一种核电站复合结构燃料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种核电站复合结构燃料及其制备方法，核电站复合结构燃料由以下质量百分比的原料制成：30

【技术实现步骤摘要】
一种核电站复合结构燃料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及复合结构燃料芯块制备
，尤其涉及一种核电站复合结构燃料及其制备方法。

技术介绍

[0002]福岛核电站事故发生后，制造能够长时间承受事故条件的事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel，ATF)成为了核电行业的研究重点。ATF必须在正常和瞬态运行条件下以及在潜在的设计基准事故(DBA)和超设计基准事故(BDBA)期间保持或提高燃料性能。高铀密度燃料芯块有利于提高燃耗、增加燃料循环长度和减少乏燃料体积，从而能有效提高核电站的安全性和经济性。但是高铀密度燃料在与轻水反应堆(LWR)系统中的冷却水接触时具有较低的抗氧化性。在这种情况下，高铀密度燃料很容易与冷却剂发生反应并失去其结构完整性，从而导致燃料芯块氧化、粉碎、冲刷和移动。目前研究者采取多种方法进行改善，例如引入掺杂剂、加入第二相、包覆保护层、制备复合结构芯块等，其中制备复合结构芯块最有望解决这个问题。
[0003]专利号为201911325484.6的专利技术专利提供一种UO2复合UN
‑
UO2燃料芯块的制备方法，其在芯块外部设置了具有抗氧化性的保护层，但在烧结过程中由于内部复合粉末区域比外圈粉末区域的收缩率大，导致复合结构芯块内部界面结合性差，从而增加芯块内部热阻，降低了核电站运行的安全性。专利号为202210697559.9的专利技术专利提供一种复合结构燃料及其制备方法，其通过一步烧结法制备具有良好界面结合性的复合燃料芯块，但需要较高的烧结温度。
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技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种核电站复合结构燃料及其制备方法。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种核电站复合结构燃料，由以下质量百分比的原料制成：30
‑
70％原料A1、余量为原料A2和原料B，且所述原料A2和所述原料B的质量满足：B/(A2+B)＝3
‑
50％；所述原料A1、所述原料A2分别都为UO2或PuO2，所述原料B为UN、UC、U3Si2、UCN、UCO、PuC或PuN。
[0006]优选地，核电站复合结构燃料包括紧密结合的芯部和外层，且核电站复合结构燃料是由高铀混合粉末压制成的芯部和UO2粉末压制成的外层，或由高钚混合粉末压制成的芯部和PuO2粉末压制成的外层，经过两步烧结而成。
[0007]一种上述核电站复合结构燃料的制备方法，原料以质量百分比计，包括以下步骤：
[0008]S1、混料：取原料A1与液体介质混合后球磨、干燥并过筛，得到外层原料；取原料A2和原料B与液体介质混合后球磨、干燥并过筛，得到芯部原料，其中，原料A1占原料总质量的30
‑
70％，所述原料B与所述原料A2和所述原料B的质量百分比B/(A2+B)＝3
‑
50％；所述原料A1、所述原料A2分别都为UO2或PuO2，所述原料B为UN、UC、U3Si2、UCN、UCO、PuC或PuN；
[0009]S2、芯部压制成型：在10
‑
80MPa下将所述芯部原料压制成柱状燃料芯部生坯；
[0010]S3、第一步烧结：将所述S2步骤所得的燃料芯部生坯在500～1400℃、0～200MPa下烧结，得到燃料芯部；
[0011]S4、外层压制成型：在10
‑
80MPa的压力下将所述外层原料压制成第一外层生坯；
[0012]S5、组合：将所述S3步骤得到的燃料芯部置于所述S4步骤得的第一外层生坯内，在10
‑
80MPa的压力下压制出第二外层生坯，得到复合结构燃料组合件；
[0013]S6、第二步烧结：将所述S5步骤得到的复合结构燃料组合件在1000～1600℃、0～200MPa下烧结，得到复合结构燃料。
[0014]优选地，所述原料A1、所述原料A2和所述原料B均为粉末，所述原料A1的粒度D50
A1
＝0.3～170μm，所述原料A2的粒度D50
A2
＝0.3～170μm，所述原料B的粒度D50
B
＝0.01～22μm，且D50
B
＜D50
A1
，D50
B
＜D50
A2
。
[0015]优选地，所述原料A1的粒度D50
A1
＝1～100μm，所述原料A2的粒度D50
A2
＝1～100μm，所述原料B的粒度D50
B
＝0.01～10μm，且D50
B
≤0.8D50
