[发明专利]一种添加氧化物的金属壁微囊核燃料芯块及其制备方法

说明书

本发明属于核燃料芯块设计和制造技术领域，具体涉及一种添加氧化物的金属壁微囊核燃料芯块及其制备方法。包括UO₂颗粒、金属壁、惰性氧化物夹杂物，金属壁形成蜂窝状的连续网络结构，每个蜂窝状的孔隙中都有UO₂颗粒，金属壁包裹UO₂颗粒，惰性氧化物夹杂物存在于金属壁之内。本发明结合了金属微囊芯块和陶瓷微囊芯块的优点，相较于传统UO₂核燃料芯块，同时实现热导率和滞留裂变产物能力的提高。

技术领域

本发明属于核燃料芯块设计和制造技术领域，具体涉及一种添加氧化物的金属壁微囊核燃料芯块及其制备方法。

背景技术

未来核电和核动力装置对耐事故燃料具有很强的需求。相比于传统核燃料，耐事故燃料能够增强对放射性裂变产物的滞留能力。燃料芯块既是产生放射性裂变产物的源头，也是阻止放射性裂变产物向环境释放的第一道屏障。因此，具有优良的理化性能和核性能，并且能够滞留放射性裂变产物的新型燃料芯块将具有广阔的应用前景。

国外提出了一种微囊芯块的概念，通过增加多重化学陷阱或减弱扩散性的方法限制Cs、I等放射性裂变产物的迁移，增强对强放射性、腐蚀性裂变产物的滞留能力。其结构是采用薄壁的金属或氧化物将所有UO₂颗粒封装起来，薄壁能够对裂变产物的迁移起到化学陷阱和物理屏障的作用，并能起到提高热导率的作用。

根据薄壁材料的不同，将国外已研发的微囊芯块分为金属微囊芯块和陶瓷微囊芯块两类，金属微囊芯块以W、Mo、Cr或其合金作为薄壁，而陶瓷微囊芯块以SiO₂、TiO₂、Al₂O₃或Si-Ti-Al-O系氧化物作为薄壁。

发明内容

金属微囊芯块和陶瓷微囊芯块分别存在不足：金属微囊芯块对裂变产物Cs、I的吸收能力不强，而陶瓷微囊芯块的热导性提高有限。为发挥两者各自的优点，克服两者各自的不足，本发明设计了一种添加氧化物的金属壁微囊核燃料芯块及其制备方法。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种添加氧化物的金属壁微囊核燃料芯块，包括UO₂颗粒、金属壁、惰性氧化物夹杂物，金属壁形成蜂窝状的连续网络结构，每个蜂窝状的孔隙中都有UO₂颗粒，金属壁包裹UO₂颗粒，惰性氧化物夹杂物存在于金属壁之内。

UO₂颗粒的粒径在1～1000μm。

惰性氧化物夹杂物的粒径小于1μm。

金属壁是钨、钼、铬及其合金。

惰性氧化物夹杂物是SiO₂、TiO₂、Al₂O₃或由Si、Ti、Al、O组成的化合物或混合物。

一种添加氧化物的金属壁微囊核燃料芯块制备方法，

(1)UO₂颗粒制备；

(2)混料：将UO₂颗粒、惰性氧化物粉末和金属粉末均匀混合，使惰性氧化物粉末和金属粉末包裹UO₂颗粒；

(3)成型：将混合粉末成型成生坯；

(4)初步烧结：将成型的生坯在纯H₂或H₂/N₂混合气或H₂/Ar混合气或H₂/He混合气的气氛下，在低于1200℃的温度下烧结；