[发明专利]一种基于纳米二氧化铀或其复合物的燃料芯块的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于纳米二氧化铀或其复合物的燃料芯块的制备方法，包括以下步骤，步骤一：将纳米二氧化铀或其复合物粉末置于尼龙球磨罐中，添加1‑2倍质量的酒精及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70‑100℃条件下烘干，得到烘干粉；步骤二：将烘干粉进行无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结或闪烧，保温保压结束后随炉冷却，加工成型，即得到燃料芯块。本发明制备得到的燃料芯块，具有高熔点、高导热、抗辐照性能好、裂变气体容纳能力强、力学性能优异的特点，可作为核电站的新型核燃料。

技术领域

本发明涉及一种基于纳米二氧化铀或其复合物的燃料芯块的制备方法。

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。

针对上述问题，将UO₂进行纳米化并将其与高热导率物质复合，制备新型纳米复合燃料芯块可以同时提高其热物理性能、力学性能和裂变气体容纳能力，从而提升反应堆的安全性。

发明内容

本发明拟通过制备纳米UO₂材料及其复合材料燃料芯块，从而提高燃料芯块的热物理性能、力学性能和裂变气体容纳能力，从而提升反应堆的安全性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于纳米二氧化铀或其复合物的燃料芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤一：将纳米二氧化铀或其复合物粉末置于尼龙球磨罐中，添加1-2倍质量的酒精及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70-100℃条件下烘干，得到烘干粉；

步骤二：将烘干粉进行无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结或闪烧，保温保压结束后随炉冷却，加工成型，即得到燃料芯块。

具体的说，所述步骤二中，当烘干粉进无压烧结时，其步骤为：将烘干粉在100-400Mpa条件下模压成型，得到燃料芯块素坯，再将燃料芯块素坯置于氢气或其他气氛保护下的气氛烧结炉中，在压强为10-50Mpa条件下，首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温0.5～2h，再以1-10℃/min的速率升温至1300-1800℃，保温1-5h。

具体的说，所述步骤二中，当烘干粉进热压烧结时，其步骤为：将烘干粉置于石墨模具中，在氢气气氛下抽真空至5×10^-2-5×10^-1Pa，在20-100MPa的烧结压力条件下，以1-20℃/min的速率升温至1300-1800℃并保温1-4h。

具体的说，所述步骤二中，当烘干粉进放电等离子体烧结时，其步骤为：将烘干粉置于石墨模具中，抽真空至5×10^-2-5×10^-1Pa，之后充氩气至10-60kPa；在20-100MPa的烧结压力条件下，以50-1000℃/min的速率升温至1200-1800℃，并保温1-30min。