[发明专利]一种钼基金属陶瓷核燃料芯块及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钼基金属陶瓷核燃料芯块，包括钼基金属陶瓷基体，所述钼基金属陶瓷基体上具有呈阵列式均匀排列的通孔结构，所述通孔结构的内壁具有保护层，且所述保护层将通孔结构的内壁完全覆盖。本发明通过在原料石墨棒表面形成一层均匀的钼基金属涂层，并将其呈阵列式均匀排列在钼基金属陶瓷前驱粉体中，烧结后通过切、削、钻、磨等机械精加工工艺，从而在燃料芯块基体中形成内壁具有一定厚度的钼基金属保护层的通孔，避免了燃料芯块钼基金属陶瓷基体内部陶瓷相与外界环境的直接接触，起到保护作用，提高了钼基金属陶瓷核燃料芯块运行的安全可靠性。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种钼基金属陶瓷核燃料芯块及其制备方法。

背景技术

随着国家安全和经济发展的需求以及人类空天活动领域的拓展，航天系统对动力性能的要求也逐步提高。核能作为人类目前掌握的最强大能源，在空间推进领域的应用潜力巨大。自上世纪中期以来，美苏等国已在核热、核电推进空间发动机领域取得了一定的成果，先后研制并测试了多个系列的空间核动力发动机，而我国在该领域则起步较晚。从2004年以来，嫦娥工程拉开了我国深空探测的序幕，随后火星探测、载人航天及空间站建设等任务也逐步展开，这对我国的空间核推进技术发展提出了迫切要求。

混合有高含量、大粒度二氧化铀基陶瓷颗粒的钼基金属陶瓷是未来核动力火箭燃料芯块的重要选择之一。根据美苏相关研究报道，燃料芯块通常被设计成蜂窝状结构。在其工作过程中，燃料二氧化铀裂变产生的热量由钼基金属传递到外界环境中；同时氢气或空气等(根据工作环境要求选取)作为工质，从蜂窝状贯通孔一段传递至另一端过程中，充分吸收钼基金属传递的热量并急剧升温膨胀，从而为发动机提供推动力。然而，在极端高温高压工作条件下(2000K)，包括热氢等在内的工质会与贯通孔中暴露在外界环境中的二氧化铀陶瓷发生一定的副反应，导致燃料陶瓷相结构破坏，从而为燃料芯块安全性带来隐患。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种钼基金属陶瓷核燃料芯块及其制备方法。

本发明提出的一种钼基金属陶瓷核燃料芯块，包括钼基金属陶瓷基体，所述钼基金属陶瓷基体上具有呈阵列式均匀排列的通孔结构，所述通孔结构的内壁具有保护层，且所述保护层将通孔结构的内壁完全覆盖；

所述钼基金属陶瓷基体由陶瓷相与金属钼或者钼基合金组成，所述陶瓷相均匀弥散分布在基体中，其中陶瓷相包括二氧化铀、氮化铀、碳化铀、碳化钚、氮化钚、二氧化钚中的至少一种；

所述保护层由金属钼或者钼基合金组成。

优选地，所述保护层的厚度为0.1-1000μm。

优选地，所述钼基金属陶瓷基体中，陶瓷相的体积百分比为10-60％。

优选地，所述陶瓷相为颗粒状，粒径为10-500mm。

优选地，所述钼基合金为以金属钼为主要成分的合金；优选地，所述钼基合金中，钼的含量≥90wt％。

本发明中，钼基合金例如可以是钼与金属氧化物或者碳化物、铼、钨中的至少一种组成的合金，其中金属氧化物或者碳化物的含量＜5wt％，所述金属氧化物或者碳化物包括氧化锆、氧化镧、氧化钇、氧化钨、碳化锆、碳化钛、碳化钼、碳化钨中的至少一种。

一种所述的钼基金属陶瓷核燃料芯块的制备方法，包括下述步骤：

S1、将石墨棒表面进行预处理，在其表面形成一层均匀的金属钼或者钼基合金涂层；

S2、将陶瓷相粉体与金属钼粉或者钼基合金粉按比例混合均匀，得到钼基金属陶瓷前驱粉体；

S3、用S1预处理后的石墨棒和S2得到的钼基金属陶瓷前驱粉体填充模具，使预处理后的石墨棒呈阵列式均匀排列在钼基金属陶瓷前驱粉体中，经过冷压成型，得到坯体；

S4、将所述坯体在真空或保护气氛下烧结，得到块材；