[发明专利]一种高辐照稳定性UO2

说明书

本发明提供了一种高辐照稳定性UO₂陶瓷燃料及其制备方法和应用，属于核燃料开发技术领域。本发明通过掺杂氧化镍能够抑制UO₂燃料高温下的晶粒生长，从而细化晶粒，细化晶粒可有效增强UO₂陶瓷燃料力学性能从而增强抗变形能力；此外，抑制晶粒生长能够降低高温环境对晶界扩散活性的影响，保持高晶界比表面积，而晶界可吸收辐照过程因基体原子裂变产生的点缺陷，因此添加氧化镍可提升辐照过程芯块的稳定性，从而增强UO₂陶瓷燃料芯块力学性能，使UO₂陶瓷燃料具备良好抗变形特性、较强裂变气体容纳能力和优异的耐辐照稳定性等特点，可作为反应堆的新型核燃料。

技术领域

本发明涉及核燃料开发技术领域，尤其涉及一种高辐照稳定性UO₂陶瓷燃料及其制备方法和应用。

背景技术

因传统UO₂陶瓷燃料具有高熔点、耐辐照及高化学稳定性的优势，现已成为商用反应堆中应用最为广泛的陶瓷燃料；但由于UO₂陶瓷燃料在高燃耗条件下有较大程度的肿胀变形及力学性能的衰减，限制了UO₂陶瓷燃料在核反应堆中燃耗的进一步加深。

UO₂陶瓷燃料在反应堆服役期间由于高温、辐照裂变等环境因素发生尺寸形状的变化有燃料破碎、包壳破损的潜在风险；其中，辐照裂变过程释放的裂变产物是燃料芯块肿胀的主要来源。晶界可吸收辐照裂变产生的点缺陷，即高晶界比表面积可有效提高燃料芯块的辐照稳定性。因此，研究制备具有高晶界比表面积的陶瓷燃料迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高辐照稳定性UO₂陶瓷燃料及其制备方法和应用，所制备的UO₂陶瓷燃料具有高晶界表面积，因而具有高辐照稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高辐照稳定性UO₂陶瓷燃料的制备方法，包括以下步骤：

将UO₂粉、氧化镍和润滑剂进行球磨混合，得到混合粉体；

将所述混合粉体进行烧结，得到高辐照稳定性UO₂陶瓷燃料。

优选的，所述UO₂粉的粒径为5nm～100μm，²³⁵U富集度为1～10％；所述润滑剂包括阿克蜡或硬脂酸锌，所述润滑剂的质量占所述UO₂粉的质量百分数为0.3％。

优选的，所述氧化镍为氧化镍纳米线或氧化镍颗粒，所述氧化镍颗粒的粒径为5nm～100μm；所述氧化镍纳米线的直径为10～50nm，长度为10～40μm；所述氧化镍的质量占所述UO₂粉的质量百分数为0.05～5％。

优选的，所述烧结的方式包括无压烧结、热压烧结、放电等离子烧结或闪烧烧结。

优选的，所述无压烧结的过程包括以下步骤：将所述混合粉体模压成形，将所得UO₂坯体进行无压烧结，得到高辐照稳定性UO₂陶瓷燃料；所述模压成形的压力为100～400MPa，所述无压烧结的温度为1400～1850℃，保温时间为0.5～40h，升温至所述无压烧结的温度的升温速率为1～20℃/min。

优选的，所述热压烧结的压力为20～200MPa，所述热压烧结的过程包括：以1～10℃/min的速率升温至800℃保温1h，以1～20℃/min的速率升温至 1200～1800℃保温0.5～20h。

优选的，所述放电等离子烧结的气氛压力为10～70kPa；所述放电等离子烧结的过程包括：以50～1000℃/min升温至1100～1700℃，烧结压力为 20～200MPa，保温时间为0.5min～1h。