一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，将二氧化铀粉末与MAX相粉末按体积比49～1:1的比例直接混料或造粒混料后，将得到的混合物采用气氛烧结、热压烧结或放电等离子体烧结，烧结完成后取料加工成型，得到芯块。所述二氧化铀粉末中235U富集度为1％‑19％，氧铀比为1.95‑2.15，粒径为1‑50μm。所述MAX相粒径为50nm‑40μm，且MAX相为312系化合物、211系化合物或413系化合物；所述312系化合物为Ti3SiC2或Ti3AlC2。该方法设计合理，操作更为简单，且制备得到的二氧化铀芯块能够在保持二氧化铀原有优势的基础上进一步提高热导率，提升燃料安全性能，增强反应堆抵抗事故工况的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法
本专利技术涉及一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法。
技术介绍
二氧化铀芯块具有高熔点、抗氧化、中子经济性好、耐水蒸气腐蚀、辐照稳定性好，与包壳兼容性好、裂变气体包容性好等诸多优点，目前作为核燃料广泛应用于商用核反应堆。然而二氧化铀热导率低，容易造成芯块内部温度梯度过大，进而引发芯块开裂、失效、甚至与包壳接触反应的问题。在事故状态下，这种效应被进一步放大，堆内热量无法及时散出，燃料温度迅速升高甚至熔化，包壳材料与水蒸气反应释放氢气引发爆炸，引发严重安全事故。研究表明，如果二氧化铀芯块的热导率提升5-10％，在冷却剂丧失事故条件下燃料心部温度即可降低300℃以上，因此改善二氧化铀芯块的热导率是有效提高燃料安全性的途径，成为了事故容错燃料研制的热点问题。MAX相材料是纳米三元层状化合物的通称，它由过渡族元素M(Ti、Zr、V、Cr等)、主族元素A(Si、Al等)和元素X(C、N等)组成。一般MAX相的分子式可表示为Mn+1AXn，常见MAX相中n值为1、2、3，所对应的MAX相体系分别称为211系、312系和413系MAX相。近年来研究者们又发现了523系、725系、615系等MAX相体系。MAX相由M6X八面体和A原子层交替堆垛而成，MAX相兼具金属和陶瓷的特性，具有高熔点、高导热、耐辐照性能优异、韧性好、抗氧化性好、抗热震性好、与UO2的热膨胀系数相近等特点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述技术问题，提供一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，该方法设计合理，操作更为简单，且制备得到的二氧化铀芯块能够在保持二氧化铀原有优势的基础上进一步提高热导率，提升燃料安全性能，增强反应堆抵抗事故工况的能力。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，其特征在于，将二氧化铀粉末与MAX相粉末按体积比49～1:1的比例直接混料或造粒混料后，将得到的混合物采用气氛烧结、热压烧结或放电等离子体烧结，烧结完成后取料加工成型，得到芯块。具体的说，所述二氧化铀粉末中235U富集度为1％-19％，氧铀比为1.95-2.15，粒径为1-50μm。具体的说，所述MAX相粒径为50nm-40μm，且MAX相为312系化合物、211系化合物或413系化合物；所述312系化合物为Ti3SiC2或Ti3AlC2。优选的，所述211系化合物为Ti2AlC、Ti2AlN，所述413系化合物为Ti4AlC3。进一步的，当混料方式为直接混料时，其操作为：将二氧化铀粉末与MAX相粉末置入球磨罐混合12-24h，转速100-300r/min。其中，直接混料的经烧结后可形成MAX相弥散分布的组织结构。进一步的，当混料方式为造粒混料时，其操作为：将二氧化铀粉末在200-600MPa造粒、过20-50目筛，在球磨罐中自研磨球化处理6-12h，转速100-300r/min，得到二氧化铀颗粒；再将得到的二氧化铀颗粒与MAX相粉末在球磨罐中混合0.5-3h，转速50-200r/min，使MAX相粉末包覆在二氧化铀小球表面。其中，造粒混料的经烧结后可形成MAX相连续分布的组织结构。进一步的，当烧结方式为气氛烧结时，其步骤是先将混合物在100-300MPa的压强下模压成型，得到UO2-MAX相素坯；再将素坯置于气氛烧结炉中进行烧结，设定烧结条件为：以5-10℃/min的速率升温至1500℃，然后以1-5℃/min的速率升温至1600-1800℃，保温1-7h，最后炉冷至100℃以下开炉取料；所述烧结过程和冷却过程气氛为H2，且H2流量为0.1-2L/min。进一步的，当烧结方式为热压烧结时，其步骤是先将混合物装入石墨模具中，烧结条件如下：首先以5-20℃/min的升温速率升温至1450℃，之后以2-10℃/min的升温速率升温至1500-1800℃；保温0.5-2h后炉冷至100℃以下开炉取料；烧结过程全程施以30-100MPa的恒压，并采用高纯氩气保护。更进一步的，当烧结方式为放电等离子体烧结时，其步骤是先将混合物装入石墨模具中，烧结条件如下：首先以100-200℃/min的升温速率升温至1100℃，之后以50-100℃/min的升温速率升温至1200-1600℃，保温1-30min，之后炉冷至100℃以下开炉；烧结过程全程施以30-50MPa的恒压，并采用高纯氩气保护。