[发明专利]一种UO2和U3Si2复合燃料芯块及其制备方法和用途

权利要求书

1.一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块的制备方法，其特征在于：所述复合燃料芯块包括UO₂和U₃Si₂，所述U₃Si₂为三维网格结构，并与UO₂形成互穿网络结构，所述U₃Si₂由金属铀与硅反应生成，所述硅的质量为UO₂的5～15wt.％；所述制备方法为采用高温熔融渗透反应法，首先利用加热易挥发物质作为造孔剂，与UO₂粉末和硅粉末烧结制得UO₂和Si多孔渗透基体；再将所述多孔渗透基体与纯铀渗料在高温状态下反应，生成具有互穿网络结构的UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块；具体包括以下步骤：

步骤1：将UO₂粉末、硅粉末、造孔剂草酸铵和润滑剂混合均匀，得到UO₂混合物粉末；

步骤2：将所述混合压制成预压坯，然后破碎成颗粒，再将其装入球化设备中，添加润滑剂，进行自研磨球化混合，得到球形度良好的UO₂混合物小球；

步骤3：将所述UO₂混合物小球压制成芯块素坯后，装入高温气氛烧结炉，在氩气保护气氛下进行低温预烧，得到UO₂和Si多孔渗透基体；

步骤4：将所述UO₂和Si多孔渗透基体置于高温熔渗炉内，保持一个端面与纯铀渗料充分接触，在氩气气氛保护下进行高温熔融渗透反应烧结，得到互穿网络结构的UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块。

2.根据权利要求1所述的一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，UO₂粉末的粒径为100nm～200μm，所述硅粉末的粒径为5～200μm，所述硅粉末的质量为UO₂粉末的5～15wt.％，所述造孔剂为草酸铵，其质量为UO₂粉末的0.1～6wt.％；所述润滑剂为硬脂酸锌，其质量为UO₂粉末的0.1～0.5wt.％；所述混合的时间为6～24小时。

3.根据权利要求2所述的一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块的制备方法，其特征在于：所述步骤2中预压坯的密度为4.5～6.5g/cm³，所述颗粒的粒径为0.5～2mm，所述润滑剂为硬脂酸锌，其质量为所述颗粒总质量的0.1～0.5wt.％，所述混合的时间为0.5～6小时。

4.根据权利要求3所述的一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，芯块素坯的密度为5～6.5g/cm³；所述低温预烧的预烧温度为600～1000℃，保温时间为0.5～6小时；所述多孔渗透基体的孔隙率20～50％。

5.根据权利要求4所述一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块的制备方法，其特征在于：所述步骤4中高温熔融渗透反应烧结的最高烧结温度为1150～1350℃，保温时间0.5～8小时。

6.权利要求1-5任意一项所述的UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块在商用核反应堆作为核燃料的用途。