一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法，目的在于解决现有的陶瓷型二氧化铀存在导热性能的不足。本发明专利技术利用金属钼高熔点、高导热性和低中子吸收截面等优点，在二氧化铀原料粉中添入适量钼粉，并将粉坯在还原气氛下进行预烧结，大幅降低二氧化铀/钼复合燃料中高界面热阻化合物（钼的氧化物）含量，结合放电等离子体烧结方法，显著降低烧结温度，有效调控复合燃料的相界面结构，改善二氧化铀的导热性能。本发明专利技术能快速、高效地获得具有良好导热性的高致密二氧化铀/钼复合燃料，该燃料能作为轻水堆中事故容错核燃料，具有较好的应用前景，对于提高反应堆的安全性具有较好的应用价值。

Uranium dioxide / molybdenum cermet composite fuel and preparation method thereof

The invention discloses a uranium dioxide/molybdenum cermet composite fuel and a preparation method thereof, aiming at solving the deficiency of thermal conductivity of existing ceramic-type uranium dioxide. The invention utilizes the advantages of high melting point, high thermal conductivity and low neutron absorption cross section of molybdenum metal, adds proper amount of molybdenum powder into uranium dioxide raw material powder, and pre-sinters the powder billet in reducing atmosphere, thus greatly reducing the content of high interfacial thermal resistance compound (molybdenum oxide) in uranium dioxide/molybdenum composite fuel, and combines with discharge plasma. The bulk sintering method can significantly reduce the sintering temperature, effectively control the phase interface structure of the composite fuel, and improve the thermal conductivity of uranium dioxide. The invention can quickly and efficiently obtain highly dense uranium dioxide/molybdenum composite fuel with good thermal conductivity. The fuel can be used as accident-tolerant nuclear fuel in light water reactor, and has a good application prospect, and has a good application value for improving the safety of the reactor.

