一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，解决了现有技术中UO2燃料芯块在高温下热导率急剧下降，气态裂变产物容留能力迅速减弱的问题。本发明专利技术的制备方法将球形度良好的UO2‑增强相复合物颗粒冷压成形后，得到核燃料芯块素坯，然后将所述核燃料芯块素坯在活性气氛下进行高温气氛烧结，得到增强型UO2核燃料芯块；所述UO2‑增强相复合物颗粒由UO2粉末与增强相、润滑剂为原料制成；所述增强相的用量为UO2粉末质量的0.05～5wt.％。本发明专利技术方法简单，设计科学，增强型UO2燃料芯块在高温下的热导率性能和对气态裂变产物的容留能力相对于现有UO2燃料芯块将大幅提升。

【技术实现步骤摘要】
一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法
本专利技术属于核燃料
，具体涉及一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法。
技术介绍
二氧化铀(UO2)是目前商业核反应堆中应用最广泛的核燃料材料。UO2具有一系列的优点，例如，中子熔点高，辐照稳定性，俘获截面低，对冷却剂水的抗腐蚀性能好，与包壳材料有很好的相容性等。然而，随着核工业对核燃料系统的安全性要求的不断提高，其高温热导率低，裂变产物容留能力弱的问题变得越来越严重。在冷却剂丧失的事故状态下，传统的UO2燃料芯块的热导率将急剧衰退，芯块温度迅速升高，中心线到燃料芯块表面的温度梯度不断增大，裂变产物释放量显著增加，同时导致锆合金燃料包壳与水蒸气的高温氧化释氢反应加剧。该状况若得不到有效缓解将导致燃料芯块开裂变形，直至熔毁，不断释放大量裂变产物，包壳管破裂，释放的大量氢气在高温下发生爆炸，压力容器载荷不断增大，直至因内压过大而发生爆炸，造成严重的核事故(R.O.Meyer,Nucl.Technol.,2006,155:293)。为了有效抑制以上严重核事故的发生，必须尽可能提高燃料芯块的热导率以及对裂变产物的容留能力。晶界的阻挡是限制UO2热导率的一个关键因素。研究表明，在不同温度下，UO2热导率均呈现随着晶粒尺寸的增加而上升的趋势(LihaoGea,JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2014,34:1791)。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究结果表明，UO2晶体中在不同取向的热导率不同，而晶界的存在则会极大程度上的导致热导率的降低。因此，制备大晶粒尺寸的UO2成为除添加热导率增强相之外提高UO2核燃料热导率的另一重要手段(K.Gofryk,NatureCommunications,2014,5,4551)。同时，晶粒尺寸的增大还能够极大的改善燃料的裂变气体包容性，对改进燃料安全性能有着重要的作用。因此，提供一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，工艺简单，操作方便，所得芯块晶粒大，热导率高，能有效提升安全性能，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：提供一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，解决现有技术中UO2燃料芯块在高温下热导率急剧下降，气态裂变产物容留能力迅速减弱的问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术所述的一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，将球形度良好(近球形)的UO2-增强相复合物颗粒冷压成形后，得到核燃料芯块素坯，然后将所述核燃料芯块素坯在活性气氛下进行高温气氛烧结，得到增强型UO2核燃料芯块；所述UO2-增强相复合物颗粒由UO2粉末与增强相、润滑剂为原料制成；所述增强相的用量为UO2粉末质量的0.05～5wt.％。进一步地，具体包括以下步骤：步骤1.将球形度良好的UO2-增强相复合物颗粒装入粉末冶金成形模具中，压制成核燃料芯块素坯；步骤2.将步骤1制得的核燃料芯块素坯装入气氛烧结炉内，在活性气氛下进行低温脱脂和高温烧结，冷却后得到增强型UO2燃料芯块。进一步地，所述步骤1中，压制成的核燃料芯块素坯密度为5.0～7.0g/cm3。进一步地，所述活性气氛为纯氢气的气氛、氢气+0.2～8vol％氩气混合气的气氛、氢气+0.2～8vol％二氧化碳混合气的气氛、氢气+0.2～8vol％氮气混合气的气氛、氢气+0.5～15vol％水蒸气混合气的气氛中的任意一种。进一步地，所述步骤2中，脱脂温度为400～800℃，保温时间为1～8小时。进一步地，所述步骤2中，烧结温度为1600～1800℃，保温时间为0.5～6小时。进一步地，球形度良好的UO2-增强相复合物颗粒的制备方法包括以下步骤：步骤A.将UO2粉末与增强相、润滑剂混合均匀，得到UO2与增强相的混合物粉末；步骤B.将步骤A所得混合粉末压制成混合物预压坯，再将所述混合物预压坯破碎、过筛后得到复合颗粒；步骤C.将步骤B制得的复合颗粒研磨球化后，得到球形度良好的UO2-增强相复合物颗粒。进一步地，所述步骤A中，所述润滑剂的用量为UO2粉末质量的0.05～0.8wt.％；所述增强相的用量为UO2粉末质量的0.05～2wt.％时，能加速UO2晶界扩展，促进UO2晶粒的生长；所述增强相的用量大于UO2粉末质量2wt.％，且小于等于5wt.％时，能抑制UO2晶界的扩展，弥散强化芯块的热导率。