一种惰性基弥散芯块燃料及其制备方法和用途与流程

本发明涉及一种惰性基弥散芯块燃料及其制备方法和用途。

背景技术：

核电具有安全可靠、低碳清洁的特点，是未来全球能源结构的重要组成部分。目前世界各国正在积极推进核电建设，从而缓解能源危机，改善气候环境。日本福岛“311”核事故以后，传统uo2+zr合金燃料组件在事故状态下所暴露出来的安全隐患引发了各国的强烈关注。改进传统燃料组件，提升核燃料在事故状态下的安全性成为世界范围的研究热点。在此背景下，事故容错燃料(atf)的概念应运而生。atf是为了提高燃料元件抵抗严重事故下的性能而提出的新一代燃料概念，具体是指：与目前的uo2+zr燃料相变，能够在较长时间内抵抗冷却剂丧失事故、同时还能保持或提高其在正常运行工况性能的燃料系统。atf的热点研究方向之一为开发高导热、安全性能优异的燃料芯块。

imdp具有抗辐照性能优异、裂变气体包容性好、导热率高的特点，是一种安全性能极佳的燃料芯块。美国橡树岭国家实验室通过热压烧结法制备了以sic为惰性基体，以triso颗粒为燃料元件的致密imdp。然而热压烧结法烧结周期长，难以实现工业化大批量生产。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种惰性基弥散芯块燃料，该燃料具有抗辐照性能优异、裂变气体包容性好、导热率高、安全性能优异的特点；同时还提供了一种惰性基弥散芯块燃料的制备方法，该制备方法采用无压烧结的方法制备imdp，在实现致密化的同时大幅提高制备和生产效率，实现可工业化大批量生产的目的；进而还提供了惰性基弥散芯块燃料可用作核反应堆中水堆和融盐堆的燃料组件的用途。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种惰性基弥散芯块燃料，包括燃料区和包覆在所述燃料区外围的无燃料区保护层，所述燃料区包括惰性基体和均匀分布于所述惰性基体中的燃料元件，所述惰性基体为致密sic，所述燃料元件为triso包覆燃料颗粒，所述无燃料区保护层由sic制成。

进一步地，所述惰基和无燃保护层的致密度不小于96％。

进一步地，所述triso包覆燃料颗粒包括燃料核心和包覆在所述燃料核心外的四层保护层，所述四层保护层由内向外依次为疏松碳层、内层热解碳层、sic层和外层热解碳层；所述燃料核心为uo2、uc、uc2、un、u合金或其他核燃料中的一种或几种，并且所述uo2、uc、uc2、un、u合金或其他核燃料中²³⁵u富集度为2-20％，所述疏松碳层的密度为1.1g/cm³、厚度为95μm，所述内层热解碳层的密度为1.9g/cm³、厚度为40μm，所述sic层的密度为3.18g/cm³、厚度为35μm，所述外层热解碳层的密度为1.9g/cm³、厚度为40μm；所述triso包覆燃料颗粒的直径为500μm。

进一步地，所述triso包覆燃料颗粒占芯块燃料的体积分数为30-60％，所述无燃料区保护层的厚度为0.2-2mm。

一种惰性基弥散芯块燃料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备sic混合浆料和sic混合粉末；

步骤2：将所述sic混合浆料通过喷雾沉积法包覆在triso颗粒上；

步骤3：将包覆完sic的triso颗粒模压成形，得到燃料区素坯；

步骤4：将所述sic混合粉末模压成形，得到无燃料区素坯；

步骤5：将所述燃料区素坯和无燃料区素坯复合压制成imdp素坯；

步骤6：将所述imdp素坯于真空炉中进行无压烧结；

步骤7：将烧结坯机加成最终尺寸的芯块燃料。

具体地说，所述sic混合浆料的总质量百分含量之和按100％计，包括以下组份：80-96wt.％sic、1-8wt.％y2o3、1-10wt.％al2o3、0-8wt.％sio2和0.5-2wt.％聚乙烯亚胺；其中sic的粒径为10nm-50μm，y2o3的粒径为20nm-20μm，al2o3的粒径为10nm-30μm，sio2的粒径为10nm-50μm，聚乙烯亚胺的分子量为800-1800；

