[发明专利]一种二氧化铀/纳米金刚石核燃料芯块的快速制备方法及其产品有效

专利信息
申请号: 201810390509.X 申请日: 2018-04-27
公开(公告)号: CN108538409B 公开(公告)日: 2019-10-18
发明(设计)人: 程亮;张鹏程;高瑞;杨振亮;李冰清;褚明福;刘朋闯;严彪杰;段丽美;王志毅;刘徐徐;钟毅;黄奇奇 申请(专利权)人: 中国工程物理研究院材料研究所
主分类号: G21C3/62 分类号: G21C3/62;G21C21/02
代理公司: 成都九鼎天元知识产权代理有限公司 51214 代理人: 沈强
地址: 621700 四*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 二氧化铀 核燃料芯块 纳米金刚石 应用 快速制备 粉末冶金技术 粉末冶金领域 复合材料领域 三维网状结构 安全性要求 高温稳定性 导热性能 燃料芯块 稳定性能 有效解决 辐照 核燃料 热导率 陶瓷型 芯块 制备 核电站 能源 保证
【说明书】:

发明公开了一种二氧化铀/纳米金刚石核燃料芯块的快速制备方法及其产品,属于能源及复合材料领域,尤其是粉末冶金领域,目的在于解决现有的陶瓷型二氧化铀(UO2)芯块导热性能差,难以满足核电站安全性要求的问题。本发明应用粉末冶金技术制备具有三维网状结构的二氧化铀/纳米金刚石核燃料芯块,在改善二氧化铀核燃料的热导率的同时,保证了燃料芯块的高温稳定性和辐照稳定性能。采用本发明能够有效解决前述问题,大幅提升二氧化铀核燃料芯块的安全性,能够满足工业化大规模生产应用的需求,具有较高的应用价值和较好的应用前景,值得大规模推广和应用。

技术领域

本发明涉及能源及复合材料领域,尤其是粉末冶金领域,具体为一种二氧化铀/纳米金刚石核燃料芯块的制备方法。

背景技术

目前,商用轻水反应堆应用最为成熟的核燃料为陶瓷型二氧化铀(UO2),其具有如下诸多优点:非裂变组合元素氧的热中子俘获截面低、熔点高,在化学和结构方面具有较高的辐照稳定性,以及制造费用较低等。

然而,二氧化铀核燃料的显著缺点为导热性能差(300k 热导率为7.7 W/m.k),仅为金属铀的十几分之一。二氧化铀燃料芯块较差的导热性能直接影响核电站的安全性与经济性,而安全性与经济性事关核电产业的生存与发展,核燃料更是核电安全的关键和源头。2011年3月,日本福岛核电站事故的发生,从核安全角度揭露了二氧化铀核燃料低热导率的劣势。

为此,从根本上提高核反应堆安全性能,抵御严重事故,有效缓解事故后果,保护公众和环境免于大规模放射性污染,提高二氧化铀核燃料芯块的热导率,成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于:针对现有的陶瓷型二氧化铀(UO2)芯块导热性能差,难以满足核电站安全性要求的问题,提供一种二氧化铀/纳米金刚石核燃料芯块的快速制备方法及其产品。本发明应用粉末冶金技术制备具有三维网状结构的二氧化铀/纳米金刚石核燃料芯块,在改善二氧化铀核燃料的热导率的同时,保证了燃料芯块的高温稳定性和辐照稳定性能。采用本发明能够有效解决前述问题,大幅提升二氧化铀核燃料芯块的安全性,能够满足工业化大规模生产应用的需求,具有较高的应用价值和较好的应用前景,值得大规模推广和应用。

为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

一种二氧化铀/纳米金刚石核燃料芯块的快速制备方法,包括如下步骤:

(1)制备低密度多孔二氧化铀颗粒

将二氧化铀粉装入硬质合金模具中,进行冷压预成形后,脱膜,得到二氧化铀素坯;将得到的二氧化铀素坯研磨破碎后,过不同目数范围的金属筛网,得到低密度多孔二氧化铀颗粒;

(2)表面吸附

按配比将步骤(1)制备的低密度多孔二氧化铀颗粒、纳米金刚石粉装入反应器中,不加任何研磨介质和磨球,并负压保护,同时置于球磨机上低速旋转;该过程中,纳米金刚石粉吸附于二氧化铀颗粒表面,形成微胞结构颗粒;

(3)放电等离子体快速烧结致密化

将步骤(2)制备的微胞结构颗粒装入石墨模具中,进行放电等离子体快速烧结致密化,得到二氧化铀/纳米金刚石初坯;将所得二氧化铀/纳米金刚石初坯脱模后,即得二氧化铀/纳米金刚石燃料芯块。

所述步骤(2)中,反应器为尼龙罐。

所述步骤1中,冷压预成形的压力为80MPa~550MPa,保压时间0.5min~15min。

所述步骤1中,多孔二氧化铀颗粒密度为3.51g/cm3~6.03g/cm3,孔隙度为45% ~68%。

所述步骤1中,研磨破碎后的颗粒过12目~150目金属筛网。

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