提高核裂变气体捕获能力的核燃料用二氧化铀芯块及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种二氧化铀芯块及其制备方法，该二氧化铀芯块含有氧化物添加剂，从而提高用于核燃料的二氧化铀芯块的核裂变气体的吸附性能，同时促进晶粒大小的生长，通过在二氧化铀中添加烧结添加剂La2O3‑

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】提高核裂变气体捕获能力的核燃料用二氧化铀芯块及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种芯块及其制备方法，该芯块含有氧化物添加剂，以促进核燃料用二氧化铀芯块的晶粒大小的生长并提高核裂变气体捕获能力。

技术介绍

[0002]自1970年以来，人们一直致力于核电站用二氧化铀芯块的研究，以改善其性能。首先，自1970年以来，二氧化铀芯块的开发重点是通过添加氧化物促进晶粒大小的生长，从而防止在正常和转变状态下运转时可能由芯块与包壳相互作用(Pellet Cladding Interaction，PCI)引起的燃料棒破损现象。根据全世界关于添加剂的诸多研究结果，核燃料制造商AREVA(现在的法马通公司)、西屋原子(Westinghouse Atom)公司分别完成了Cr2O3、Cr2O3‑
Al2O3的开发，目前为了商业发展已经取得或正在取得监管机构的许可。
[0003]当包壳与芯块相互接触时，由PCI引起的燃料棒破损现象从30GWD/MTU以上开始发生，此时，芯块向包壳半径方向施加外力引起机械变形并导致断裂。然而，具有作为添加氧化物的结果的大晶粒显微组织的芯块，在引起包壳变形之前会使芯块本身发生塑性变形，从而消除因受热、体积膨胀导致的芯块与包壳之间的相互应力。并且，作为通过核反应生成的各种核裂变气体可以逸出的通道的晶界面积减少，从而降低了核裂变气体向芯块外部逸出的速度。从逸出至二氧化铀芯块外部的核裂变气体与燃料棒的内表面反应形成陶瓷化合物而加速脆性破坏的角度来讲，这是具有能够提高核燃料棒的安全性的重要的大晶粒的芯块所具有的一个特点。如上所述，减少PCI损伤的烧结添加剂的作用基本是增大二氧化铀芯块的晶粒。这是由于在二氧化铀的烧结过程中，氧化物添加剂促进了铀阳离子在烧结温度下的移动，由此，发达的微观组织提高了在核电站熔炉(furnace)燃烧过程中的安全性以及发电站的运行裕度。
[0004]此后，由于2011年福岛第一核电站的氢爆炸引发的放射能泄漏事故，以进一步加强安全性的核燃料的性能改善为目标，世界范围内再一次展开了研究。最终，事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel，ATF)的开始以芯块及包壳为开发对象。全球的ATF核燃料开发始于2012年美国能源部的研发投资，作为目前用于得到适当的最终候选物的研究，已发展到在辐照测试之后测试燃料棒(Lead Test Rod,LTR)的单元测试的水平。在迄今为止开发的ATF芯块中，基于二氧化铀的候选物包括：在二氧化铀芯块中分散配置碳化硅晶须(SiC晶须)或金刚石颗粒的复合材料形态、以及在二氧化铀基质内形成金属网的金属微单元形态，所有这些都旨在提高导热率。然而，从制备和炉内燃烧过程中的尺寸稳定性而言，添加有氧化物且具有大晶粒的二氧化铀芯块(含有用于降低PCI破损的添加剂)被认为是可行性最高的ATF芯块的强有力的最终候选物，但目前仍在开发中。
[0005]一般而言，在平均粒径大小为40μm(二维测量)以上的芯块中，观察到通过晶粒的生长来提高性能。根据C.Delafoy等人的研究结果(2007年国际轻水堆燃料性能会议论文集)，作为氧化试验的结果，相比于平均晶粒为40μm以上的芯块，平均晶粒大小为20μm左右
的芯块减重高达5倍左右。即、可以看出大晶粒芯块具有较高的抗氧化性。
[0006]在K.Fuglesang HWR
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1161,(2016年)的研究结果中，发表了在实验反应堆(Experimental Reactor)中燃烧后，从具有40μm以上的晶粒的芯块中测得的核裂变气体量显著低于10μm左右的一般芯块。在核反应堆内发生事故时，可以排放到外部的放射源(source term)的允许标准基于美国NRC 10CFR50.67的“事故源项(Accident source term)”时，以禁区边界(Exclusion Area Boundary)为基准不能超过25rem，而大晶粒芯块具有能够减少事故条件下减少这种可泄漏到外部的放射源量的效果。
[0007]一般而言，气态的核裂变物质在大气扩散方面可能对外部覆盖量起到重大的影响。因此，橡树岭国家实验室(Oak ridge national Lab.)通过C NF11