将上述组分置于尼龙球磨罐中，以上述组分的总质量计，添加1-2倍所述总质量的酒精混合，加入3倍所述总质量的氧化锆研磨球或氧化铝研磨球球磨24h得sic混合浆料；

将所述sic混合浆料干燥即得sic混合粉末。

具体地说，所述步骤2的操作温度为70～100℃；所述步骤3中模压的压制压力为20～60mpa，所得燃料区素坯为柱状；所述步骤4模压的压制压力为20～60mpa，所得无燃料区素坯包括上下盖和环状筒，厚度为2-4mm，与所述燃料区素坯的配合间隙为0.1-0.25mm；所述步骤5中复合压制的压力高于步骤3中模压的压制压力和步骤4中模压的压制压力。

具体地说，所述步骤5中复合压制的压力为60～80mpa。

具体地说，所述步骤6中，首先以5-10℃/min的速率升温至600℃并保温0.5-2h，进行脱脂处理，真空度10^-2-10pa，之后通以氩气保护，压强10-50kpa，以2-10℃/min的速率升温至1700-1900℃，保温1-5h，炉冷。

基于上述说明，本发明还提供了该惰性基弥散芯块燃料按照核反应堆中水堆燃料组件的尺寸或融盐堆燃料组件的尺寸加工成核燃料芯块的用途。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用sic、y2o3、al2o3、sio2和聚乙烯亚胺制备成sic混合浆料和sic混合粉末，将sic混合浆料通过喷雾沉积法包覆在triso颗粒上形成致密sic惰性基体从而制得燃料区素坯，将sic混合粉末模压成无燃料区素坯，再将燃料区素坯和无燃料区素坯复合压制成imdp素坯，之后将imdp素坯于真空炉中在高温下进行无压烧结，冷炉后将烧结坯按要求尺寸经过机械加工成水堆和融盐堆中的燃料组件；本发明采用无压烧结的方法制备imdp，在实现致密化的同时大幅提高制备和生产效率，有效实现工业化大批量生产的目的。

(2)本发明imdp主要成分包括30～60vol.％的triso颗粒、致密sic惰性基体以及无燃料区保护层，triso颗粒以uo2、uc、uc2、un、u合金或其他核燃料中的一种或几种为燃料核心，由内向外依次由疏松碳层，内层热解碳层，sic层和外部热解碳层组成；致密sic惰性基体与sic无燃料区保护层致密度高于96％，triso颗粒完整度保持良好，致密sic惰性基体与triso界面结合紧密，本发明imdp具有良好的导热性能和核抗辐照性能，足够的机械强度和优异的裂变气体包容性，相对于传统uo2芯块+zr合金的燃料组件，安全性得到了显著提升，可用于水堆和融盐堆中的燃料组件，具有广泛的工业前景。

附图说明

图1为本发明imdp结构示意图。

图2为本发明制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种惰性基弥散芯块燃料，包括燃料区和包覆在所述燃料区外围的无燃料区保护层，所述燃料区包括惰性基体和均匀分布于所述惰性基体中的燃料元件，所述惰性基体为致密sic，所述燃料元件为triso包覆燃料颗粒，所述无燃料区保护层由sic制成。

所述惰性基体和无燃料区保护层的致密度不小于96％，所述triso包覆燃料颗粒包括燃料核心和包覆在所述燃料核心外的四层保护层，所述四层保护层由内向外依次为疏松碳层、内层热解碳层、sic层和外层热解碳层；所述燃料核心为uo2、uc、uc2、un、u合金或其他核燃料中的一种或几种，并且所述uo2、uc、uc2、un、u合金或其他核燃料中²³⁵u富集度为2-20％，所述疏松碳层的密度为1.1g/cm³、厚度为95μm，所述内层热解碳层的密度为1.9g/cm³、厚度为40μm，所述sic层的密度为3.18g/cm³、厚度为35μm，所述外层热解碳层的密度为1.9g/cm³、厚度为40μm；所述triso包覆燃料颗粒的直径为500μm。

