【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及弥散燃料元件的设计及制备，具体涉及一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件及其制备方法。
技术介绍
1、高温气冷堆的出口温度高、热电转化效率高等优点被广泛应用于制h、发电等领域。现有的高温气冷堆用燃料元件包括：球形燃料元件、棒束型燃料元件以及棱柱型燃料元件，其基体材料均为石墨。虽然石墨具有良好的导热性能、优良的慢化性能以及低密度和高熔点等，但是石墨的抗氧化性能差，当管道发生破损，有氧环境下，石墨基体迅速氧化失效；此外石墨基体对裂变产物，尤其是气体裂变产物的包容能力差，当多重包覆燃料颗粒(triso颗粒)发生破损时，裂变产物释放，导致一回路污染。为避免燃料元件发生破损，石墨基体氧化失效等问题，现有高温气冷堆需要大量冷却剂净化系统，包括he-xe冷却剂除氧，除水等，导致反应堆的回路系统庞大，不能够应用于体积小、质量轻的航天及陆基堆等。
2、碳化硅陶瓷具有优良的辐照稳定性、优良的裂变产物包容能力、较高的高温力学性能、低中子吸收截面和密度等优点，被广泛用于核动力领域。例如国际上认为sic复合包壳材料具有优良的耐事故能力、高温气冷堆用triso颗粒主要结构层、聚变堆的第一屏障层等。将sic陶瓷替代石墨基体，用于高温气冷堆的多重包覆弥散燃料元件国际和国内也开展了相关研究。文献1“stability of sic-matrix microencapsulated fuel constituentsat relevantlwr conditions.l.l.snead,k.a.terrani.journal of n
3、由于sic材料成型困难，烧结活性低，采用传统的工艺难以制备结构复杂的多重包覆弥散燃料。而采用高温烧结的方法制备的多重包覆弥散燃料，triso颗粒装载量低，制备的燃料为芯块或者板状燃料，例如专利cn113643829b、“一种基于流延成型的fcm燃料芯块制备方法”，基于流延成型工艺制备sic-triso燃料生带，之后经过叠压、裁切、排胶、烧结工艺制备致密度较高的包覆弥散燃料。但是燃料芯块中triso颗粒占比较小，制备的芯块结构简单，若提高燃料芯块中triso颗粒的占比，则会导致流延浆料的流动性差。
4、因此，现有的弥散燃料元件主要存在的缺点为：1)triso颗粒占比低，中子经济性较差；2)制备的燃料结构简单，无燃料区的尺寸精度控制困难，不能获得适用于复合燃料元件的复杂结构燃料；3)烧结致密化温度高(一般高于1700℃)，工艺操作难度大。
5、鉴于此，提出本专利申请。
技术实现思路
1、为了解决以上问题，本专利技术的目的在于提供一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，以及其制备方法，本专利技术得到的复杂结构多重包覆弥散燃料元件可以满足高温反应堆高燃耗(高温反应堆冷却剂出口温度不低于750℃，燃耗不低于3000gwd/tu)的应用需求，燃料元件具有优良的裂变产物包容能力、高固有安全性、高热导率及优良的高温性能。
2、本专利技术的第一个目的在于提供一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，包括triso颗粒、燃料元件用sic构件以及封装盖板；
3、所述triso颗粒为多层包覆结构，由内向外依次为燃料核芯、疏松热解碳层、致密热解碳层、sic层，所述燃料核芯尺寸为500～800μm，所述sic构件具有多孔孔道；
4、将所述triso颗粒装填至所述sic构件的多孔孔道内形成燃料元件基体，对基体进行增密，采用封装盖板对增密后的基体进行封装连接，以得到复杂结构多重包覆弥散燃料元件。
5、传统的triso颗粒的包覆层相比于本专利技术的包覆层，在致密热解碳层与sic层之间还设有外致密热解碳层，由于传统的制备工艺采用高温烧结，因此传统的triso颗粒需要利用外致密热解碳层对sic层进行保护，避免sic层被腐蚀以及在高温烧结过程中发生相变；但是这种传统的triso颗粒仅能适用尺寸较小的核芯，无法满足高温高燃耗长寿期反应堆的运行需求。
6、本专利技术实施例中提供的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，triso颗粒为多层包覆结构，包覆层为三层，分别为疏松热解碳层、致密热解碳层、sic层，设计大尺寸核芯，核芯尺寸为500～800μm，去除外致密热解碳层，采用装填、化学气相渗透增密、封装的方式提高燃料元件中triso颗粒的占比，增大燃料元件中铀的装量，无需采用高温烧结，可以获得复杂结构的复合弥散燃料元件，无燃料区的尺寸精度控制难度大幅降低，解决了现有技术的诸多弊端，包括现有工艺triso颗粒装载量低、无燃料区尺寸控制困难、烧结致密化温度高等，解决现有弥散燃料元件的结构简单、铀装量低的问题。
7、在一可选的实施例中，所述燃料核芯为uo2或者un核芯，所述疏松热解碳层的厚度为150～200μm，致密热解碳层厚度为20～30μm，sic层厚度为30～40μm。其中150～200μm疏松热解碳保证颗粒在运行过程中颗粒间隙不发生闭合，从而保证颗粒不失效；30～40μm的sic层保证其在运行过程中保持压应力，避免sic层应力破损；20～30μm的致密热解碳层在收缩过程中为sic层提供压应力，保证sic结构完整。
