碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法，包括：

【技术实现步骤摘要】
碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法


[0001]本专利技术涉及核燃料
，尤其涉及一种碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法
。

技术介绍

[0002]核燃料作为核反应堆的核心部件，在正常和事故工况下核燃料是否仍然保持完整性直接影响到核安全
。
为了进一步提高核安全，在包壳材料防护的基础上，采用惰性基体材料将燃料芯块进行包裹，从而防止因燃料包壳破损导致的核燃料泄漏
。
[0003]美国提出的全陶瓷包覆燃料
(FCM)
，通过采用
SiC
惰性基体，使得安全性得到极大地提高
。
然而
SiC
惰性基体在辐照后热导率低于
10W/m
·
K
，导致燃料中心温度极易升高，同时
FCM
的
SiC
惰性基体会受到裂变产物
Pd、Ag
和
Cs
等的侵蚀，安全许用温度在
1600℃
以下，并且
SiC
材料强度高且耐酸碱腐蚀，不利于后续乏燃料的处理
。
[0004]碳化锆
(ZrC)
作为超高温陶瓷，具有优异的高温稳定性能
(
熔点为
3530℃
且不发生高温相变
)
，因其中子吸收截面小
、
耐核裂变产物腐蚀
、
辐照后热导率高
、
耐铅铋和熔盐腐蚀，可作为新型反应堆弥散燃料的惰性基体的绝佳候选材料
。
但是因为其高熔点，
ZrC
陶瓷的制备难度非常大，通常需要在高温
、
高压条件下才能实现致密陶瓷的制备，烧结助剂的加入虽然可有效降低其烧结温度，然而过多液相助剂引入可能导致其高温性能
、
腐蚀性能和抗辐照等性能大幅度降低
。
采用
ZrC
作为惰性基体进行弥散燃料芯块的制备时，不仅要控制
TRISO
颗粒在基体的均匀分布，而且要对无燃料区体积百分比进行调控，这无疑进一步加大了
ZrC
惰性基弥散燃料芯块的制备难度
。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种降低制备难度的碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法
。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、
以
ZrC
粉体
、
烧结助剂和分散剂为原料，制成混合粉体和混合浆料；
[0008]S2、
将所述混合粉体和燃料小球
、
溶剂混合，使所述混合粉体包覆在所述燃料小球的表面，形成具有包覆层的燃料小球；
[0009]S3、
将所述混合浆料涂覆在石墨纸上，将所述石墨纸贴合在石墨模具的内壁面上；
[0010]S4、
将步骤
S2
得到的具有包覆层的燃料小球装入所述石墨模具内，并将所述石墨模具置入烧结炉内进行烧结，制得碳化锆惰性基体弥散燃料芯块
。
[0011]优选地，所述烧结助剂包括
Si、ZrSi2、ZrH2、
石墨中至少一种
。
[0012]优选地，所述分散剂包括聚乙烯亚胺
、
聚乙烯醇缩丁醛脂
、
四甲基氢氧化铵中至少一种
。
[0013]优选地，所述
ZrC
粉体的粒径为
0.01
μ
m
～
10
μ
m
，纯度为
99
～
99.999
％
。
[0014]优选地，所述烧结助剂的粒径为
0.1
μ
m
～
10
μ
m
，纯度为
99
～
99.999
％
。
[0015]优选地，步骤
S1
中，所述烧结助剂在所述
ZrC
粉体和烧结助剂中的重量百分比为
0.5
％～
20
％；所述分散剂在所述
ZrC
粉体
、
烧结助剂和分散剂中的重量百分比为
0.1
％～5％
。
[0016]优选地，步骤
S1
中，将
ZrC
粉体
、
烧结助剂和分散剂球磨混合，形成混合浆料；将所述混合浆料分成两份，将其中一份混合浆料进行旋转蒸发，烘干后得到混合粉体
。
[0017]优选地，步骤
S2
中，所述燃料小球包括纯燃料物质小球
、TRISO
颗粒小球中至少一种
。
[0018]优选地，步骤
S2
中，所述燃料小球的燃料物质包括
UO2、UC、UC2、UN、UCN、UCO、U3Si2、U
合金