所述triso包覆燃料颗粒占芯块燃料的体积分数为30-60％，所述无燃料区保护层的厚度为0.2-2mm。

本发明imdp主要成分包括30～60vol.％的triso颗粒、致密sic惰性基体以及无燃料区保护层，triso颗粒以uo2、uc、uc2、un、u合金或其他核燃料中的一种或几种为燃料核心，由内向外依次由疏松碳层，内层热解碳层，sic层和外部热解碳层组成；致密sic惰性基体与sic无燃料区保护层致密度高于96％，triso颗粒完整度保持良好，致密sic惰性基体与triso界面结合紧密，本发明imdp具有良好的导热性能核抗辐照性能，足够的机械强度和优异的裂变气体包容性，相对于传统uo2芯块+zr合金的燃料组件，安全性得到了显著提升，可用于水堆和融盐堆中的燃料组件，具有广泛的工业前景。

如图2所示，本发明一种惰性基弥散芯块燃料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备sic混合浆料和sic混合粉末；

步骤2：将所述sic混合浆料通过喷雾沉积法包覆在triso颗粒上；

步骤3：将包覆完sic的triso颗粒模压成形，得到燃料区素坯；

步骤4：将所述sic混合粉末模压成形，得到无燃料区素坯；

步骤5：将所述燃料区素坯和无燃料区素坯复合压制成imdp素坯；

步骤6：将所述imdp素坯于真空炉中进行无压烧结；

步骤7：将烧结坯机加成最终尺寸的芯块燃料。

所述sic混合浆料的总质量百分含量之和按100％计，包括以下组份：80-96wt.％sic、1-8wt.％y2o3、1-10wt.％al2o3、0-8wt.％sio2和0.5-2wt.％聚乙烯亚胺；其中sic的粒径为10nm-50μm，y2o3的粒径为20nm-20μm，al2o3的粒径为10nm-30μm，sio2的粒径为10nm-50μm，聚乙烯亚胺的分子量为800-1800；

将上述组分置于尼龙球磨罐中，以上述组分的总质量计，添加1-2倍所述总质量的酒精混合，加入3倍所述总质量的氧化锆研磨球或氧化铝研磨球球磨24h得sic混合浆料；

将所述sic混合浆料干燥即得sic混合粉末。

所述步骤2的操作温度为70～100℃；所述步骤3中模压的压制压力为20～60mpa，所得燃料区素坯为柱状；所述步骤4模压的压制压力为20～60mpa，所得无燃料区素坯包括上下盖和环状筒，厚度为2-4mm，与所述燃料区素坯的配合间隙为0.1-0.25mm；所述步骤5中复合压制的压力高于步骤3中模压的压制压力和步骤4中模压的压制压力。

所述步骤5中复合压制的压力为60～80mpa，所述步骤6中，首先以5-10℃/min的速率升温至600℃并保温0.5-2h，进行脱脂处理，真空度10^-2-10pa，之后通以氩气保护，压强10-50kpa，以2-10℃/min的速率升温至1700-1900℃，保温1-5h，炉冷。

本发明采用sic、y2o3、al2o3、sio2和聚乙烯亚胺制备成sic混合浆料和sic混合粉末，将sic混合浆料通过喷雾沉积法包覆在triso颗粒上形成致密sic惰性基体从而制得燃料区素坯，将sic混合粉末模压成无燃料区素坯，再将燃料区素坯和无燃料区素坯复合压制成imdp素坯，之后将imdp素坯于真空炉中在高温下进行无压烧结，冷炉后将烧结坯按要求尺寸经过机械加工成水堆和融盐堆中的燃料组件；本发明采用无压烧结的方法制备imdp，在实现致密化的同时大幅提高制备和生产效率，有效实现工业化大批量生产的目的。

采用本制备方法制备的惰性基弥散芯块燃料最后按照核反应堆中水堆燃料组件的尺寸或融盐堆燃料组件的尺寸采用纯机械方法就可加工成水堆和融盐堆的燃料组件。

为了对本发明做进一步阐述，以下提供几个优选的实施方式。

实施例1：

步骤1：按如下规格和比例称取各粉末：sic，10nm，80wt.％；y2o3，20nm，8wt.％；al2o3，10nm，10wt.％；聚乙烯亚胺，分子量800，2wt.％。将上述粉末与等质量酒精混合，置入尼龙球磨罐中，研磨球采用氧化锆球，球料比3:1，球磨24h得到sic浆料。将该浆料等分，一份用于包覆triso颗粒；另一份在80℃烘干24h，过筛后获得sic混合粉末。

