[发明专利]一种新型弥散燃料及其制造方法

说明书

本发明属于反应堆燃料技术领域，具体涉及一种新型弥散燃料及其制造方法。一种新型弥散燃料，包壳包裹在柱状芯块外部，柱状芯块包括燃料区和无燃料层，无燃料层包裹在燃料区外部，燃料区包括TRISO颗粒和SiC基体，TRISO颗粒弥散于SiC陶瓷基体内。一种弥散燃料的制造方法，包括如下步骤：步骤1、制备柱状芯块生坯；步骤2、使制备SiC/SiC短纤维复合材料生带；步骤3、获得圆筒状无燃料区生坯；步骤4、制备成圆片状无燃料区生坯；步骤5、将柱状燃料区生坯置于圆筒状无燃料区生坯内，经热压烧结制备成柱状芯块；步骤6、对柱状芯块进行磨削加工，得到新型弥散燃料芯块。本发明能够解决现有技术中弥散燃料TRISO颗粒分布不合理及加工性能差的缺陷。

技术领域

本发明属于反应堆燃料技术领域，具体涉及一种新型弥散燃料及其制造方法。

背景技术

传统反应堆燃料元件由二氧化铀芯块堆叠于锆合金包壳内组成。目前随着燃耗提升和换料周期变长，在高燃耗下燃料元件性能下降，包括包壳腐蚀加剧、燃料裂变气体释放增加、内压变大等。由于包壳是裂变气体释放到一回路的唯一屏障，高燃耗运行提升了包壳破损进而导致放射性物质释放的风险，尤其是在事故工况下。

近年来，弥散燃料被用于高温气冷堆，即将TRISO颗粒弥散于石墨基体中。TRISO颗粒由燃料芯体外依次包覆疏松热解碳层、内部致密热解碳层(IPyC)、SiC层及外部致密热解碳层(OPyC)构成。鉴于此，国际上提出了将弥散燃料应用于水冷堆的概念，即将TRISO颗粒弥散于SiC基体内制备成燃料芯块，如图2所示。该燃料芯块的SiC基体及TRISO颗粒SiC包覆层均能起到裂变产物包容的作用，能有效限制裂变气体释放到芯块-包壳间隙，从而能够提高燃料棒的安全性，并增加燃料高燃耗运行潜力。

但以上弥散燃料芯块存在以下技术缺陷：

1)上述弥散燃料芯块外围也分布有TRISO燃料颗粒，甚至有一部分颗粒裸露于芯块表面，从而削弱了SiC基体作为第二道裂变产物屏障的功能，在事故工况下容易导致TRISO颗粒和基体分离，破坏芯块结构完整性；

2)烧结后的芯块尺寸一般不满足图纸要求，需要进行磨削加工。上述芯块在磨削时容易破坏分布于芯块外围的TRISO颗粒，甚至导致TRISO颗粒内部的燃料核芯裸露，从而导致芯块报废。

文献“Progress on matrix SiC processing and properties for fullyceramic microencapsulated fuel form.K.A.Terrani,J.O.Kiggans,C.M.Silva.Journalof Nuclear Materials 457(2015)9-17”介绍了两种无燃料保护层的制备方法：一为采用SiC粉末干压成套筒，之后与弥散燃料芯块热压烧结，然而由于烧结过程中TRISO颗粒向外迁移，使得芯块外围也存在燃料颗粒，无法起到保护作用；二为采用长SiC纤维编织体缠绕在芯块外侧，浸渍NITE-SiC悬浮液，之后一起热压烧结，在烧结过程中由于长SiC纤维的阻碍作用，TRISO颗粒不能发生迁移，可有效保护芯块，但是存在以下问题：1)长SiC纤维编织体价格昂贵，芯块成本高；2)长SiC纤维编织体烧结活性差，致密化困难，导致无燃料颗粒层(即保护层)致密度较低，对裂变气体包容力弱；3)长SiC纤维编织体与弥散燃料芯块性质差异较大，难以同步烧结，制备的燃料芯块内应力大，使用风险高。

发明内容

本发明解决的技术问题：本发明提供一种新型弥散燃料及其制造方法，能够解决现有技术中弥散燃料TRISO颗粒分布不合理及加工性能差的缺陷。

本发明采用的技术方案：

一种新型弥散燃料，包括柱状芯块和包壳，包壳包裹在柱状芯块外部，柱状芯块包括燃料区和无燃料层，无燃料层包裹在燃料区外部，燃料区包括TRISO颗粒和SiC基体，TRISO颗粒弥散于SiC陶瓷基体内。