[发明专利]一种金刚石复合核燃料芯块及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金刚石复合核燃料芯块及其制备方法，其特征在于，所述燃料芯块以UO₂单晶为燃料颗粒，将SiC及金刚石粉体作为所述UO₂单晶燃料颗粒间的连接介质，在混合后的所述燃料颗粒和所述连接介质外包裹外表面保留无燃料区。本发明所研发的新型UO₂单晶/金刚石复合燃料将采用少量的第二相SiC对UO₂单晶进行黏合，用UO₂‑高热导金刚石/SiC相‑UO₂的结合方式替代传统的UO₂‑UO₂晶界的结合方式，有效的抵消了由于UO₂导热方向性带来的自我阻碍和损耗。

技术领域

本发明属于涉及核电技术领域，特别是涉及可用作轻水反应堆具有耐事故性能的核燃料。

背景技术

轻水反应堆是当前各国核电站的主要建设堆型，该类型核电站采用棒状核燃料元件。棒状核燃料元件由短圆柱状的UO₂燃料芯块、锆合金包壳、端塞、贮气腔压紧弹簧等构成，燃料芯块与包壳之间留有一定的间隙，燃料元件充填了惰性气体，如图1所示。

UO₂具有高熔点、高化学及辐照稳定等优点而成为了应用最广泛的轻水堆核燃料。然而，UO₂芯块的热导率本身较低，在高温和辐照条件下其导热率还会急剧下降，热量导出能力迅速衰退。UO₂芯块在800℃时热导率仅约为3.5W·m^-1·K^-1。因此，在反应堆运行时芯块的中心温度很高，在燃料芯块中会储存大量的热量。在事故工况下，在燃料芯块中储存的热量及裂变产物的衰变热会使锆合金包壳的温度迅速升高，继而使锆合金迅速与水蒸气发生氧化放热反应而产生大量热量和氢气，加速堆芯的熔毁并引发氢气爆炸。因此，提高燃料芯块的热导率，加强其热量导出能力对提高核燃料安全性有重要意义。

现有UO₂芯块的多晶结构并不利于热量导出，将UO₂制备为单晶结构将大幅提升其自身导热性能，且能显著降低其裂变气体释放率。采用高热导率的第二相物质作为连接介质，则可以大幅提升在UO₂晶界处的导热效率。金刚石是自然界中热导率最高的材料之一，且化学性质稳定，中子吸收截面小，将金刚石与UO₂单晶可极大提高燃料芯块的导热性能，提升燃料的安全性。但是，直接将金刚石与UO₂单晶混合后的可烧结性差，难以形成致密芯块。SiC具有优异的高温强度、抗蠕变、抗氧化、抗辐照等性能，并且SiC的热导率也较高。故可将金刚石与SiC混合后与UO₂单晶复合烧结成复合燃料芯块，使得SiC作为连接介质，烧结成热导率高的致密复合燃料芯块。

本发明将UO₂单晶与金刚石及SiC制备成复合燃料芯块，这将大幅提升芯块热导率，增强芯块的化学稳定性，降低裂变气体释放率，提高了燃料的安全性和抗事故能力，且具有较高的铀装量，保证燃料的经济性。

发明内容

本发明的目的在于为轻水反应堆提供一种具有更高安全性和良好经济性的复合燃料芯块，该复合芯块具有更为优异的导热性能，具有较好的安全性和抗事故能力。

本发明提供了一种金刚石复合核燃料芯块，所述燃料芯块以UO₂单晶为燃料颗粒，将SiC及金刚石粉体作为所述UO₂单晶燃料颗粒间的连接介质，在混合后的所述燃料颗粒和所述连接介质外包裹外表面保留无燃料区。

本发明也提供了一种金刚石复合核燃料芯块的制备方法，制备步骤如下：

UO2晶体制备：在熔盐中电解卤化铀酰制备出粒度为数百微米级的所述UO₂单晶燃料颗粒；