球磨時間對快堆MOX粉末攪拌球磨效果的影響①

　，，　，

(中核四0四有限公司　甘肅　蘭州　732850)

MOX燃料廠是銜接后處理廠和核電站的重要環節，開展MOX燃料研究是實施核燃料閉式循環戰略的必然要求，并有利于推動快堆技術的發展[1]。國外多年MOX燃料研制經驗表明，干法處理雖然可以減少廢液的排放，但存在钚分布均勻度不佳的缺點，因此，為保證MOX燃料在堆內的安全服役，應加強對球磨工藝的研究，改善钚元素分布的均勻性[2]。

1　攪拌球磨影響因素

國外先進MOX燃料制造廠大多采用攪拌球磨方式進行物料均質化及破碎處理，我國也自主研制了攪拌球磨裝置。影響攪拌球磨效果的因素較多，各因素的具體影響如下。

1.1　磨球的影響

磨球對球磨的影響主要包括磨球材質和尺寸兩方面。課題組前期實驗結果表明，瑪瑙材質磨球韌性較差，在球磨過程中出現破碎現象，經過比對實驗，最終選擇氧化鋯材質的磨球。

1.2　球料比的影響

磨球能量隨球料比的增大而升高，球磨效率高。過大的磨球物料比會加劇磨球的磨損，導致雜質增多。課題組前期模擬實驗確定的球料比為1∶1。

1.3　攪拌轉速的影響

轉速過低，磨球具備的能量較低，破碎效果不佳；磨球的損耗隨球磨轉速的升高而增大，并對設備長期穩定運行不利。

1.4　球磨時間的影響

球磨初始階段，粒度隨著時間的增長而減小，均勻度則相應提高。球磨一段時間后，粒度和均勻度變化不大。

據此，本課題組計劃在前期模擬實驗和少量熱實驗的基礎上，通過采用MOX混合粉末開展不同工藝條件的球磨實驗，研究球磨時間對MOX混合粉末粒度、钚分布均勻度的影響，為MOX燃料芯塊的工業化生產提供實驗依據。

2　實驗設備與材料

2.1　實驗設備

本實驗選用自主研發的立式攪拌球磨裝置進行球磨處理，其結構如圖1所示。

圖1　立式攪拌球磨裝置示意圖Fig.1　The schematic of vertical stirring ball milling device

該球磨裝置最高轉速為1500 r/min，球磨罐容積為2 L。

2.2　實驗材料

選用UO2和PuO2原料粉末(簡稱X粉末)，以及經煅燒處理重新使用的MOX粉末(簡稱Y粉末)進行球磨處理，兩種粉末的主要區別為粒度大小，具體數據如表1所示。

表1　實驗所用粉末的粒度檢測結果Table 1　The test results of particle size of the powder used in the experiment

3　實驗方案與檢測方法

結合前期球磨后處理經驗，選定前期實驗確定的X粉末600 r/min轉速，Y粉末800 r/min的球磨轉速，分別在不同球磨球磨時間下進行球磨處理，具體工藝參數如表2所示。

表2　球磨工藝參數Table 2　The parameters of ball milling process

采用激光粒度儀測量粉末的中位粒度，粒度控制指標為<1 μm，采用庫侖儀定量分析混合粉末中钚元素含量，計算差異系數，分析钚分布的均勻度[3]，均勻度控制指標為≥98%。

4　實驗過程及結果分析

4.1　對粒度的影響

圖2是X粉末在600 r/min轉速下，粒度隨球磨時間變化的曲線。

圖2　X粉末粒度與球磨時間的關系Fig.2　The relationship between particle size and milling time of X powder

由圖2可以看出，對于X粉末，在球磨前2.5 h，粒度逐漸減?。划斍蚰?.5 h時，粒度基本不再減小，粉末粒度為0.86 μm；2.5 h之后，球磨時間增長，產品的粒度略有增大，當球磨3 h時，粉末粒度為1.03 μm。

圖3為Y粉末粒度與球磨時間的關系。

圖3　Y粉末粒度與球磨時間的關系Fig.3　The relationship between particle size and milling time of Y powder

由圖3可知，在球磨前期隨著球磨時間的增長，粒度減小，當球磨3 h時，粒度獲得最小值0.89 μm；當球磨3.5 h時，粉末粒度反常增大，粒度為1.04 μm。

當粉末粒度較大時，粉末破碎相對容易。當粉末逐步減小時，破碎所需的能量逐步提高。大粒徑粉末缺陷數量較多，球磨初期時，雖然粒徑較大的粉末破碎所需的表面能較高，但單位質量的顆粒破碎所需的能量較低，因而破碎速度較快。隨著粉末破碎程度加深，單位質量的破碎能逐步升高，導致球磨后期粒度減小趨勢降低。球磨時間過長，粒度增大[4]。粉末比表面積隨粒度的減小而增大，當粒度足夠小時，粉末會自發團聚，在達到極限粒度后，粉末粒度會增大[5]。

4.2　對钚分布均勻度的影響

對不同球磨處理后的MOX混合粉末均勻度進行檢測，結果如表3所示。

表3　不同時間球磨后MOX粉末的均勻度

從整體上看，隨球磨時間的增長，MOX混合粉末中钚分布均勻度升高，當球磨時間大于2.5 h后，均勻度變化趨于穩定。

當球磨時間較短時，球磨過程中輸入的總能量較少，顆粒破碎效果不夠充分，因此粉末中钚分布不夠均勻；增長球磨時間，钚分布均勻度提高；當球磨時間過長時，粉末達到破碎極限，粉末中钚分布均勻度變化趨于穩定。

綜上，對于X粉末，在600 r/min攪拌轉速下合理的球磨時間為2.5 h；適用于Y粉末的球磨工藝為800 r/min球磨3 h。

經后期MOX芯塊研制工作驗證，改變磨球材料和尺寸、球料比三個實驗參數情況下，可制備出粒度和均勻度均符合要求的快堆MOX粉末，球磨處理效率較高，球磨效果達到國際MOX粉末球磨處理的先進水平。采用上述球磨工藝處理制備的MOX混合粉末進行后續制粒、壓制、燒結處理，能夠研制出合格的快堆MOX燃料芯塊。

5　結論

本文在前期確定的攪拌轉速基礎上，開展了球磨時間對攪拌球磨處理效果的研究工作，確定了適用于不同物料的球磨工藝參數，具體結論如下：

1)在合理的轉速和球磨時間范圍內，增長MOX粉末的球磨時間，粒度呈現減小的趨勢，钚分布均勻度逐步提高；當球磨時間過長時，粉末會自發團聚，粒度增大；

2)在現有實驗條件下，合理的球磨工藝為：對于X粉末，在600 r/min轉速下，球磨2.5 h；對于Y粉末，以800 r/min的轉速處理3 h。