高温气冷堆石墨基体燃料

高温气冷堆燃料元件是包覆颗粒燃料弥散在石墨基体中的全陶瓷型元件，它的基本组成单元是包覆颗粒燃料(图1)。高温气冷堆燃料元件有球形和棱柱状两种形式(图2)。高温气冷堆燃料元件的制造一般包括燃料芯核制备、燃料芯核包覆和元件制造三个步骤。

德国发展的球床高温气冷堆使用球形燃料元件。球形燃料元件的直径为60mm，燃料区的直径为50mm。球形燃料元件的制造采用橡胶模，冷半(准)等静压工艺，一般分石墨基体粉末制备、包覆颗粒"穿衣"、球芯预压、终压成型和热处理五道工序。

(1)石墨基体粉末制备:按一定比例，把天然石墨粉、人造石墨粉和黏结剂热塑性酚醛树脂(质量百分比分别为64%、16%和20%)混合，经混捏、干燥、粉碎和筛分等工序制得石墨基体粉末。

(2)包覆颗粒"穿衣":用糖衣机(一种药用机械)在包覆颗粒表面团聚一层100~200μm厚的石墨基体粉末。此工序的目的，一是使包覆颗粒在石墨基体中分布均匀，二是防止压制时包覆颗粒互相接触，以减少破损率。

(3)球芯预压:把"穿衣"过的包覆颗粒和石墨基体粉末混合，采用橡胶模半(准)等静压工艺，在较低压力(3MPa)下预压燃料为球芯。

(4)终压成型:采用橡胶模半(准)等静压工艺，在300MPa压力下把石墨基体粉末压制到球芯外面，成为球形燃料元件。再经X射线在线检验，并车削成半成品。

(5)热处理:包括在800℃ Ar气保护下使树脂焦化和在1900℃左右真空下除气与纯化。

美国通用原子公司(General Atomic Company，GA)发展的高温气冷堆采用此种元件。棱柱形燃料元件由一块六角石墨棱柱构成，高793mm，对边距360mm。它上面有204个孔道，其中72个是冷却剂通道，冷却剂通道周围有6个燃料孔道，内装燃料棒〔图2(b)〕。制造分混料、注塑成型、元件装配和热处理四道工序。

(1)混料:把包覆颗粒称量后放入金属模中形成颗粒床。

(2)注塑成型:把石墨粉(质量约占30%)和热塑性有机黏结剂(煤沥青或石油沥青)混合，在加热情况下注入颗粒床，制得燃料棒。

(3)元件装配:把燃料棒插入石墨棱柱块的燃料孔道内。石墨棱柱块由近各向同性石墨(H-451，IG-110)机加工制成。

(4)热处理:把装配好的棱柱块在1800℃碳化和除气。

德国根据球形燃料元件制造的经验，发展了单块棱柱形元件的整体压制工艺，即把预压成型的燃料棒插入预压成型的棱柱块的孔道内，然后整体压制。