8、在一可选的实施例中，所述sic构件为六棱柱结构，sic构件的高度为400mm～600mm，六棱柱的对边距为300mm～400mm，多孔孔道的直径为10mm～16mm，孔道数量为20～30个。六棱柱的结构设计，可以保证堆芯模块化设计，实现堆芯拼装；孔道直径和数量限制，保证元件triso颗粒装量的同时，实现冷却剂流量最大化，从而有效降低燃料元件中心温度。
9、在一可选的实施例中，所述封装盖板的尺寸与结构与所述sic构件的结构与尺寸相同，以使封装盖板与燃料元件基体相匹配，所示封装盖板为sic复合材料。
10、本专利技术的第二个目的在于提供一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件的制备方法，包括以下步骤：
11、(1)将triso颗粒与sic粉末球磨混合，获得第一混合物；
12、(2)将第一混合物装入sic构件中，形成燃料元件基体，采用化学气相渗透工艺对燃料元件基体进行增密；
13、(3)将封装盖板装载于步骤(2)中得到的增密后的燃料元件基体，采用气相沉积法对基体进行气相封装；
14、(4)对封装后的燃料元件表面抛光处理。
15、本专利技术提供的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件的制备方法，通过将triso颗粒装填至复杂结构sic本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，其特征在于，包括TRISO颗粒、燃料元件用SiC构件以及封装盖板；
2.根据权利要求1所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，其特征在于，所述燃料核芯为UO2或者UN核芯，所述疏松热解碳层的厚度为150～200μm，致密热解碳层厚度为20～30μm，SiC层厚度为30～40μm。
3.根据权利要求1所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，其特征在于，所述SiC构件为六棱柱结构，SiC构件的高度为400mm～600mm，六棱柱的对边距为300mm～400mm，多孔孔道的直径为10mm～16mm，孔道数量为20～30个。
4.根据权利要求1所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，其特征在于，所述封装盖板的尺寸与结构与所述SiC构件的结构与尺寸相同，以使封装盖板与燃料元件基体相匹配，所示封装盖板为SiC复合材料。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述
7.根据权利要求5所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中增密过程中，将燃料元件基体置于气相沉积炉中，通入前驱体、H2和Ar，进行气相沉积；
8.根据权利要求7所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件的制备方法，其特征在于，所述聚碳硅烷与乙酰丙酮铝的气体体积比为100:1；
9.根据权利要求5所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中气相沉积温度为1050℃～1200℃，沉积气压为220Pa～280Pa，沉积时间为100h～150h；
10.根据权利要求5所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，依次采用400、800、1000、1500和2000目的金刚砂水砂纸进行抛光，直至面无明显划痕为止。
...【技术特征摘要】
1.一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，其特征在于，包括triso颗粒、燃料元件用sic构件以及封装盖板；
2.根据权利要求1所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，其特征在于，所述燃料核芯为uo2或者un核芯，所述疏松热解碳层的厚度为150～200μm，致密热解碳层厚度为20～30μm，sic层厚度为30～40μm。
3.根据权利要求1所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，其特征在于，所述sic构件为六棱柱结构，sic构件的高度为400mm～600mm，六棱柱的对边距为300mm～400mm，多孔孔道的直径为10mm～16mm，孔道数量为20～30个。
4.根据权利要求1所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件，其特征在于，所述封装盖板的尺寸与结构与所述sic构件的结构与尺寸相同，以使封装盖板与燃料元件基体相匹配，所示封装盖板为sic复合材料。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥散燃料元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种高安全特性复杂结构多重包覆弥...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈平，刘仕超，彭诗念，李权，李垣明，杨青峰，黄永忠，李晨曦，郭子萱，陈定勇，邱玺，张毅乐，粟敏，赵波，朱发文，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：
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