[发明专利]一种铀硅碳三元化合物燃料芯块及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种铀硅碳三元化合物燃料芯块及其制备方法和用途，解决了现有技术中UO₂热导率导致的核反应堆安全性降低的问题。该制备方法首先通过将碳化铀粉末与金属硅粉末烧结得到连通孔隙分布均匀的碳化铀和硅复合多孔渗透基体，再利用高温熔融渗透反应，在高温下熔融U渗入所述碳化铀和硅复合多孔渗透基体后与UC和Si充分反应生成铀硅碳三元化合物燃料芯块。本发明的一种铀硅碳三元化合物燃料芯块在制成备核燃料中的用途。采用本发明方法制得的铀硅碳三元化合物燃料芯块，不仅具有显著高于传统二氧化铀燃料芯块的热导率，并且其热导率在高温和辐照环境下也不会迅速衰退，大幅提高了反应堆燃料系统的本质安全性能。

技术领域

本发明属于核燃料技术领域，具体涉及一种铀硅碳三元化合物燃料芯块及其制备方法和用途。

背景技术

二氧化铀(UO₂)的热中子俘获截面极低，熔点高达2800℃，在熔点以内只有一种结晶形态，且各向同性，没有金属铀各向异性带来的缺陷，辐照稳定性好，对冷却剂水的抗腐蚀性能好，与包壳材料有很好的相容性，是目前应用最广泛的商用核反应堆核燃料。然而UO₂也存在不足之处，其中最重要的就是热导率低。UO₂的导热系数仅为金属铀的十几分之一。在正常工况下，UO₂的这一缺陷容易引起芯块局部过热和影响芯块向冷却剂传热。在事故工况下，反应堆冷却系统失效，燃料芯块温度短时间内急剧升高，使金属Zr管包壳与水蒸气的氧化放热反应和释氢反应加剧、发生氢爆、包壳管破裂、芯块由于温度过高而熔毁，反应堆压力壳因内压过大而破损，最终导致放射性物质泄漏(R.O.Meyer，Nucl.Technol.，155，2006，293.)。UO₂热导率低的不足已经成为引发核泄漏事故的关键因素，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，提供一种核燃料，其具备高热导率高，高稳定性，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的之一在于针对以上不足，提供一种铀硅碳三元化合物燃料芯块，解决现有技术中UO₂热导率导致的核反应堆安全性降低的问题。

本发明的目的之二在于提供一种铀硅碳三元化合物燃料芯块的制备方法。

本发明的目的之三在于提供一种铀硅碳三元化合物燃料芯块的用途。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种铀硅碳三元化合物燃料芯块，所述铀硅碳三元化合物为四方晶体结构，其理论密度为10.94g/cm³，其原子比U:Si:C＝3:2:2～3。

本发明所述的一种铀硅碳三元化合物燃料芯块的制备方法，该制备方法首先通过将碳化铀粉末与金属硅粉末烧结得到连通孔隙分布均匀的碳化铀和硅复合多孔渗透基体，碳化铀为UC，金属硅为Si，再利用高温熔融渗透反应，在高温下熔融U渗入所述碳化铀和硅复合多孔渗透基体后再与UC和Si充分反应生成铀硅碳三元化合物燃料芯块。

进一步地，具体包括以下步骤：

步骤1：在所述UC粉末中添加Si粉末混合后，再添加粘接剂混合，得到UC和Si的混合粉末；

步骤2：将所述混合粉末装入粉末冶金模具中压制成UC和Si素坯；

步骤3：将所述UC和Si素坯装入气氛脱脂烧结炉，在氩气保护气氛进行脱脂和预烧，得到具UC和Si多孔基体；

步骤4：将所述UC和Si多孔基体置于高温熔渗炉内，保持一个端面与金属铀渗料充分接触，在氩气气氛保护下进行高温熔融渗透反应烧结，得到铀硅碳三元化合物燃料芯块。

进一步地，所述步骤1中，UC粉末中添加Si粉末混合6～24小时后，再添加粘接剂混合0.5～4小时。