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法
本专利技术涉及材料及能源领域，尤其是复合材料领域，具体为一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法。
技术介绍
随着国家经济和社会的高速发展，能源需求总量急剧增加。传统能源（如煤、石油等）大量消耗，给生态环境和气候带来诸多影响，成为制约我国社会和经济可持续发展的瓶颈。优化能源结构是中国能源发展面临的新挑战，也是保证中国能源安全、环境安全的重要组成部分。优化能源结构就是减小对石化能源的消费，大力发展新能源。在众多新能源中，核能经过愈50年的发展，被证实为是具有良好经济性的大型电能的来源。核能作为一种清洁能源，具有环境可持续及良好生态效益（不排放CO2、SO2、NOx）。同规模的核电与煤电相比，核电向环境释放的温室气体只有煤电的百分之一。因此，发展核能是优化能源结构、解决我国现阶段能源与环境相互矛盾问题的重要途径。在大力发展核能，追求核反应堆高的功率密度（经济性）的同时，其安全性也应备受关注。2011年3月，日本特大地震，海啸导致福岛核电反应堆主冷却系统及应急冷却系统破坏失效，堆芯失水，堆芯余热导致燃料元件熔化、破损，大量放射性产物外泄，形成地震-海啸-核事故的连环灾难，造成极端外部事件叠加引发的多堆共模严重事故。该事故发生后，反应堆的安全性再次引发公众的关注。目前，商用轻水反应堆中应用最为广泛的核燃料为陶瓷型二氧化铀（UO2），其显著缺点是热导率低（在室温和1000℃分别为7.5W/m.k和2.8W/m.k），仅为金属铀的十几分之一。因此，二氧化铀燃料芯块在堆内服役时，内部形成高的径向温度梯度（2000~4000℃/cm），产生较大热应力和裂纹，在高燃耗下易增加裂变气体释放速率；同时，也降低了燃料芯块到冷却剂间的热传输效率（能量输出效率低）。这均制约了二氧化铀燃料的使用效率和寿命，并直接影响核电站失水事故的序列。因此，可以认为，提升二氧化铀燃料芯块导热性能，可降低裂变气体释放和芯块热开裂可能性，使反应堆产生更多热能，同时保持电站的安全性。为此，迫切需要开发一种新型核燃料，其具备良好的导热性能，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对现有的陶瓷型二氧化铀作为轻水堆核燃料时，其存在导热性能的不足，提供一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法。本专利技术利用金属钼高熔点、高导热性和低中子吸收截面等优点，在二氧化铀原料粉中添入适量钼粉，并将粉坯在还原气氛下进行预烧结，大幅降低二氧化铀/钼复合燃料中高界面热阻化合物（钼的氧化物）含量，结合放电等离子体烧结方法，显著降低烧结温度，有效调控复合燃料的相界面结构，改善二氧化铀的导热性能。本专利技术能快速、高效地获得具有良好导热性能的高致密二氧化铀/钼复合燃料，该燃料能作为轻水堆中事故容错核燃料，具有较好的应用前景，对于提高反应堆的安全性具有较好的应用价值。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料，以二氧化铀粉、高纯钼粉（纯度大于99.9%）为原料制备而成。所述二氧化铀粉、钼粉的体积比为85~97:3~15。前述二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料的制备方法，包括如下步骤：（1）制备二氧化铀/钼金属陶瓷混合粉末按配比分别称取二氧化铀粉、钼粉，混合，得到第一混合物；将第一混合物与二氧化锆磨球、研磨介质混合后，装入尼龙球磨罐中，并向球磨罐中充入氩气保护，进行湿法球磨，湿法球磨后的浆料依次经沉淀、干燥后，过筛，得到二氧化铀/钼混合粉末；（2）混粉成形将步骤（1）制备的二氧化铀/钼混合粉末装入粉末冶金模具中，进行模压成型，制得冷压坯；（3）还原气氛预烧结将步骤（2）制备的冷压坯进行还原气氛预烧结，得到二氧化铀/钼预烧结体；（4）放电等离子体烧结成型将步骤（3）制备的二氧化铀/钼预烧结体装入石墨模具中，进行放电等离子体烧结成型；（5）后处理将步骤（4）放电等离子体烧结后的复合材料进行脱模，即得二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料；所述步骤1中，二氧化铀粉、钼粉的体积比为（85~97）:（3~15）。所述步骤1中，湿法球磨的条件如下：转速为120～280r/min，时间为2～24h。所述步骤1中，过80~200目金属筛网，得到二氧化铀/钼混合粉末。所述第一混合物、二氧化锆磨球、研磨介质的质量比为（1～3）∶（4～12）∶（1～6）。所述二氧化锆磨球的粒径为1~8mm，所述研磨介质为无水乙醇或丙酮。所述步骤2中，模压成型的条件如下：轴向压力为100MPa～300MPa，时间3min～20min。所述步骤3中，将步骤2制备的冷压坯在200℃～800℃下还原气氛预烧结30min~300min，所用还原气氛为氢气。所述步骤4中，放电等离子体烧结的温度为1200℃-1700℃，压力为20MPa~100MPa，真空度为10-2Pa～20Pa，时间为1min～30min。所述步骤5中，将步骤（4）放电等离子体烧结后的复合材料进行脱模，再经表面处理后，即得二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料。针对前述问题，本专利技术提供一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法。其制备方法包括如下步骤：二氧化铀/钼混合粉末制备、压制成形、还原气氛预烧结、放电等离子体烧结成型。本专利技术中，首先按配比称取二氧化铀粉、钼粉（其中，二氧化铀粉、钼粉的体积比为（85-97）：（3-15）），混合得到第一混合物。将第一混合物与二氧化锆磨球、研磨介质混合后，装入尼龙球磨罐中，并向球磨罐中充入氩气保护，进行湿法球磨，湿法球磨后的浆料依次经沉淀、干燥、过80-200目金属筛网后，得到二氧化铀/铀混合粉末。其中，磨球采用粒径为1mm～8mm的二氧化锆磨球，研磨介质为无水乙醇或丙酮。二氧化铀/钼金属陶瓷粉末、二氧化锆磨球及研磨介质的按照质量比为（1～3）∶（4～12）∶（1～6）的比例混合。球磨机转速为120r/min～280r/min，研磨时间为2h～24h。然后，再将研磨后得到的二氧化铀/钼混合粉末装入粉末冶金模具中，进行模压成型，制得冷压坯。再将冷压坯进行还原气氛预烧结，得到二氧化铀/钼预烧结体。然后，将二氧化铀/钼预烧结体试样装入石墨模具中，进行放电等离子体烧结成型。将成型后的复合材料进行脱处理模后（即进行包套脱除处理），表面处理即得二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料。模压成型压力为100～300MPa，保压时间3～20min；将模压后的坯料进行还原气氛预烧结，200℃～800℃下还原气氛预烧结30min~300min，所用烧结气氛为氢气；放电等离子体烧结的温度为1200℃-1700℃，压力为20MPa~100MPa，真空度为10-2Pa～20Pa，时间为1min～30min。本专利技术的制备方法设计科学合理，工艺流程快速高效，能够满足工业化、大规模批量生产的需要。利用本专利技术，能大幅降低二氧化铀/钼复合燃料中的高界面热阻化合物（钼的氧化物）含量，有效控制复合燃料相界面结构，在相对较低的烧结温度下，获得具有良好导热性能的高致密二氧化铀/钼复合燃料。本专利技术制备的二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料能作为轻水堆中事故容错核燃料，具有较高的应用价值和较好的应用前景。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1为所制备的二氧化铀/钼燃料样品实物图。图2为所制备的二氧化铀/本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料，其特征在于，以二氧化铀粉、高纯钼粉为原料制备而成。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料，其特征在于，以二氧化铀粉、高纯钼粉为原料制备而成。2.根据权利要求1所述二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料，其特征在于，所述二氧化铀粉、钼粉的体积比为85~97:3~15。3.根据权利要求1或2所述二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）制备二氧化铀/钼金属陶瓷混合粉末按配比分别称取二氧化铀粉、钼粉，混合，得到第一混合物；将第一混合物与二氧化锆磨球、研磨介质混合后，装入尼龙球磨罐中，并向球磨罐中充入氩气保护，进行湿法球磨，湿法球磨后的浆料依次经沉淀、干燥后，过筛，得到二氧化铀/钼混合粉末；（2）混粉成形将步骤（1）制备的二氧化铀/钼混合粉末装入粉末冶金模具中，进行模压成型，制得冷压坯；（3）还原气氛预烧结将步骤（2）制备的冷压坯进行还原气氛预烧结，得到二氧化铀/钼预烧结体；（4）放电等离子体烧结成型将步骤（3）制备的二氧化铀/钼预烧结体装入石墨模具中，进行放电等离子体烧结成型；（5）后处理将步骤（4）放电等离子体烧结后的复合材料进行脱模，即得二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料；所述步骤1中，二氧化铀粉、钼粉的体积比为（85~97）:（3~15）...

【专利技术属性】
技术研发人员：程亮，张鹏程，高瑞，杨振亮，李冰清，贾建平，刘朋闯，段丽美，刘徐徐，钟毅，黄奇奇，王志毅，刘彤，黄华伟，孙茂州，马赵丹丹，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，中广核研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51