进一步地，所述UO2粉末的粒径为50nm～500μm；所述增强相选自TiC、VC、Cr3C2、MoC、MoC2、ZrC中的任意一种或几种；所述润滑剂选自硬脂酸锌、阿克蜡中的任意一种。进一步地，所述步骤A中的混合时间为6～24小时；所述步骤B中混合物粉末用粉末冶金预压模具或冷等静压机在50～600MPa压力下压制成混合物预压坯，所述复合颗粒的粒径为20～200目；所述步骤C中，将所述复合颗粒球化设备中进行研磨球化1～12小时。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术方法简单，设计科学，通过向UO2原料中均匀添加少量增强相，再经过造粒和成形得到适当尺寸和密度的芯块素坯，最后在活化气氛中进行高温烧结，得到UO2平均晶粒尺寸显著大于传统UO2燃料芯块，热导率明显优于传统UO2燃料芯块的增强型UO2芯块。本专利技术中，增强相的用量为UO2粉末质量的0.05～2wt.％时，能加速UO2晶界扩展，促进UO2晶粒的生长，得到大晶粒的芯块。从而提高芯块的热导率，改善燃料的裂变气体包容性本专利技术中，当增强相的用量为2-5wt.％时，反而抑制UO2晶界的扩展。此时增强相主要起到热导率增强相弥散强化的作用，通过弥散强化提高芯块的热导率。碳化钛(TiC)、碳化钒(VC)、碳化铬(Cr3C2)、碳化钼(MoC、MoC2)、碳化锆等是一类高温结构稳定性及抗高温氧化性能优异，热导率及热膨胀性能明显优于UO2的材料，广泛应用于航空航天，及武器装备领域。采用上述碳化物材料为增强相对UO2芯块进行掺杂改性，不仅可以有效促进芯块烧结过程中UO2晶粒的生长，得到大晶粒尺寸的UO2芯块，还能提升芯块的热导率性能。更重要的是，在高温环境下，上述碳化物材料与UO2发生反应后会生成UOC化合物，UOC化合物具有优异的热物理性能，这一反应还将进一步提升芯块的热导率性能。上述碳化物材料的添加对UO2芯块的高温抗氧化性能也将有一定改善。目前，国内外关于上述材料增强UO2芯块的研究内容尚无文献报道。本专利技术中所选用的TiC、VC、Cr3C2、MoC、MoC2、ZrC等增强相为核燃料行业通用国标《GBT10266-2008烧结二氧化铀芯块技术条件》中规定允许含有的杂质元素。由于本专利技术采用多种活化气氛进行UO2芯块的高温活化烧结，增强相的添加量相对于传统的氩氢混合气的烧结条件可大幅降低。本专利技术中增强相的用量为UO2粉末质量的0.05～5wt.％，经国内核电企业计算，该条件不会对芯块的综合性能造成明显的负面影响，同时可大幅提高芯块对裂变产物的容留能力，有效提高芯块的热导率性能，满足增强型UO2芯块的技术要求。本专利技术针的制备工艺与现有UO2燃料芯块的制备技术相差不大，得到的芯块产品在成分和外形尺寸上与现有UO2燃料芯块也几乎一致。然而，增强型UO2燃料芯块在高温下的热导率性能和对气态裂变产物的容留能力相对于现有UO2燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，其特征在于，将球形度良好的UO2‑增强相复合物颗粒冷压成形后，得到核燃料芯块素坯，然后将所述核燃料芯块素坯在活性气氛下进行高温气氛烧结，得到增强型UO2核燃料芯块；所述UO2‑增强相复合物颗粒由UO2粉末与增强相、润滑剂为原料制成；所述增强相的用量为UO2粉末质量的0.05～5wt.％。

【技术特征摘要】
1.一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，其特征在于，将球形度良好的UO2-增强相复合物颗粒冷压成形后，得到核燃料芯块素坯，然后将所述核燃料芯块素坯在活性气氛下进行高温气氛烧结，得到增强型UO2核燃料芯块；所述UO2-增强相复合物颗粒由UO2粉末与增强相、润滑剂为原料制成；所述增强相的用量为UO2粉末质量的0.05～5wt.％。2.根据权利要求1所述的一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1.将球形度良好的UO2-增强相复合物颗粒装入粉末冶金成形模具中，压制成核燃料芯块素坯；步骤2.将步骤1制得的核燃料芯块素坯装入气氛烧结炉内，在活性气氛下进行低温脱脂和高温烧结，冷却后得到增强型UO2燃料芯块。3.根据权利要求2所述的一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，压制成的核燃料芯块素坯密度为5.0～7.0g/cm3。4.根据权利要求3所述的一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，其特征在于，所述活性气氛为纯氢气的气氛、氢气+0.2～8vol％氩气混合气的气氛、氢气+0.2～8vol％二氧化碳混合气的气氛、氢气+0.2～8vol％氮气混合气的气氛、氢气+0.5～15vol％水蒸气混合气的气氛中的任意一种。5.根据权利要求4所述的一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，脱脂温度为400～800℃，保温时间为1～8小时。6.根据权利要求5所述的一种增强型UO2核燃料芯块的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，烧结温度为1600～1800℃，保温时间为0...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨振亮，李冰清，高瑞，褚明福，张鹏程，刘徐徐，钟毅，段丽美，黄奇奇，王志毅，程亮，刘朋闯，严彪杰，王昀，
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