陈晓香 廖 宾
（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜宾 644000）
【摘 要】UO2芯块是燃料组件的核心部件，UO2芯块的质量好坏对反应堆安全稳定运行，核电厂的安全性和经济性至关重要。UO2芯块的成品率高低，不仅影响金属铀的直收率，还影响产品芯块的质量。文章针对造成UO2芯块成品率和金属直收率低的原因进行调查和分析，并针对原因制订和实施了对策，达到了提高UO2芯块成品率的目的，产生可观的经济效益和社会效益。
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关键词 UO2芯块；成品率；直收率；生坯块；成型压机
燃料组件是反应堆的核心部件，其在堆内运行条件十分苛刻。UO2芯块是燃料组件的核心部件，UO2芯块的质量好坏对反应堆安全稳定运行，核电厂的安全性和经济性至关重要[1]。UO2芯块的成品率高低，不仅影响金属铀的直收率，还影响产品芯块的质量。
近年来随着公司产能的增加和200吨干法炉的投入使用，芯块制备的成品率小于85%（干法粉末制备芯块），芯块制备中金属铀的直收率一直维持在92%左右，总体水平偏低，较低的成品率和直收率导致废物料库存增加。
1 现状调查
1.1 制备芯块产生的废品增容量统计
我们对近几年制备UO2芯块产生的废品平均吨增容量进行了统计，见图2。
从图2中可以看出，2013年产生的废物料量最多，且2011-2013年的废品增加量明显高于2009-2010年度。2009-2010年芯块废品平均增容量为18kgU/吨，2011-2013年芯块废品平均增容量50kgU/吨。芯块生产中废物料的容量增加表明近几年芯块的制造水平有所下降。
经分析认为在干法粉末产量不断增加的情况下，粉末冶金车间对干法粉末（特别是200吨干法炉生产的粉末）适应性不好，造成芯块的成品率下降。因此导致芯块生产成品率和金属直收率不高的关键就是干法粉末制备芯块的成品率偏低。
1.2 分析废品组成，找出问题结症
我们统计了近三年芯块生产的成品率和金属直收率，统计情况见表1。
从表1中可以看出，近两年随公司200吨干法炉的投入使用，干法粉末制备芯块的产量迅速提高，而湿法粉末制备的芯块产量则逐步减少。湿法粉末制备的芯块成品率明显高于干法粉末制备芯块的成品率。为查找2013年干法粉末制备芯块成品率下降的主要原因，分析了2013年产量最大的2.4%富集度生产，2.4%富集度芯块生产粉末来源多样，既有200吨干法炉生产粉末的产品，也有100吨干法炉生产粉末的产品，还有湿法线生产的粉末产品。表2为各类型粉末生产芯块的产量及成品率情况。
2 原因分析
针对芯块掉块缺陷、掉盖缺陷以及磨削渣过多的原因进行讨论分析，整理出关联图2。
3 要因确认
我们对原因分析中的7条末端因素进行了要因确认。
3.1 粉末成型性能差
对影响生坯成型的干法及湿法粉末性能进行了比较，
结论：非要因
3.2 生坯块强度低
在芯块生产中对干法粉末制备UO2芯块和湿法粉末制备UO2芯块的生坯块强度进行了试验。实验表明湿法粉末制备的生坯块的强度是干法粉末制备生坯块强度的6倍。
结论：要因
3.3 压机出料轨道磨损
芯块成型压机的导轨定位孔是条形孔，当导轨产生磨损后，出料槽的尺寸会偏大，导致生坯块在出料时相互的挤压力增加，从而使生坯块表面产生破损。但操作人员一般会定期对出料槽的宽带进行检查，一旦发现出料槽尺寸偏大会通过调整定位孔进行调整。
结论：非要因
3.4 芯块尺寸偏小
通过对芯块的磨削尺寸进行调查发现，在实际生产中无论是湿法粉末还是干法粉末制备的芯块，在磨削过程中，磨削直径均控制在中值附近，芯块尺寸波动不大。
结论：非要因
3.5 生坯阴模尺寸偏大
干法及湿法粉末制备芯块的磨削余量，采用相同尺寸的阴模内孔尺寸，在相同的生坯密度条件下，干法粉末制备的芯块比湿法粉末制备的芯块烧结后尺寸偏大，直接降低了芯块的成品率。
结论：要因
3.6 生坯阴模磨损严重
芯块模具设计中需要确定是阴模脱模锥度。适宜的脱模锥度可使生坯块从模具中排出时保持均匀的应力释放，防止因弹性后效不均匀产生掉盖等缺陷。在脱模锥度确定后，我们对模具的内孔径进行了检查，通过对阴模内12个不同测量点检查发现，生坯阴模实测值为（10.098~10.115）mm，满足阴模尺寸10.10±0.05mm的要求。
结论：非要因
3.7 成型压机保压力设置不足
成型压机为保证生坯块在脱模的过程中脱模稳定，受力均匀，在生坯块的脱模阶段都使用脱模保压力来控制。目前车间的主要压机是比利时提供的R53系列压机，保压的方式有弹簧保压和气缸保压两种。我们分别对两种保压方式进行了调查。
①弹簧保压
弹簧保压的原理是在夹持冲头的上下夹具内放置一定数量的蝶形弹簧片，在芯块生坯成型的时候弹簧受压产生弹簧保压力，当生坯块在出模过程中弹簧力作用在生坯块的上下端面，并逐步释放，从而使生坯块的上下端面脱模过程应力受控，确保生坯块完整。
由于掉盖主要出现在芯块的上端，因此重点对上夹具的弹簧力进行了检查，发现该组弹簧是由76片组成，安装方式是单片面对面安装，安装的方式和数量都是完全满足设备操作手册的要求，该蝶形弹簧片也是原厂进口。但在压制了10吨的芯块后弹簧力出现一定的下降，经受力检测弹簧力为20kgf，无法满足30kgf的要求。
