UO2芯塊熱穩(wěn)定性試驗(yàn)密度測定比對

黃　海身份證號：460035198104280716，四川宜賓　644000

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UO2芯塊熱穩(wěn)定性試驗(yàn)密度測定比對

黃海
身份證號：460035198104280716，四川宜賓644000

摘要二氧化鈾芯塊在規(guī)定的氣氛（氫氣或氬氫混合氣）和溫度條件下，進(jìn)行一定時間的再燒結(jié)。通過測量芯塊的密度變化值或直徑變化值，評價芯塊的熱穩(wěn)定性，以預(yù)測燃料芯塊在堆內(nèi)的密實(shí)化程度。AFA3G燃料組件二氧化鈾芯塊通常在熱穩(wěn)定性試驗(yàn)時，測定芯塊的密度時采用浸漬液方法，未采用幾何密度法，幾何密度法更快速、簡便和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞AFA3G燃料組件二氧化鈾芯塊；熱穩(wěn)定性；浸漬液方法；幾何密度法

燒結(jié)二氧化鈾芯塊熱穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果作為判定芯塊質(zhì)量指標(biāo)之一。目前對UO2芯塊密度測定方法有三種，分別為生產(chǎn)線上采用幾何密度法、實(shí)驗(yàn)室依據(jù)國標(biāo)GB11927-89《二氧化鈾芯塊密度和開口孔隙度的測定液體浸漬法》中煮沸法（簡稱國標(biāo)煮沸法）和依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO9278：2008《Nuclear energy - Uranium dioxide pellets-Determination of density and volume fraction of open and closed porosity》（簡稱ISO法）建立的檢測方法。由于國標(biāo)煮沸法耗時長且用到二甲苯對人體有毒害試劑，多數(shù)實(shí)驗(yàn)室早已采用ISO法進(jìn)行替代，本次試驗(yàn)采用幾何密度方法和ISO法對同一批芯塊進(jìn)行密度檢測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析比對，驗(yàn)證幾何密度法與ISO法對于芯塊密度的測量是否具有等效。

1　方法簡介

1.1幾何密度測量法

幾何密度法，采用芯塊幾何尺寸及密度檢測系統(tǒng)，首先測定芯塊的端部幾何尺寸（包括碟深、碟寬、倒角高、倒角寬）計算出芯塊的空腔體積，然后測定芯塊直徑、高度和質(zhì)量，扣除空腔體積后，根據(jù)密度等于質(zhì)量除以體積的原理，可計算出芯塊的密度。

空腔體積的計算公式如下：

式中：

——芯塊的空腔體積，mm3；

——芯塊a端、b端的碟深，mm；

——芯塊a端、b端的碟寬，mm；

——芯塊a端、b端的倒角高，mm；

——芯塊a端、b端的倒角寬，mm。

芯塊密度計算公式如下：

式中：

——芯塊的幾何密度，g/cm3；——芯塊的質(zhì)量，g；

——芯塊的直徑，mm；

——芯塊的高度，mm；

1 .2液體浸漬法（ISO法）

采用ISO方法中的液體浸漬法，依據(jù)阿基米德原理，通過測量芯塊的干燥質(zhì)量和懸浮質(zhì)量來確定芯塊排開液體的體積，再由浸漬液體的密度計算出芯塊的密度，檢測步驟如下：

在空氣中稱出試樣質(zhì)量m，準(zhǔn)確至0.0001g。

將試樣放入真空處理裝置中，抽真空，使真空度低于7.0Pa，持續(xù)抽真空時間不少于10min，然后將試樣充分滲水并浸泡10min。

用溫度計測量出水的溫度。

4）將試樣放入吊籃里，在水中稱出懸浮質(zhì)量m2，準(zhǔn)確至0.0001g。

5）從水中取出試樣，先用定性濾紙將試樣表面水擦干（用定性濾紙將試樣兩端表面水擦干，在濾紙上前后滾動試樣擦干試樣圓柱表面水），然后在空氣中稱出飽和質(zhì)量m1，準(zhǔn)確至0.0001g，這一過程要求1min內(nèi)完成。

芯塊密度按公式（3）計算：

式中：

ρ——芯塊水測密度，g/cm3；

m ——干樣品在空氣中的質(zhì)量，g；

m1——充分滲水并擦干表面水的樣品在空氣中的質(zhì)量，g；

m2——充分滲水后的樣品在水中的質(zhì)量，g；

ρ1——為在不同溫度條件下水的密度，g/cm3；

2　比對樣品

為保證比對結(jié)果客觀性，所使用UO2芯塊來自同一批次，密度在其技術(shù)要求范圍內(nèi)隨機(jī)分布。數(shù)量共24塊，分為兩組每組12塊，編號為樣品1和樣品2。

3　比對過程

分別將樣品1和樣品2裝入高溫復(fù)燒爐開展芯塊熱穩(wěn)定性試驗(yàn)（2爐）。采用幾何密度法和ISO法，測量芯塊的燒前、燒后的密度。

4　比對結(jié)果

4.1密度測量結(jié)果

表1　樣品1密度測量結(jié)果（g/cm3）

表2　樣品2密度測量結(jié)果（g/cm3）

表3　樣品密度變化量（g/cm3）

圖1　樣品1密度測量結(jié)果比較

圖2　樣品2密度測量結(jié)果比較

表1和表2分別給出了樣品1（爐1）和樣品2（爐2），采用幾何密度法與ISO法進(jìn)行密度測定的結(jié)果，將測量結(jié)果繪制成折線圖1和圖2。采用幾何密度法和ISO法測量結(jié)果大小及趨勢較為一致，樣品1和樣品2采用ISO法測量結(jié)果均略高于幾何密度法測量結(jié)果。應(yīng)是采用ISO法測量的芯塊體積去除了開口孔隙所占體積，因此測量結(jié)果略高。

4.2比對樣品密度變化量

樣品1和樣品2來自于同一批樣品，試驗(yàn)的控制過程、條件也是一樣的。采用兩種方法，對樣品密度變化量進(jìn)行統(tǒng)一比對。

樣品變化量如表3，在α=0.05，F(xiàn)=3.83，由于F crit=4.05，因?yàn)镕＜F crit，檢測結(jié)果應(yīng)無顯著差異。

5　結(jié)論

本次試驗(yàn)，對于同一樣品采用幾何密度法和液體（ISO）浸漬法測量結(jié)果大小及趨勢較為一致，變化結(jié)果通過F檢驗(yàn)無顯著差異。因此，對于芯塊密度的測量，幾何密度法、ISO法兩者應(yīng)該可以等效使用。幾何密度法或ISO法都可以應(yīng)用于UO2芯塊熱穩(wěn)定性試驗(yàn)密度測定及判定。

參考文獻(xiàn)

[1]標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及其應(yīng)用技術(shù).中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[2]ISO 9278Nuclear energy-Uranium dioxide pellets-Determination of density and volume fraction of open and closed porosity.

[3]ISO 15646Re-sintering test for UO2, (U,Gd)O2 and (U,Pu)O2 pellets.

中圖分類號O6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1674-6708（2015）155-0065-02