 均落入本发明权利要求书 的保护范围之内。 说明书 4/4 页 6 CN 111951991 A 6 图1 说明书附图 1/1 页 7 CN 111951991 A 7 。