[发明专利]一种包覆燃料颗粒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及核燃料元件领域，具体涉及一种包覆燃料颗粒及其制备方法。

背景技术

具有固有安全性的高温气冷堆是第四代先进反应堆堆型之一，其安全性的第一道保障为使用了全陶瓷的包覆燃料颗粒。燃料颗粒的包覆层由内而外依次为疏松热解炭层，内致密热解炭层，碳化硅层，外致密热解炭层，这种包覆结构可以有效的将裂变产物束缚在包覆颗粒内部，保障反应堆在正常工况尤其是事故条件下的安全性。在以上多层包覆结构中，碳化硅层是承受裂变产物内压及阻挡裂变产物扩散的关键层。在碳化硅层的失效模式中，由内压引起的压力壳式破损是其主要的破损形式，内压的产生主要来自于储存在疏松热解炭层中的气体裂变产物。在广泛使用的以二氧化铀为核芯的包覆颗粒中，疏松热解炭层会和裂变后产生的自由氧反应形成CO，CO气体的产生使内压增大，提高了压力壳破损的可能性。此外，疏松热解炭层和二氧化铀核芯发生碳热还原反应可以引起核芯的迁移，同样能够增加碳化硅层的破损几率。

辐照试验表明，以疏松热解炭层为最内层的设计在一定的温度和燃耗范围内具有较大的安全余量，但是未来超高温气冷堆需要更高的运行温度和更高的燃耗，这就需要进一步优化包覆燃料颗粒结构，使其能够在更严苛的条件下保证燃料颗粒的固有安全性。此外，最初用于高温气冷堆的包覆颗粒形式正逐步用于气冷快堆，熔盐堆，压水堆等新的堆型，这也需要对现有的包覆结构进行优化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有的包覆燃料颗粒在更高的运行温度和更高的燃耗条件下破损率会显著提高的缺陷，本发明提供一种新型的包覆燃料颗粒。

(二)技术方案

本发明所述包覆燃料颗粒，其结构为，陶瓷燃料核芯及在所述核芯外依次包覆的疏松碳化硅层、内热解炭层、致密碳化硅层和外致密热解炭层。

本发明中，所述疏松碳化硅层的密度为0.8～2.6g/cm³，所述疏松碳化硅层的厚度为30～150μm。低密度碳化硅含有大量气孔，可以有效的储存核裂变产生的气体产物，防止后面的包覆层出现压力壳式破损，其密度越小，厚度越大，能够储存的气体产物越多。

本发明中，所述疏松碳化硅层的制备方法为选择甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷或三甲基一氯硅烷为前驱体材料，以氩气或氢气为载带气体，以氩气、氮气或二者任意比例的混合气为流化气体，在温度1400℃～1560℃的条件下对燃料核芯进行包覆，包覆时间为5～40min，所述载带气体与所述流化气体的流量比为1～5。载带气体量较高可以增大前驱体的浓度，促进碳化硅快速形核，得到疏松多孔结构。

本发明中，所述疏松碳化硅层的由甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷或三甲基一氯硅烷裂解制得。

本发明中，所述陶瓷燃料核芯的物质组成为氧化铀、碳化铀和氮化铀中的一种或几种的混合物，所述陶瓷核芯为直径100～1200μm的圆球。

本发明中，所述内热解炭层由乙炔或丙烯裂解得到，其厚度为20～120μm，其结构为致密热解炭层或内层疏松外层致密的复合热解炭层。内热解炭层将疏松碳化硅层与致密碳化硅层隔离，可防止裂变产物直接与致密碳化硅接触，降低致密碳化硅层的破损率。

本发明中，所述致密碳化硅层由甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷或三甲基一氯硅烷裂解得到，其密度为3.18～3.20g/cm³，厚度为30～60μm。致密碳化硅层可以有效阻挡裂变产物，为燃料颗粒提供结构支撑。

本发明中，所述外致密热解炭层由丙烯裂解得到，其厚度为20～50μm。外致密热解炭层为环境保护层，将致密碳化硅层与外界环境隔离。

本发明中，所述包覆燃料颗粒优选为：以陶瓷燃料为核芯，在所述核芯外依次包覆疏松碳化硅层、内热解炭层、致密碳化硅层和外致密热解炭层。所述陶瓷燃料核心的物质组成为氧化铀、碳化铀和氮化铀中的一种或几种，所述陶瓷核芯为直径300～800μm的圆球；所述疏松碳化硅层由甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷或三甲基一氯硅烷裂解得到；所述疏松碳化硅层的密度为1.0～2.2g/cm³，所述疏松碳化硅层的厚度为70～120μm。内热解炭层的由乙炔或丙烯裂解得到，其厚度为30～80μm，其结构为致密热解炭层或内层疏松外层致密的复合热解炭层。所述致密碳化硅层由甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷或三甲基一氯硅烷裂解得到，其密度为3.18～3.20g/cm³，厚度为30～60μm。所述外致密热解炭层的物质组成为丙烯，其厚度为20～50μm。