步骤2：将sic混合浆料通过喷雾沉积法包覆在triso颗粒上。将triso颗粒放置在震动器上滚动，并施以70℃的温度。采用步骤一中配制的sic浆料，通过喷雾发生器形成雾状浆料，将sic粉末沉积在triso颗粒表面。通过调整喷雾发生器的角度、张口尺寸、喷雾压力、流速等参数，调制适宜的雾化效果。通过包覆不同质量的sic混合粉末，可得到不同的triso体积分数。

步骤3：将包覆完sic的triso颗粒模压成形，得到燃料区素坯。根据燃料区尺寸要求进行模具设计，并在20mpa的压力下模压成形。

步骤4：将sic混合粉末模压成形，得到无燃料区素坯。无燃料区素坯包括上下盖和环状筒，厚度为2mm，与燃料区的配合间隙为0.1mm。根据具体无燃料区尺寸要求进行模具设计，在20mpa的压力下模压成形。

步骤5：将燃料区素坯和无燃料区复合压制成imdp素坯。根据具体尺寸设计模具，在60mpa的压力下模压成形。

步骤6：在真空炉中进行无压烧结。首先以5/min的速率升温至600℃并保温0.5h，进行脱脂处理，真空度10^-2pa。之后通以氩气保护，压强50kpa。以10℃/min的速率升温至1700℃，保温1h，炉冷。

步骤7：根据芯块尺寸要求，磨去多余的无燃料区，得到最终尺寸的芯块燃料。

实施例2：

步骤:1：按如下规格和比例称取各粉末：sic，50μm，96wt.％；y2o3，20μm，1wt.％；al2o3，30μm，1wt.％；sio2，10nm，1wt.％；聚乙烯亚胺，分子量1800，1wt.％。将上述粉末与两倍质量酒精混合，置入尼龙球磨罐中，研磨球采用氧化铝球，球料比3:1，球磨24h得到sic浆料。将该浆料等分，一份用于包覆triso颗粒；另一份在80℃烘干24h，过筛后获得sic混合粉末。

步骤2：将sic混合浆料通过喷雾沉积法包覆在triso颗粒上。将triso颗粒放置在震动器上滚动，并施以100℃的温度。采用步骤一中配制的sic浆料，通过喷雾发生器形成雾状浆料，将sic粉末沉积在triso颗粒表面。通过调整喷雾发生器的角度、张口尺寸、喷雾压力、流速等参数，调制适宜的雾化效果。通过包覆不同质量的sic混合粉末，可得到不同的triso体积分数。

步骤3：将包覆完sic的triso颗粒模压成形，得到燃料区素坯。根据燃料区尺寸要求进行模具设计，并在60mpa的压力下模压成形。

步骤4：将sic混合粉末模压成形，得到无燃料区素坯。无燃料区素坯包括上下盖和环状筒，厚度为4mm，与燃料区的配合间隙为0.25mm。根据具体无燃料区尺寸要求进行模具设计，在60mpa的压力下模压成形。

步骤5：将燃料区素坯和无燃料区复合压制成imdp素坯。根据具体尺寸设计模具，在80mpa的压力下模压成形。

步骤6：在真空炉中进行无压烧结。首先以10℃/min的速率升温至600℃并保温2h，进行脱脂处理，真空度10pa。之后通以氩气保护，压强10kpa。以2℃/min的速率升温至1900℃，保温5h，炉冷。

步骤7：根据芯块尺寸要求，磨去多余的无燃料区，得到最终尺寸的芯块燃料。

实施例3：

步骤:1：按如下规格和比例称取各粉末：sic，50μm，87.5wt.％；y2o3，20μm，2wt.％；al2o3，30μm，2wt.％；sio2，50μm，8wt.％；聚乙烯亚胺，分子量1800，0.5wt.％。将上述粉末与1.5倍质量酒精混合，置入尼龙球磨罐中，研磨球采用氧化铝球，球料比3:1，球磨24h得到sic浆料。将该浆料等分，一份用于包覆triso颗粒；另一份在80℃烘干24h，过筛后获得sic混合粉末。