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19报告了一个积极的结果，可以通过核裂变气体与芯块内部物质的反应形成化合物以阻止大气扩散。由于铯(Cs)是一种典型的核裂变气体，它通过与氧化硅的结合形成Cs2Si4O3化合物而被稳定化，因此为了制备含有大晶粒氧化硅的芯块来捕获核裂变产生的气体，日本进行了添加剂的开发。
[0008]日本授权专利第2603382号、第3999843号公开了，以各种比率添加0.01至0.25wt％的Al2O3和SiO2以获得大晶粒，从而获得较高的蠕变速率。日本大阪大学松永博士的2014年博士学位论文“关于与铯/碘及氦氧化物燃料的相互作用的研究”，报告了添加剂Al2O3和SiO2形成的铝硅酸盐(Alu minosilicate)液相捕获铯的结果。最终表明添加剂的作用不只是通过加入添加剂促进晶粒生长，而是可以捕获存在于二氧化铀基质内且具有放射性的核裂变气体。根据T.Matsuda et al.,IAEA
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TECDOC
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1036(1996年)的报告，Al2O3和SiO2形成的液相远早于二氧化铀烧结温度，由于高蒸汽压而在烧结过程中挥发，因而重量减轻，在松永博士的博士学位论文中也确认了在添加0.025wt％、0.25wt％的Al2O3‑
SiO2的情况下，平均晶粒都保持在20μm左右(二维测量)。考虑到这一点，在烧结温度和特定烧结气氛下可以促进物质移动以促进晶粒生长，其性能随着能够捕获核反应堆内燃烧时产生的核裂变产物铯的含有SiO2的化合物的挥发而降低。即、即使为了促进更活跃的晶粒生长和吸附裂变物质而增加添加剂含量，Al2O3‑
SiO2添加剂由于挥发而降低了液相分率，因而添加剂的效果有限。
[0009]已知将稀土类金属氧化物添加至通常用作耐火材料的氧化物，能够起到提高耐火材料的玻璃转变温度(T
g
)或熔点(T
m
)的功能。其原理为，在高温下使存在于玻璃态或液相中的非晶态金属
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氧化合物的键合形成高场强(High field strength)以提高非桥连氧原子(Non
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Bridging Oxygen,NBO,NBO)的键合力，从而使得相变温度升高。然而，目前尚不清楚对沸点(T
b
)起到什么样的影响。
[0010]现有技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1：日本授权专利第02603382号(授权日：1997.01.29.)
[0013]专利文献2：日本授权专利第03999843号(授权日：2007.08.17.)
[0014]非专利文献
[0015]非专利文献1：C.Felafoy et al.,WRFPM 2007本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于核燃料的二氧化铀芯块，其特征在于，包含二氧化铀和核燃料添加剂，所述核燃料添加剂包含氧化镧(La2O3)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)。2.根据权利要求1所述的二氧化铀芯块，其特征在于，相对于100重量份的所述二氧化铀，所述核燃料添加剂的含量为0.05至0.15重量份。3.根据权利要求1所述的二氧化铀芯块，其特征在于，相对于100重量份的所述二氧化铀，所述氧化镧的含量为0.005至0.015重量份，所述氧化铝的含量为0.015至0.045重量份，所述氧化硅的含量为0.03至0.09重量份。4.根据权利要求1所述的二氧化铀芯块，其特征在于，所述二氧化铀芯块的晶粒的大小为40μm以上60μm以下，基于下式1得到的Si元素挥发比率小于20％，式1：Si元素挥发比率(％)＝(Si元素挥发重量/Si元素添加重量)
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100。5.一种二氧化铀芯块的制备方法，其特征在于，包括：(a)准备二氧化铀粉末的步骤；(b)混合氧化镧(La2O3)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：林光荣，郑泰植，罗年洙，周旼帝，李昇宰，金润豪，
申请(专利权)人：韩电原子力燃料株式会社，
类型：发明
国别省市：