[发明专利]一种UO2和U3Si2复合燃料芯块及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块及其制备方法和用途，解决了现有技术中UO₂热导率过低导致核燃料安全性降低的问题。该复合燃料芯块的U₃Si₂为三维网格结构，并与UO₂形成互穿网络结构。本发明采用高温熔融渗透反应法制备生成具有互穿网络结构的UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块。本发明的UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块在商用核反应堆作为核燃料的用途。本发明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下的性能，本发明方法工艺简单，操作简便，生产效率高，能够实现规模化的工业生产。

技术领域

本发明属于核燃料技术领域，具体涉及一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块及其制备方法和用途。

背景技术

二氧化铀(UO₂)是目前商用核反应堆应用最广泛的核燃料，具有优异的热、化学、辐照稳定性，以及高熔点、滞留固态裂变产物和阻挡气态裂变产物扩散能力强等优点。然而，依靠声子传热的特性导致其在高温和辐照条件下热导率急剧下降，热量导出能力迅速衰退。因此，目前的UO₂-Zr核燃料体系的使用温度只有700-1200℃。在事故状态下，反应堆冷却系统失效，堆内热量无法散去，堆芯温度迅速升高，金属Zr包壳在高温下与水蒸气的氧化放热反应和释氢反应加剧，短时间内释放出大量的热量和氢气，氢气在高温下发生爆炸、包壳管由于各种不良反应以及燃料芯块的变形挤压而发生破裂，芯块由于温度过高而熔毁，反应堆压力壳由于内压过大而损毁，最终导致放射性物质泄漏的核事故(R. O.Meyer，Nucl.Technol.，155，2006，293.)。历次核事故中放射性物质的泄漏都与反应堆堆芯温度过高，燃料棒熔毁直接相关。因此UO₂热导率过低的本征特性是引发核泄漏事故的关键因素之一。

因此，提供一种燃料芯块，相对于UO₂具有更优异的导热性能，热导率高成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述情况提供一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块，解决现有技术中UO₂热导率过低导致核燃料安全性降低的问题。

本发明的目的之二在于提供一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块在商用核反应堆作为核燃料的用途。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种UO₂和U₃Si₂复合燃料芯块，其特征在于：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.％。