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术借鉴了MAX相优异的抗辐照性能、高导热特性、高熔点、与二氧化铀热膨胀系数匹配等优势，通过向二氧化铀中添加MAX相提升其热导率，改进后的二氧化铀芯块具有高导热、抗辐照性能好、低膨胀、高熔点等特点，安全性能显著提升，有望作为事故容错燃料应用于商用水堆及新一代核反应堆。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的方式包括但不仅限于以下实施例。以下实施例均为MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法。实施例1原料：UO2粉末中235U富集度1％，氧铀比1.95，粒径1μm左右；MAX相采用312系化合物Ti3SiC2，粒径50nm左右；步骤一，按照如下方式配比原料：将98％体积分数二氧化铀粉末和2％体积分数MAX相粉末置入球磨罐混合12h，转速100r/min。步骤二，按照如下方式开展烧结：将步骤一中得到的混合粉末在100MPa的压强下模压成型，得到UO2-MAX相素坯，将素坯置于气氛烧结炉中进行烧结，温度工艺如下：首先以5℃/min的速率升温至1500℃，之后以1℃/min的速率升温至1600℃，保温7h；之后炉冷至100℃以下开炉；烧结过程和冷却过程通以H2，流量为0.1L/min。步骤三，将上述烧结坯按照反应堆实际需求加工，得到实际工程应用芯块。采用上述方法制备得到的芯块具有弥散分布MAX相的组织结构，1000℃时热导率较纯二氧化铀芯块可提升5-10％。实施例2原料：UO2粉末中235U富集度19％，氧铀比2.15，粒径50μm左右；MAX相采用312系化合物Ti3AlC2，粒径40μm左右；步骤一，按照如下方式配比原料：将50％体积分数二氧化铀粉末和50％体积分数MAX相粉末置入球磨罐混合24h，转速300r/min。步骤二，按照如下方式开展烧结：将步骤一中得到的混合粉末在300MPa的压强下模压成型，得到UO2-MAX相素坯。将素坯置于气氛烧结炉中进行烧结。温度工艺如下：首先以10℃/min的速率升温至1500℃，之后以5℃/min的速率升温至1800℃，保温1h；之后炉冷至100℃以下开炉。烧结过程和冷却过程通以H2，流量为2L/min。步骤三，将上述烧结坯按照反应堆实际需求加工，得到实际工程应用芯块。采用上述方法制备得到的芯块具有弥散分布MAX相的组织结构，1000℃时热导率较纯二氧化铀芯块可提升70-80％。实施例3原料：UO2粉末中235U富集度4.95％，氧铀比2.02，粒径5μm左右；MAX相采用211系化合物Ti2AlC，粒径5μm左右；步骤一，按照如下方式配比原料：将二氧化铀粉末在200MPa模压成型，过50目筛，在球磨罐中自研磨球化处理6h，转速100r/min，将得到的二氧化铀颗粒与MAX相粉末以98:2的体积比在球磨罐中混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，其特征在于，将二氧化铀粉末与MAX相粉末按体积比49～1:1的比例直接混料或造粒混料后，将得到的混合物采用气氛烧结、热压烧结或放电等离子体烧结，烧结完成后取料加工成型，得到芯块。

【技术特征摘要】
1.一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，其特征在于，将二氧化铀粉末与MAX相粉末按体积比49～1:1的比例直接混料或造粒混料后，将得到的混合物采用气氛烧结、热压烧结或放电等离子体烧结，烧结完成后取料加工成型，得到芯块。2.根据权利要求1所述的一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，其特征在于，所述二氧化铀粉末中235U富集度为1％-19％，氧铀比为1.95-2.15，粒径为1-50μm。3.根据权利要求2所述的一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，其特征在于，所述MAX相粒径为50nm-40μm，且MAX相为312系化合物、211系化合物或413系化合物；所述312系化合物为Ti3SiC2或Ti3AlC2。4.根据权利要求3所述的一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，其特征在于，所述211系化合物为Ti2AlC、Ti2AlN，所述413系化合物为Ti4AlC3。5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，其特征在于，当混料方式为直接混料时，其操作为：将二氧化铀粉末与MAX相粉末置入球磨罐混合12-24h，转速100-300r/min。6.根据权利要求5所述的一种MAX相改进型二氧化铀芯块的制备方法，其特征在于，当混料方式为造粒混料时，其操作为：将二氧化铀粉末在200-600MPa造粒、过20-50目筛，在球磨罐中自研磨球化处理6-12h，转速100-300r/min，得到二氧化铀颗粒；再将得到的二氧化铀颗粒与MAX相粉末在球磨罐中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冰清，杨振亮，高瑞，褚明福，唐浩，钟毅，刘徐徐，段丽美，黄奇奇，王志毅，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51