、PuO2、PuC、PuN、Pu
合金中至少一种
。
[0019]优选地，步骤
S2
中，所述燃料小球在所述混合粉体和燃料小球中的体积百分比为
25
％～
70
％
。
[0020]优选地，步骤
S2
中，所述溶剂包括去离子水
、
无水乙醇
、
丙酮
、
聚乙烯醇中至少一种
。
[0021]优选地，步骤
S2
中，将所述混合粉体和燃料小球放入穿衣机的容器内，在所述穿衣机旋转过程中往其容器内喷所述溶剂，使所述混合粉体包覆在所述燃料小球的表面；其中，所述混合粉体与所述溶剂的质量比为1：4～1：
2。
[0022]优选地，步骤
S3
中，所述混合浆料涂覆在所述石墨纸的一面上，涂覆的厚度为
10
μ
m
～
1000
μ
m
；将所述石墨纸以未涂覆混合浆料的一面贴合在所述石墨模具的内壁面上
。
[0023]优选地，步骤
S4
中，烧结的方式包括热压烧结
、
热等静压烧结
、
放电等离子烧结中至少一种
。
[0024]优选地，步骤
S4
中，烧结的温度为
1500℃
～
1800℃
，烧结的压力为
10MPa
～
50MPa
，保温时间为
10min
～
120min
，烧结气氛为
Ar、N2或真空中至少一种...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
以
ZrC
粉体
、
烧结助剂和分散剂为原料，制成混合粉体和混合浆料；
S2、
将所述混合粉体和燃料小球
、
溶剂混合，使所述混合粉体包覆在所述燃料小球的表面，形成具有包覆层的燃料小球；
S3、
将所述混合浆料涂覆在石墨纸上，将所述石墨纸贴合在石墨模具的内壁面上；
S4、
将步骤
S2
得到的具有包覆层的燃料小球装入所述石墨模具内，并将所述石墨模具置入烧结炉内进行烧结，制得碳化锆惰性基体弥散燃料芯块
。2.
根据权利要求1所述的碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂包括
Si、ZrSi2、ZrH2、
石墨中至少一种；所述分散剂包括聚乙烯亚胺
、
聚乙烯醇缩丁醛脂
、
四甲基氢氧化铵中至少一种
。3.
根据权利要求1所述的碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法，其特征在于，所述
ZrC
粉体的粒径为
0.01
μ
m
～
10
μ
m
，纯度为
99
～
99.999
％；所述烧结助剂的粒径为
0.1
μ
m
～
10
μ
m
，纯度为
99
～
99.999
％
。4.
根据权利要求1所述的碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤
S1
中，所述烧结助剂在所述
ZrC
粉体和烧结助剂中的重量百分比为
0.5
％～
20
％；所述分散剂在所述
ZrC
粉体
、
烧结助剂和分散剂中的重量百分比为
0.1
％～5％
。5.
根据权利要求1所述的碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤
S1
中，将
ZrC
粉体
、
烧结助剂和分散剂球磨混合，形成混合浆料；将所述混合浆料分成两份，将其中一份混合浆料进行旋转蒸发，烘干后得到混合粉体
。6.
根据权利要求1所述的碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤
S2
中，所述燃料小球包括纯燃料物质小球
、TRISO
颗粒小球中至少一种
。7.
根据权利要求1所述的碳化锆惰性基体弥散燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤
S2
中，所述燃料小球的燃料物质包括
UO2、UC、UC2、UN、UCN、UCO、U3Si2、U
合金
、PuO2、PuC、PuN、Pu
合金中至少一种
。8.
根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：任啟森，吴利翔，廖业宏，薛佳祥，谢亦然，刘洋，严俊，
申请(专利权)人：中广核研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：