[发明专利]一种半连续结构增强二氧化铀芯块及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种半连续结构增强二氧化铀芯块及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法，包括以下步骤：将二氧化铀进行自球化处理，得到疏松二氧化铀球；将所述疏松二氧化铀球和热导率增强相进行混合包覆后，进行烧结，得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块。相对于连续结构增强二氧化铀的制备方法，本发明所述的制备方法具有制备工艺简单、稳定性好的优势，同时基本保持了连续结构的热导率提升效果；相对于弥散结构增强二氧化铀的制备方法，本发明所述制备方法具有热导率增强效果较好的优势，同时基本保持了弥散结构制备工艺简单、稳定性好的特点。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种半连续结构增强二氧化铀芯块及其制备方法和应用。

背景技术

现阶段商用压水堆使用的核燃料主要是二氧化铀。二氧化铀具有高熔点、辐照稳定性好、耐水蒸汽腐蚀等一系列优点。然而二氧化铀的热导率很低，在事故状况下难以将裂变热量及时导出，导致二氧化铀芯块芯部温度迅速升高，甚至引发堆芯熔毁。改进二氧化铀芯块热导率是提升其事故状况下安全性的重要途径，也是提升正常工况下能量转换效率的有效方法。目前提升二氧化铀热导率的技术手段主要是像芯块中引入热导率增强相。

目前热导率增强相在二氧化铀的分布方式主要包括弥散型分布结构和连续型分布结构；其中连续型分布结构连续型分布结构使得热导率增强相在二氧化铀基体内形成导热通道，与弥散型分布结构相比，通常会有更好的增强效果。连续型分布结构要求增强相与二氧化铀的烧结温度相近或者二者具有优异的化学相容性。为实现热导率增强相的连续型分布，需要对二氧化铀粉末进行高压压制、机械破碎造粒和自球化处理，并在球化的二氧化铀颗粒表面包覆增强相，工艺过程复杂，稳定性较难控制，且并不适用于所有增强相。弥散型分布结构适用于所有增强相，为实现热导率增强相的弥散型分布，仅需将热导率增强相与二氧化铀粉末均匀混合即可。弥散型分布结构具有工艺简单、稳定性好、普适性好等特点，然而其热导率增强效果较差。

由此可见，两种分布方式并不能够同时满足制备工艺稳定性好且热导率增强效果好的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供了半连续结构增强二氧化铀芯块及其制备方法和应用。所述制备方法兼具制备工艺简单、稳定性好和热导率增强效果好的特点。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种半连续结构增强二氧化铀芯块的制备方法，包括以下步骤：

将二氧化铀进行自球化处理，得到疏松二氧化铀球；

将所述疏松二氧化铀球和热导率增强相进行混合包覆后，进行烧结，得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块。

优选的，所述二氧化铀中²³⁵U的富集度为0.2wt％～19wt％，氧铀比为1.95～2.2，粒径为0.5～20μm。

优选的，所述自球化处理的转速为150～400r/min，时间为2～8h。

优选的，所述疏松二氧化铀球的直径为100～400μm。

优选的，所述烧结的方式包括气氛烧结、热压烧结或放电等离子体烧结。

优选的，所述气氛烧结包括依次进行的压制成型和在还原气氛下烧结；

所述压制成型的压力为100～600MPa；

所述在还原气氛下烧结的温度为1500～1900℃，升温至所述在还原气氛下烧结的温度的升温速率为1～10℃/min，时间为1～6h。

优选的，所述热压烧结的温度为1500～1700℃，升温至所述热压烧结的温度的升温速率为2～20℃/min，压力为30～50MPa，保温时间为0.5～4h。