[发明专利]一种均匀化的包覆颗粒弥散燃料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种均匀化的包覆颗粒弥散燃料及其制备方法。采用本发明所提供的均匀化的包覆颗粒弥散燃料制备方法，所制得的均匀化的包覆颗粒弥散燃料在常规包覆颗粒弥散燃料的基础上实现了TRISO包覆燃料颗粒的径向均匀分布，降低了包覆颗粒弥散燃料在堆内运行时的温度梯度，有效地保护了包覆颗粒弥散燃料的完整性，降低了放射性产物释放风险，同时还解决了气冷微堆的中子物理、热工水力理论计算不准确的问题。

技术领域

本发明属于包覆颗粒弥散燃料制造领域，涉及一种均匀化的包覆颗粒弥散燃料及其制备方法。

背景技术

气冷微堆是一种基于棱柱式高温气冷堆发展改进而来的微型模块化气冷堆，可实现全寿期内不换料，采用固有安全性设计，充分简化系统配置，并以智能运维与模块化布置部署来提升用户体验，具备“固有安全、智能、灵活”的设计特征，可满足海底、孤岛、陆地偏远地区甚至可能满足外太空等特殊地域的供电需求。

由于气冷微堆的固有安全、全寿期不换料、氦气直接循环、人工干预较少等设计要求，需要气冷微堆燃料具有稳定性强，耐腐蚀，裂变产物释放极少等特征，而目前成熟的核燃料如压水堆的二氧化铀燃料芯块、高温气冷堆的石墨燃料球等均不能完全满足气冷微堆燃料的设计要求，所以选择了一种最近提出的全新燃料作为气冷微堆的燃料，即包覆颗粒弥散燃料。这是一种将三层各向同性包覆颗粒(TRISO包覆燃料颗粒)弥散到碳化硅基体中形成的柱状燃料，其中碳化硅材料的辐照稳定性以及化学稳定性可以保证燃料拥有较长的运行寿期，而TRISO包覆燃料颗粒以及碳化硅基体材料对裂变产物的双重阻挡作用则保证了运行过程中极少的裂变产物释放。

与高温气冷堆的燃料在堆芯内移动不同的是，气冷微堆的包覆颗粒弥散燃料全寿期内均放置在石墨孔道中，不发生移动，若包覆颗粒弥散燃料内存在温度梯度，则这一温度梯度的方向在整个寿期内不会发生变化。包覆颗粒弥散燃料的核心部件是TRISO包覆燃料颗粒，而温度梯度导致的阿米巴效应则是导致TRISO包覆燃料颗粒发生破损的重要破损机理之一，在常规的包覆颗粒弥散燃料生产工艺中，没有采取特殊的手段保证TRISO包覆燃料颗粒分布的均匀性，因此生产出的包覆颗粒弥散燃料内部分区域可能存在TRISO包覆燃料颗粒的聚集，而部分区域存在TRISO包覆燃料颗粒较少的情况，这一情况则会导致包覆颗粒弥散燃料内出现较高的温度梯度，叠加包覆颗粒弥散燃料寿期较长，且运行寿期内不移动的特征，进而可能出现较为的严重阿米巴效应，发生TRISO包覆燃料颗粒破损，最终导致放射性裂变产物的释放。而包覆颗粒弥散燃料在气冷微堆内是通过燃料柱的形式存在，燃料柱的圆柱侧面裸露在外，其温度更低，所以径向温度梯度情况较轴向更为严重，需要优先解决径向温度梯度的问题，优化TRISO包覆燃料颗粒在径向分布的均匀性。另外，目前气冷微堆的中子物理、热工水力理论计算分析结果均基于均匀化的包覆颗粒弥散燃料，与实际使用时存在TRISO包覆燃料颗粒的包覆颗粒弥散燃料的结果不太一致，所以优化TRISO包覆燃料颗粒在包覆颗粒弥散燃料内的均匀性还能解决物理热工计算不准确的问题。

发明内容

针对现有技术中所存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种均匀化的包覆颗粒弥散燃料及其制备方法，以实现TRISO包覆燃料颗粒的径向均匀分布来优化TRISO包覆燃料颗粒在燃料内的均匀性，降低包覆颗粒弥散燃料在堆内运行时的温度梯度，有效地保护包覆颗粒弥散燃料的完整性，降低放射性产物释放风险，同时解决气冷微堆的中子物理、热工水力理论计算不准确的问题。

为实现此目的，本发明提供一种均匀化的包覆颗粒弥散燃料，所述均匀化的包覆颗粒弥散燃料包括基体材料、穿衣的TRISO包覆燃料颗粒和一系列碳化硅圆柱筒体；其中：

所述基体材料是通过向纳米级碳化硅粉末中添加助烧剂，混合均匀后烘干并筛分制得；

所述穿衣的TRISO包覆燃料颗粒通过在TRISO包覆燃料颗粒表面涂覆碳化硅层得到；

所述一系列碳化硅圆柱筒体采用化学气相沉积法或者碳化硅粉末烧结工艺制备；