[发明专利]一种含钴包覆颗粒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于颗粒设计和材料制备领域，具体涉及一种用于示踪的含钴包覆颗粒及其制备方法。

背景技术

能源是推动社会经济发展的物质原动力之一，目前占据主导地位的化石能源在使用过程中引发了诸如大面积持续雾霾污染等大量环境问题，因此，建立科学合理的能源结构和开发新能源等问题变得越来越迫切。作为清洁能源的核能，其研究和应用也正处于一个新的发展阶段。核电站的运行离不开核燃料元件，目前根据堆型的不同，形式各异的燃料元件被源源不断的设计出来。对于同一堆型，其燃料元件设计参数可以改变，但其外观结构型式是相同的，这就需要一定的技术手段对不同的燃料元件进行区分。尤其对于新型燃料元件，为了验证其堆内使用性能，往往需要设计不同丰度或不同质量的核燃料装量以实现最优的发电效率，如何区分不同参数的燃料元件成为了一个亟待解决的问题。

反应堆内部为高放射性环境，一般的区分方法难以进行操作。利用⁵⁹Co在中子辐照环境中会变成⁶⁰Co，通常回路上都会安装伽马谱仪用于燃耗检测，而⁶⁰Co的特征伽马谱可以被很好的检测出来，因此可以利用此种方法进行反应堆中不同燃料元件的区分。

发明内容

针对本领域存在的问题，本发明的目的是提出含钴包覆颗粒的核芯和包覆层设计，从而提出一种含钴包覆颗粒。

本发明的另一目的是提出含钴包覆颗粒的制备方法。

本发明的第三个目的是提出所述含钴包覆颗粒的应用。

实现本发明目的的技术方案为：

一种含钴包覆颗粒，所述含钴包覆颗粒具有多层结构，其核芯为含钴的陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒是以氧化物或碳化物为基体，钴或钴的氧化物分散在碳化物或氧化物基体中，核芯尺寸为200～900μm，核芯含钴质量分数为0.1％～35％；从核芯向外依次为低温包覆碳化硅层、内层热解炭层、高温碳化硅层和外层热解炭层。

进一步地，所述陶瓷颗粒是以碳化物为基体，钴分散在碳化物基体中，钴在陶瓷颗粒中质量分数为1～20％；或，所述陶瓷颗粒是以氧化物为基体，钴的氧化物分散在氧化物基体中，钴元素在陶瓷颗粒中质量分数为1～20％；

所述氧化物为高温烧结可成颗粒状物质，例如氧化锆、氧化铝、氧化钛中的一种或多种；所述碳化物为高温烧结可成颗粒状物质，例如碳化钛、碳化钽、碳化钨中的一种或多种。

优选地，所述低温碳化硅层的厚度为10～90μm，内层热解炭层的厚度为20～120μm，高温碳化硅层的厚度为20～90μm，外层热解炭层的厚度为20～100μm。所述内层热解炭层和外层热解炭层互相独立地为致密热解炭层、疏松热解炭层、内层疏松外层致密的复合热解炭层中的一种。

热解炭因密度不同而分为疏松和致密热解炭。疏松热解炭的密度小于1.1g/cm³，致密热解炭的密度一般为1.8～2.0g/cm³。功能方面，疏松热解炭层主要吸收核芯颗粒的肿胀和及储存核芯产生的气体。内致密热解炭为SiC的沉积提供良好界面，外致密热解炭保护颗粒免受外界环境的影响。先后包覆的次序可决定复合热解炭层是内层疏松外层致密的或是相反，但根据实际需求，本发明中设计的复合热解炭层是内层为疏松热解炭层、外层为致密热解炭层的结构。

其中，所述低温碳化硅层为氯化硅烷在1200～1450℃下通过化学气相沉积得到；所述高温碳化硅层为氯化硅烷在1550～1650℃下通过化学气相沉积得到。低温SiC区别于高温SiC，这里为防止包覆过程钴的溢出，最内层SiC包覆温度较低。

氯化硅烷是指甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷或三甲基一氯硅烷。

本发明提出的含钴包覆颗粒的制备方法，包括步骤：

1)流化床反应器在氩气气氛下加热至1000～1200℃，放入含钴的陶瓷颗粒；

2)流化床反应器加热至1200～1450℃，以甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷或三甲基一氯硅烷中的一种为前驱体原料，加热为蒸汽，前驱体原料蒸汽以氢气为载带气体，通入到流化床反应器中，进行化学气相沉积得到低温碳化硅层，化学气相沉积进行的时间为1～6h；

3)将流化床反应器温度控制为1100～1400℃，通入乙炔或丙烯气体进行内层热解炭层的包覆；

4)将流化床反应器温度升至1500～1650℃，前驱体原料蒸汽以氢气为载带气体通入到流化床反应器中，进行化学气相沉积得到高温碳化硅层，化学气相沉积进行的时间为1～4h；