A1
，D50
B
≤0.8D50
A2
。
[0016]优选地，所述S1步骤中，所述液体介质为乙醇或丙酮，且所述液体介质与所述原料A1按质量比为1:(3
‑
7)混合，所述液体介质与所述原料A2和所述原料B按质量比为1:(3
‑
7)混合。
[0017]优选地，所述S1步骤中，所述球磨介质为氮化硅、氮化铝或二氧化锆，磨球直径为4
‑
8mm，且球料比为(5
‑
8):1。
[0018]优选地，所述S1步骤中球磨方式为辊式球磨、行星球磨或高能球磨。
[0019]优选地，选择辊式球磨时，转速为50
‑
150r/min、球磨时间为6～12h。
[0020]优选地，选择行星球磨时，转速为150
‑
250r/min、球磨时间为4～6h。
[0021]优选地，选择高能球磨时，转速为150
‑
250r/min、球磨时间为4～6h。
[0022]优选地，所述S1步骤中，干燥温度为40
‑
80℃，干燥时间为10
‑
14h；筛为80
‑
120目。
[0023]优选地，所述S2步骤中，芯部生坯的直径为6～13mm，高度为8～24mm。
[0024]优选地，所述S3、S6步骤中，烧结方式为无压烧结、热压烧结、场辅助烧结中的至少一种，其中无压烧结和热压烧结的时间为1
‑
2.5h，场辅助烧结的时间为6
‑
15min；烧结气氛为真空、氩气或氦气。
[0025]优选地，所述S4步骤中，所述第一外层生坯为管状部件、块状部件、筒状部件中的至少一种。
[0026]优选地，所述S5步骤中，所述第二外层生坯为筒状部件、块状部件中的至少一种。
[0027]优选地，所述S5步骤中，所述第一外层生坯和所述第二外层生坯组合成空心柱状外层，其内径为6～13mm，高度为8～24mm，厚度为1～3mm。
[0028]本专利技术的有益效果：
[0029]本专利技术提供一种核电站复合结构燃料，其中铀元素或钚元素的质量占燃料总质量的88％～92％本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核电站复合结构燃料，其特征在于，由以下质量百分比的原料制成：30
‑
70％原料A1、余量为原料A2和原料B，且所述原料A2和所述原料B的质量满足：B/(A2+B)＝3
‑
50％；所述原料A1、所述原料A2分别都为UO2或PuO2，所述原料B为UN、UC、U3Si2、UCN、UCO、PuC或PuN。2.根据权利要求1所述的核电站复合结构燃料，其特征在于，包括紧密结合的芯部和外层，且所述核电站复合结构燃料是由高铀混合粉末压制成的芯部和UO2粉末压制成的外层，或由高钚混合粉末压制成的芯部和PuO2粉末压制成的外层，经过两步烧结而成。3.一种权利要求1所述的核电站复合结构燃料的制备方法，原料以质量百分比计，其特征在于，包括以下步骤：S1、混料：取原料A1与液体介质混合后球磨、干燥并过筛，得到外层原料；取原料A2和原料B与液体介质混合后球磨、干燥并过筛，得到芯部原料，其中，原料A1占原料总质量的30
‑
70％，所述原料B与所述原料A2和所述原料B的质量百分比B/(A2+B)＝3
‑
50％；所述原料A1、所述原料A2分别都为UO2或PuO2，所述原料B为UN、UC、U3Si2、UCN、UCO、PuC或PuN；S2、芯部压制成型：在10
‑
80MPa下将所述芯部原料压制成柱状燃料芯部生坯；S3、第一步烧结：将所述S2步骤所得的燃料芯部生坯在500～1400℃、0～200MPa下烧结，得到燃料芯部；S4、外层压制成型：在10
‑
80MPa的压力下将所述外层原料压制成第一外层生坯；S5、组合：将所述S3步骤得到的燃料芯部置于所述S4步骤得的第一外层生坯内，在10
‑
80MPa的压力下压制出第二外层生坯，得到复合结构燃料组合件；S6、第二步烧结：将所述S5步骤得到的复合结构燃料组合件在1000～1600℃、0～200MPa下烧结，得到复合结构燃料。4.根据权利要求3所述的核电站复合结构燃料的制备方法，其特征在于，所述原料A1、所述原料A2和所述原料B均为粉末，所述原料A1的粒度D50
A1
＝0.3～170μm，所述原料A2的粒度D50
A2
＝0.3～170μm，所述原料B的粒度D50
B
＝0.01～22μm，且D50
B
＜D50
A1
，D50
B
＜D50
A2
。5.根据权利要求4所述的核电站复合结构燃料的制备方法，其特征在于，所述原料A1的粒度D50
A1
＝1～100μm，所述原料A2的粒度D50
A2
＝1～100μm，所述原料B的粒度D50
B

【专利技术属性】
技术研发人员：杨荣坤，吴利翔，陈明周，王继伟，廖业宏，任啟森，薛佳祥，温建，郭达禧，龚恒风，
申请(专利权)人：中广核研究院有限公司中国广核集团有限公司中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：