[发明专利]一种定向高导热二氧化铀芯块及其制备方法

说明书

本发明公开了一种定向高导热二氧化铀芯块及其制备方法，解决了现有技术中二氧化铀热导率低、特别是径向热导率低，易导致安全事故的问题。本发明的定向高导热二氧化铀芯块，以二氧化铀粉末和鳞片石墨为原料，鳞片石墨在二氧化铀芯块中沿水平方向定向排列。本发明的制备方法，以二氧化铀粉末和鳞片石墨为原料，将其混合均匀后，振荡混合粉末，使鳞片石墨在混合粉末中沿水平方向定向排列，之后进行高温烧结，制得定向高导热二氧化铀芯块。本发明设计科学，方法简单，能显著提升二氧化铀芯块的径向热导率，提升燃料组件的安全性。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，具体涉及一种定向高导热二氧化铀芯块及其制备方法。

背景技术

2011年日本福岛核事故暴露出现有商用二氧化铀芯块在事故状态下仍然存在很大的安全风险。这主要是由于二氧化铀热导率低，在事故状况下无法将内部热量及时导出，燃料温度迅速升高甚至熔化，引发严重后果。即使在正常工况下，二氧化铀芯块也由于热导率低而使得内部温度梯度较大，增加了芯块开裂和失效的风险。因此，改进二氧化铀芯块热导率是提高核燃料安全性的有效途径，也是国内外核燃料领域工作者的研究热点。在二氧化铀核燃料服役过程中，热量主要通过芯块径向传到至冷却剂，因此芯块的径向热导率较轴向热导率更为重要。

因此，提供一种二氧化铀芯块，能显著提升芯块的径向热导率，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种定向高导热二氧化铀芯块，解决现有技术中二氧化铀热导率低、特别是径向热导率低，易导致安全事故的问题。

本发明还提供了该定向高导热二氧化铀芯块的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种定向高导热二氧化铀芯块，以二氧化铀粉末和鳞片石墨为原料，所述鳞片石墨在所述二氧化铀芯块中沿水平方向定向排列。

本发明所述的一种定向高导热二氧化铀芯块的制备方法，以二氧化铀粉末和鳞片石墨为原料，将其混合均匀后，振荡混合粉末，之后进行高温烧结，制得定向高导热二氧化铀芯块。

进一步地，所述二氧化铀粉末中²³⁵U富为集度1％-19％，氧铀比为1.95-2.15之间，粒径为1-50μm。

进一步地，所述鳞片石墨片层直径为3-200μm之间，片层厚度为1-20μm。

进一步地，将所述混合粉末置入烧结模具后，将粉末连同模具振荡。

进一步地，所述振荡时间为0.1-2h。

进一步地，所述高温烧结为气氛烧结、热压烧结、放电等离子体烧结中的任意一种。

进一步地，所述气氛烧结具体为：将连同模具一起振荡后的混合粉末在一定压力下压制成型，制得素坯，之后将所述素坯在气氛条件下烧结；其中，素坯成型压力为100-500MPa，最高烧结温度为1500-1800℃，升温速率1-10℃/min，保温时间1-7h，烧结气氛为H₂，氢气流量为0.1-2L/min。

进一步地，所述热压烧结的最高烧结温度为1500-1700℃，升温速率为2-20℃/min，烧结压力为30-50MPa，保温时间为0.5-2h。

进一步地，所述放电等离子体烧结的最高烧结温度为1200-1650℃，升温速率为50-400℃/min，烧结压力为30-50MPa，保温时间为0.5-30min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计科学，方法简单，能显著提升二氧化铀芯块的径向热导率，提升燃料组件的安全性。