[发明专利]掺杂碳化硼的燃料芯块及其制造方法

说明书

本发明公开了一种掺杂碳化硼的燃料芯块及其制造方法，制造方法包括：S1、根据质量百分比称取第一配方和第二配方各原料；S2、分别将第一配方和第二配方的原料与乙醇混合后，加入聚乙烯亚胺，球磨混合均匀，分别形成第一混料和第二混料；S3、取5‑20％的第一混料均匀混合在乙醇中形成浆料，将浆料喷洒在滚动的TRISO颗粒表面，烘干形成待压粉料；S4、将第二混料模压形成为管体素坯；S5、预先将待压粉料压制形成内核素坯，将内核素坯装配到管体素坯中，致密化烧结，制得掺杂碳化硼的燃料芯块；或者，将待压粉料置于管体素坯中，模压形成配合在管体素坯中的内核素坯，致密化烧结，制得掺杂碳化硼的燃料芯块。本发明提高燃料芯块中子经济性。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种掺杂碳化硼的燃料芯块的制造方法以及掺杂碳化硼的燃料芯块。

背景技术

核燃料能量密度高，CO₂等有害气体排放少，是解决目前石化资源紧缺和环境污染严重的重要手段，核能发电是清洁能源，核能的优势明显，核电能源比例不断增大，核能发电的地位越显突出，各国在不断的开发核能并建设新型核电站。然而，核能是利用铀等重金属元素裂变产生能量，裂变会形成具有一定放射性的裂变产物。因此，做好辐射防护和防止放射性产物泄露是核电安全的关键，也是开发核能的前提。在人类和平利用核能的道路上曾发生多起核放射性泄露事件，使得提升传统UO₂-Zr合金体系燃料组件的事故容错能力成为人们关注的焦点。

UO₂熔点高、辐照肿胀小，但热导率低，在深燃耗下裂变气体包容能力差。低热导率的UO₂芯块使得UO₂-Zr燃料体系在运行过程中产生较大的温度梯度，燃料棒中心温度达到1500℃以上。低热导率芯块的芯部温度高，裂变气体释放率大，且温度梯度使得芯块中产生热应力，降低了燃料元件的安全性。在失水事故工况条件下，芯块芯部温度越高，传热至燃料棒包壳的能量越多，芯块温度越高裂变气体释放量越大，增加了燃料棒包壳破损的风险，甚至引发堆芯熔化。因此，开发先进核燃料，研究高热导率、低裂变气体释放率的核燃料芯块是提高核反应堆燃料元件事故容错能力的关键。

惰性基弥散燃料芯块(Inert matrix dispersion fuel简称IMDP)是借鉴高温气冷堆燃料球技术，以TRISO微球为核燃料载体，TRISO微球弥散分布于SiC基体中，是事故容错燃料芯块的重要研究方向。IMDP芯块高热导率的SiC基体包覆TRISO微球，保护了TRISO微球的完整性，起着传导热量的重要作用，而TRISO微球的结构设计保证了芯块在深燃耗下抑制燃料芯块裂变气体的释放。IMDP核燃料芯块的SiC基体熔点高、热导率高，TRISO微球裂变气体释放率低，这些特点提升了IMDP燃料芯块的燃料元件的事故容错能力。

IMDP芯块是TRISO微球弥散分布于SiC基体中，其结构特点使得IMDP芯块的铀装量低，因此，在同等条件下IMDP芯块的²³⁵U富集度要高于UO₂芯块。然而，燃料芯块的²³⁵U的富集越高，核反应堆的初始反应性越强。为了展平初始反应性，美国橡树林国家实验室在燃料芯块中，添加了Gd₂O₃(氧化钆)或者Er₂O₃(氧化铒)可燃毒物，其中Gd₂O₃是以微球的方式加入，Er₂O₃是以粉末的方式加入SiC基体中。Gd₂O₃和Er₂O₃中子吸收截面大，燃料芯块的初始反应性降低明显，但它们存在以下缺点：

1、Gd、Er元素的可燃性低于B元素，其反应形成的嬗变元素有较大大的中子吸收截面，这些嬗变元素在燃料元件的服役中、后期吸收中子能力较强，降低了燃料元件的中子经济性；

2、添加的Gd₂O₃微球占据TRISO微球的位置，降低芯块中U装量；