在线测试包覆燃料颗粒镀层密度的方法

清华大学正在建造的10 MW高温气冷堆(HTR-10)采用球型燃料元件。球型燃料元件是以包覆燃料颗粒弥散在石墨基体中压制而成。燃料颗粒的镀层密度是影响包覆颗粒质量的关键指标。因此,准确及时地在线检测包覆燃料颗粒镀层的密度,对于保证高温气冷堆燃料颗粒的质量起着重要作用[1]。

对包覆燃料颗粒镀层密度的测量国内外已有大量的研究工作[2,3],但是常规的测量方法不能满足生产的需要,特别是在连续包覆4种镀层时,需要在线取样、及时测量各项性能数据,才能保证得到合格的产品。随着包覆燃料颗粒研究工作的进展,测量包覆层密度的方法也必须不断改进。为此,目前研究并建立起一套满足实际生产需要的在线快速测试密度的方法,包括填装法、尺寸—质量法、比重瓶法和重液悬浮法。在工艺研究及实际生产中需要针对包覆燃料颗粒各种镀层的不同特点选用其中适当的方法。本文介绍了这些在线性能测试方法和适用的范围,简要地讨论了测量误差。

1　测试样品

在直径为0.5 mm的UO2微球上用化学气相沉积方法生成由不同密度、不同厚度的4种镀层组成的包覆燃料颗粒。包覆后的颗粒最大直径小于1 mm。为了保证高温气冷堆安全运行,对包覆燃料颗粒4个镀层的厚度和密度都有严格的要求。其设计指标密度ρ,厚度d列于表1。

　　由上述可见,要准确、快速地测出如此微小颗粒上几十微米厚的镀层的密度是一件非常困难的工作。常规的方法往往不能满足生产中在线控制质量的要求。对于不同性能的镀层,测试方法也应不同。用填装法、比重瓶法测试镀层密度时是把全炉颗粒都放在一起测量;而尺寸—质量法和重液悬浮法只需测量少数样品,但必须按照规定的取样方法进行抽样,才能保证测量结果可靠。

2　测试方法

2.1　填装法

填装法是用测量包覆前后的体积、质量变化来确定一炉包覆颗粒镀层的平均密度。由于包覆燃料颗粒的尺寸要求比较严格,在工艺稳定的条件下,颗粒的球形度较好。在相同的松装条件下,包覆前后颗粒的堆垛状态相同,则颗粒堆垛的致密度K相同。堆垛致密度K为颗粒真体积和颗粒松装体积之比,可由试验测定。这样,在不振动、不加压的规定条件下,将包覆燃料颗粒以自由流动的方式装入精密量筒测得其包覆前后的松装体积,用精密天平测出包覆前后颗粒的全炉质量,就可计算出包覆镀层的密度。计算公式为

式中:ρ为包覆燃料颗粒镀层平均密度(g·cm-3);m0,m1分别为包覆前、后全炉颗粒质量(g);V0,V1分别为包覆前、后全炉颗粒松装体积(cm3);K为包覆燃料颗粒堆垛致密度。