高精度实验室液压机和模具是建立核燃料芯块与其包壳之间初始间隙尺寸的主要机制。通过精确控制轴向压力和几何约束，这些设备决定了芯块的初始密度和物理尺寸，这些是延迟芯块-包壳相互作用（PCI）开始的关键因素。
核心要点 燃料棒的安全性依赖于一个特定的物理间隙，该间隙可作为热膨胀和肿胀的缓冲器。高精度压制设备对于制造符合这些严格几何公差的芯块至关重要，从而优化间隙设计并显著降低包壳破裂的风险。
间隙的关键作用
定义界面
在此背景下，液压机的首要功能是制造一个“生坯”（未烧结的芯块），该芯块在加热后会收缩至精确的直径。
此过程的目标是在燃料芯块和包壳之间形成一个特定的间隙，通常在60 至 85 微米之间。
缓冲热膨胀
在反应堆运行期间，燃料芯块会经历热膨胀和肿胀。
如果由于制造不精确导致初始间隙过小，芯块将过早地与包壳接触。高精度模具可确保间隙足够大，能够容纳这种生长而不会给容器壁带来应力。
控制芯块的几何形状和密度
管理烧结收缩
核燃料芯块的最终尺寸在很大程度上取决于其在高温烧结过程中的行为。
精密压机控制粉末的堆积密度，以最大程度地减少内部孔隙率。这确保了烧结过程中收缩速率的可预测性和一致性，从而生产出符合所需公差的最终产品。
消除内部梯度
轴向压力的均匀施加对于防止压缩粉末内部密度梯度至关重要。
如果压力施加不均匀，芯块在烧结过程中可能会翘曲、变形或开裂。变形的芯块会导致间隙尺寸不可预测，并在包壳上产生局部应力点，从而加速 PCI 失效。
理解权衡
传热与安全平衡
虽然较大的间隙有助于延迟 PCI，但它会带来热量传递方面的挑战。宽间隙会产生传热阻力，导致燃料温度升高，这实际上可能会引起进一步的肿胀。
因此，目标不仅仅是创建一个大间隙，而是创建一个精确的间隙。高精度设备使制造商能够达到狭窄的“金发姑娘”窗口，此时间隙足够小以实现传热，但又足够大以缓冲膨胀。
缺陷传播
压制阶段的不一致性之后无法修复。
低精度压机引入的微观缺陷或密度变化将在烧结过程中传播为宏观缺陷。这些结构弱点会损害燃料棒的完整性，无论初始间隙设计如何。
为您的目标做出正确选择
要在制造一致性和反应堆安全性之间取得最佳平衡，需要根据您的特定质量目标来选择设备。
- 如果您的主要关注点是延迟 PCI 的发生：优先考虑模具的几何精度，以保持间隙公差的上限（接近 85 微米），从而最大化膨胀缓冲。
- 如果您的主要关注点是热效率：专注于高精度压力控制，以最大化密度并最小化间隙（接近 60 微米），同时不冒立即接触的风险。
- 如果您的主要关注点是结构完整性：确保您的压机提供均匀的轴向压力，以消除导致翘曲和开裂的密度梯度。
压制阶段的精度是确保安全核燃料性能所需的可预测几何行为的唯一方法。
总结表：
| 受影响的因素 | 高精度压机/模具的作用 | 对 PCI 的影响 |
|---|---|---|
| 间隙尺寸 | 保持公差（60-85 μm） | 防止过早包壳接触 |
| 芯块密度 | 控制粉末堆积和孔隙率 | 准确预测烧结收缩 |
| 压力均匀性 | 消除内部密度梯度 | 防止翘曲和局部应力 |
| 热传递 | 实现狭窄的“金发姑娘”窗口 | 平衡膨胀缓冲与热流 |
| 结构完整性 | 最小化微观缺陷 | 降低包壳破裂风险 |
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参考文献
- Daniel de Souza Gomes. Uranium nitride and silicide composite fuels used to reduce fuel oxidation. DOI: 10.22533/at.ed.3174172421065
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
