[發明專利]一種惰性基彌散燃料芯塊的快速制備工藝

有效

• 申請號: 201710238528.6
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN106971764B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 楊振亮;劉彤;李冰清;黃華偉;高瑞;孫茂州;賈建平;馬趙丹丹
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院材料研究所;中廣核研究院有限公司
• 主分類號: G21C21/02
• 分類號: G21C21/02
• 代理公司: 成都眾恒智合專利代理事務所(普通合伙) 51239
• 代理人: 王育信

本發明公開了一種惰性基彌散燃料芯塊的快速制備工藝，包括制備混合料漿、制備核殼結構顆粒、壓制核心、壓制核殼和制備成形這五個步驟。該制備方法克服現有惰性基彌散燃料芯塊制備方法存在的不足，可在較短工藝周期內獲得TRISO顆粒含量高、顆粒完整性好、分散均勻，且碳化硅基體致密度高的惰性基彌散燃料芯塊。制備而成的惰性基彌散燃料芯塊中，碳化硅基體致密度達到92%以上，TRISO顆粒在燃料整體中的體積分數含量30%~45%。

技術領域

本發明涉及核燃料的制備方法，特別涉及一種惰性基彌散燃料芯塊的快速制備工藝。

背景技術

伴隨著工業水平的高速發展，我國能源消耗也呈現快速增長。目前，我國全社會用電量世界第一，電力總規模居世界第一。然而對火力發電的嚴重依賴導致我國在溫室氣體減排和保證能源可持續供應上面臨重大挑戰。由于煤炭燃燒產生了大量二氧化碳、溫室氣體和粉塵，電力行業已成為我國最大的二氧化碳排放源。近年來，我國頻發大面積霧霾天氣，嚴重危害了生態環境和人民群眾的健康。未來，中國的能源消費仍將持續增長，環境和氣候變化壓力還將持續增大。在氣候變化問題成為世界各國普遍需要面對的重大問題，因此，低碳成為未來能源的發展方向，而中國的能源利用模式將會面臨多重難題。

核電作為一種技術日趨成熟、安全性不斷提高的清潔能源，與風電、太陽能相比，具有容量因子高、能量密度大、經濟性好、單位投資減排效益高等優點。發展核電對于調整我國能源結構、促進經濟和社會可持續發展具有重要的戰略意義。然而，核電自身固有的小概率、大損失的安全性問題成為阻礙核電發展的最大因素。日本福島核事故以后，世界各國開始高度關注核燃料元件安全性。因此，開發具有高本質安全性的新型事故容錯核燃料，可顯著提高核燃料組件以及核電站的安全性，有效避免核電事故，特別是放射性物質泄漏核事故的發生。

傳統的商用核反應堆燃料芯塊為純二氧化鈾，具有優異的高溫穩定性以及輻照穩定性，然而二氧化鈾熱導率很低，在高溫及輻照環境下，熱導率還會顯著下降。這一缺陷將導致事故工況下，燃料核心溫度急劇上升，在短時間內造成堆芯熔毀，鋯水反應氫爆，放射性物質泄漏等嚴重核事故。

惰性基彌散燃料芯塊是借鑒高溫氣冷堆核燃料的結構設計，將傳統的二氧化鈾制作成被碳化硅和碳多層包覆的三結構各向同性顆粒(TRISO)，再將其分散密封到陶瓷材料基體中，利用陶瓷材料優異的導熱性能、高溫穩定性、抗氧化性等特點來提高燃料芯塊的熱導率和對裂變氣態產物的容留性能，從而大幅提高燃料組件的本質安全性能。然而，目前惰性基彌散燃料芯塊均采用碳化硅作為陶瓷基體，將兩者混合后通過高溫熱壓反應燒結工藝來制備，對設備要求高，生產周期長、效率低、成本高，TRISO顆粒在碳化硅基體中的分散效果也很差。不僅難以滿足實際的應用技術要求，更難以實現產業化。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述技術問題，提供一種惰性基彌散燃料芯塊的快速制備工藝，該制備工藝可在較短工藝周期內獲得TRISO顆粒含量高、顆粒完整性好、分散均勻且碳化硅基體致密度高的惰性基彌散燃料芯塊。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種惰性基彌散燃料芯塊的快速制備工藝，包括以下步驟：

(1)制備混合料漿：首先按重量份，將0～15份的燒結助劑和85～100份的碳化硅粉末通過濕混溶劑進行濕混混合，然后再向其中加入0.5～3份的分散劑，并攪拌4～24h，得到分散均勻的碳化硅混合漿料；

(2)制備核殼結構顆粒：將TRISO顆粒裝入可加熱的滾筒中，打開滾筒，并將其加熱溫度控制在60～90℃，使TRISO顆粒在滾筒中滾動，待TRISO顆粒溫度上升到60～90℃后，用氣壓噴霧裝置將步驟(1)中得到的部分混合料漿霧化后連續噴涂到TRISO顆粒表面，隨著混合料漿中的濕混溶劑在60～90℃的溫度下迅速揮發，會在TRISO顆粒上形成一層碳化硅包覆層，即可得到含二氧化鈾的TRISO/SiC核殼結構顆粒；