步骤2：将sic混合浆料通过喷雾沉积法包覆在triso颗粒上。将triso颗粒放置在震动器上滚动，并施以85℃的温度。采用步骤一中配制的sic浆料，通过喷雾发生器形成雾状浆料，将sic粉末沉积在triso颗粒表面。通过调整喷雾发生器的角度、张口尺寸、喷雾压力、流速等参数，调制适宜的雾化效果。通过包覆不同质量的sic混合粉末，可得到不同的triso体积分数。

步骤3：将包覆完sic的triso颗粒模压成形，得到燃料区素坯。根据燃料区尺寸要求进行模具设计，并在25mpa的压力下模压成形。

步骤4：将sic混合粉末模压成形，得到无燃料区素坯。无燃料区素坯包括上下盖和环状筒，厚度为2mm，与燃料区的配合间隙为0.1mm。根据具体无燃料区尺寸要求进行模具设计，在25mpa的压力下模压成形。

步骤5：将燃料区素坯和无燃料区复合压制成imdp素坯。根据具体尺寸设计模具，在40mpa的压力下模压成形。

步骤6：在真空炉中进行无压烧结。首先以8/min的速率升温至600℃并保温1h，进行脱脂处理，真空度5×10^-2pa。之后通以氩气保护，压强30kpa。以5℃/min的速率升温至1800℃，保温3h，炉冷。

步骤7：根据芯块尺寸要求，磨去多余的无燃料区，得到最终尺寸的芯块燃料。

实施例4：

步骤:1：按如下规格和比例称取各粉末：sic，5μm，90wt.％；y2o3，5μm，3wt.％；al2o3，10μm，5wt.％；sio2，5μm，1.5wt.％；聚乙烯亚胺，分子量1800，0.5wt.％。将上述粉末与1.8倍质量酒精混合，置入尼龙球磨罐中，研磨球采用氧化铝球，球料比3:1，球磨24h得到sic浆料。将该浆料等分，一份用于包覆triso颗粒；另一份在80℃烘干24h，过筛后获得sic混合粉末。

步骤2：将sic混合浆料通过喷雾沉积法包覆在triso颗粒上。将triso颗粒放置在震动器上滚动，并施以90℃的温度。采用步骤一中配制的sic浆料，通过喷雾发生器形成雾状浆料，将sic粉末沉积在triso颗粒表面。通过调整喷雾发生器的角度、张口尺寸、喷雾压力、流速等参数，调制适宜的雾化效果。通过包覆不同质量的sic混合粉末，可得到不同的triso体积分数。

步骤3：将包覆完sic的triso颗粒模压成形，得到燃料区素坯。根据燃料区尺寸要求进行模具设计，并在30mpa的压力下模压成形。

步骤4：将sic混合粉末模压成形，得到无燃料区素坯。无燃料区素坯包括上下盖和环状筒，厚度为3mm，与燃料区的配合间隙为0.15mm。根据具体无燃料区尺寸要求进行模具设计，在30mpa的压力下模压成形。

步骤5：将燃料区素坯和无燃料区复合压制成imdp素坯。根据具体尺寸设计模具，在50mpa的压力下模压成形。

步骤6：在真空炉中进行无压烧结。首先以8/min的速率升温至600℃并保温1.5h，进行脱脂处理，真空度5pa。之后通以氩气保护，压强20kpa。以5℃/min的速率升温至1850℃，保温2h，炉冷。

步骤7：根据芯块尺寸要求，磨去多余的无燃料区，得到最终尺寸的芯块燃料。

本发明imdp具有抗辐照性能优异、裂变气体包容性好、导热率高、安全性能优异的特点，制备方法科学、工艺流程简单，采用无压烧结的方法制备imdp，在实现致密化的同时大幅提高制备和生产效率，可实现工业化大批量生产的目的，具备突出的实质性特点和显著进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。