球磨时间对快堆MOX粉末搅拌球磨效果的影响①

2018-07-11，，，

中国核电 2018年2期

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(中核四0四有限公司　甘肃　兰州　732850)

MOX燃料厂是衔接后处理厂和核电站的重要环节，开展MOX燃料研究是实施核燃料闭式循环战略的必然要求，并有利于推动快堆技术的发展[1]。国外多年MOX燃料研制经验表明，干法处理虽然可以减少废液的排放，但存在钚分布均匀度不佳的缺点，因此，为保证MOX燃料在堆内的安全服役，应加强对球磨工艺的研究，改善钚元素分布的均匀性[2]。

1　搅拌球磨影响因素

国外先进MOX燃料制造厂大多采用搅拌球磨方式进行物料均质化及破碎处理，我国也自主研制了搅拌球磨装置。影响搅拌球磨效果的因素较多，各因素的具体影响如下。

1.1　磨球的影响

磨球对球磨的影响主要包括磨球材质和尺寸两方面。课题组前期实验结果表明，玛瑙材质磨球韧性较差，在球磨过程中出现破碎现象，经过比对实验，最终选择氧化锆材质的磨球。

1.2　球料比的影响

磨球能量随球料比的增大而升高，球磨效率高。过大的磨球物料比会加剧磨球的磨损，导致杂质增多。课题组前期模拟实验确定的球料比为1∶1。

1.3　搅拌转速的影响

转速过低，磨球具备的能量较低，破碎效果不佳；磨球的损耗随球磨转速的升高而增大，并对设备长期稳定运行不利。

1.4　球磨时间的影响

球磨初始阶段，粒度随着时间的增长而减小，均匀度则相应提高。球磨一段时间后，粒度和均匀度变化不大。

据此，本课题组计划在前期模拟实验和少量热实验的基础上，通过采用MOX混合粉末开展不同工艺条件的球磨实验，研究球磨时间对MOX混合粉末粒度、钚分布均匀度的影响，为MOX燃料芯块的工业化生产提供实验依据。

2　实验设备与材料

2.1　实验设备

本实验选用自主研发的立式搅拌球磨装置进行球磨处理，其结构如图1所示。

图1　立式搅拌球磨装置示意图Fig.1　The schematic of vertical stirring ball milling device

该球磨装置最高转速为1500 r/min，球磨罐容积为2 L。

2.2　实验材料

选用UO2和PuO2原料粉末(简称X粉末)，以及经煅烧处理重新使用的MOX粉末(简称Y粉末)进行球磨处理，两种粉末的主要区别为粒度大小，具体数据如表1所示。

表1　实验所用粉末的粒度检测结果Table 1　The test results of particle size of the powder used in the experiment

3　实验方案与检测方法

结合前期球磨后处理经验，选定前期实验确定的X粉末600 r/min转速，Y粉末800 r/min的球磨转速，分别在不同球磨球磨时间下进行球磨处理，具体工艺参数如表2所示。

表2　球磨工艺参数Table 2　The parameters of ball milling process

采用激光粒度仪测量粉末的中位粒度，粒度控制指标为<1 μm，采用库仑仪定量分析混合粉末中钚元素含量，计算差异系数，分析钚分布的均匀度[3]，均匀度控制指标为≥98%。

4　实验过程及结果分析

4.1　对粒度的影响

图2是X粉末在600 r/min转速下，粒度随球磨时间变化的曲线。

图2　X粉末粒度与球磨时间的关系Fig.2　The relationship between particle size and milling time of X powder

由图2可以看出，对于X粉末，在球磨前2.5 h，粒度逐渐减小；当球磨2.5 h时，粒度基本不再减小，粉末粒度为0.86 μm；2.5 h之后，球磨时间增长，产品的粒度略有增大，当球磨3 h时，粉末粒度为1.03 μm。

图3为Y粉末粒度与球磨时间的关系。

图3　Y粉末粒度与球磨时间的关系Fig.3　The relationship between particle size and milling time of Y powder

由图3可知，在球磨前期随着球磨时间的增长，粒度减小，当球磨3 h时，粒度获得最小值0.89 μm；当球磨3.5 h时，粉末粒度反常增大，粒度为1.04 μm。

当粉末粒度较大时，粉末破碎相对容易。当粉末逐步减小时，破碎所需的能量逐步提高。大粒径粉末缺陷数量较多，球磨初期时，虽然粒径较大的粉末破碎所需的表面能较高，但单位质量的颗粒破碎所需的能量较低，因而破碎速度较快。随着粉末破碎程度加深，单位质量的破碎能逐步升高，导致球磨后期粒度减小趋势降低。球磨时间过长，粒度增大[4]。粉末比表面积随粒度的减小而增大，当粒度足够小时，粉末会自发团聚，在达到极限粒度后，粉末粒度会增大[5]。