②气缸保压
气缸保压是采用了气缸取代弹簧作为保压的力源。压机上保压装置由5块气压头组成，每一个气压头都有一个气缸，在气泵向保压装置充压后，通过关闭阀门来保持气压的稳定。
对其检查后发现上保压系统出现漏气，它的气压下降速度较快，生产中压机上保压系统无法保持恒定的压力，在正常使用时，上保压装置的气压为3bar，在一次充气后仅过了10分钟气压就降至1bar，还不到10kgf。而且，该保压系统所有的气缸都是同一个压力，满足不了保压压力逐步释放的要求。
即现有压机保压系统无法满足芯块保压需要。
结论：要因
4 制定及实施对策
4.1 在芯块成型的过程中提高生坯块密度
4.1.1 提高生坯密度的试验
干法粉末之间的啮合不好，颗粒之间的结合力差，层与层之间结合不紧。通过不同密度生坯块的压溃试验证明，不同生坯密度的芯块生坯强度有显著差异。我们针对干法粉末制备UO2芯块提高生坯块密度进行了试验，3种不同生坯密度（5.8、5.9、6.0） g/cm3压制生坯块的压溃压力分别为266N、308N、393N，可见采用（5.9、6.0） g/cm3生坯密度制备的生坯块强度相对于5.8 g/cm3生坯密度制备的生坯块强度分别提高了16%和48%。
4.1.2 生产中提高生坯密度
生产中将干法粉末制备芯块的生坯块密度提高，提高前后生产的芯块掉块比例统计见表3。由表3可以看出，提高芯块的生坯密度对解决掉块的问题有显著作用。
4.2 成型压机阴模内孔直径的重新设计和加工
阴模孔直径的计算方法：（D+G）－（D+G）×C－Φ=△
式中：D——阴模孔直径，mm；
Φ——芯块名义直径，按中值8.192mm计算；
G——生坯块直径弹性后效值，按干法粉末压成生坯块5.90g/cm3密度，弹性后效的经验值为1%，即0.1mm；
C——生坯块烧结后的收缩率，按干法粉末压成生坯块5.90g/cm3密度的平均值18%；
△——磨削余量，取0.1mm。
将各数值带入计算后的结果为Φ10.01mm之间，最终选择的是Φ10.00mm的阴模，相对原有Φ10.10mm的阴模直径减少了0.1mm。
4.3 调整蝶形弹簧片数量
4.3.1 方案比较
经对弹簧保压力不足的问题讨论，认为弹簧的疲劳是一种渐变的趋势，我们可以通过增加弹簧片来增加弹簧力，即使蝶形弹簧片出现疲劳但仍然可以在较长时间保持在30kgf以上。拟定了两种方案，见表9。
4.3.2 方案实施
采用将确定的方案投入大规模生产中，并对成型压机生产的芯块进行了检查，没有发现因设备问题而造成的芯块掉盖缺陷。
4.4 成型压机气缸保压系统的改进
4.4.1 方案比较
对压机气缸保压系统进行改进，经讨论后形成两个对比方案，见表4所示。
4.4.2 方案实施
根据方案对比确定了最终方案。我们使用了3台三联体对5个上保压缸进行控制，并且实现了上保压力的梯级控制。在大规模生产应用中，我们对压机生产芯块进行了检查，没有发现因设备问题而造成的芯块掉盖缺陷。
5 实施效果检查
通过实施改进措施，2014年3月至11月生产的3.1%、1.8%、3.2%、2.6%、2.4%、3.4%及4.45%等7个富集度近430吨芯块，其中采用干法粉末的有3.1%、1.8%、2.6%、2.4%及4.45%富集度近365吨芯块。表5是今年3月以来各富集度芯块的生产情况统计。
5.1 芯块的成品率情况
5.2 芯块的金属直收率情况
由于衡算工作一般较晚，部分的富集度未完成衡算，但2.6%、3.1%和2.4%富集度的直收率均超过了93%，而且产出投入比都较好，多数富集度生产超过了1.00。
5.3 废物增容的控制情况
对2014年物料库存增量进行统计，可以看出知，今年芯块生产中不但没有增加废物量，反而减少了约10吨的废物料，取得很好的效果。
6 结论
（1）通过对造成UO2芯块成品率和金属直收率偏低的原因进行调查和分析，找出影响产品芯块成品率和金属直收率的主要原因，并针对其制订和实施了对策，达到了提高UO2芯块成品率和金属直收率的目的。产品芯块的成品率由84.79%提高到88.34%，提高了3.55%；芯块的金属直收率由92%提高到95.3%，提高了3.3%；
（2）在提高芯块生产的成品率和金属直收率的同时，减少了库存的废物料量，今年已累计减少废物料10余吨，相对去年同期减少废物料达20吨以上，产生的经济效益超过1000万元，取得了较好的经济效益和社会效益；
（3）产品芯块成品率和金属直收率的提高，保证了车间芯块生产任务的完成，提高了顾客对公司产品的满意度，保证了公司按时向各电站交付核燃料组件，为公司核品生产线整体水平的提升做出自己的贡献。
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参考文献
［１］陈宝山,刘承新,主编.轻水堆燃料元件[M].北京:化学工业出版社,2007,6:3.
［２］蔡文仕,舒保华,主编.陶瓷二氧化铀制备[M].北京:原子能出版社,1987.3:352-353.
［责任编辑：杨玉洁］