[發明專利]一種全陶瓷微封裝燃料芯塊的制備方法

有效

• 申請號: 201711384305.7
• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號: CN108249925B
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發明（設計）人: 劉文濤;馬淵;劉業光;魏東波;孟瑩;趙瑞瑞
• 申請（專利權）人: 中核北方核燃料元件有限公司
• 主分類號: C04B35/565
• 分類號: C04B35/565;G21C3/64;C04B35/645;C04B35/628
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 張雅丁

本發明屬于燃料芯塊制備技術領域，具體涉及一種全陶瓷微封裝燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：步驟1，碳化硅粉末及助燒劑添加；步驟2，TRISO顆粒表面涂覆碳化硅粉末；步驟3，燃料芯塊預成型；步驟4，燃料芯塊熱壓燒結。本發明制得的全陶瓷微封裝燃料芯塊為圓柱形狀，其密度≥3.1g/cm³，芯塊內部TRISO顆粒結構保持完整，且均勻分布于碳化硅基體內。

技術領域

本發明屬于燃料芯塊制備技術領域，具體涉及一種全陶瓷微封裝燃料芯塊的制備方法。

背景技術

目前商用核電燃料均采用的是二氧化鈾陶瓷芯塊，主要的制備方法是通過壓制、燒結、外形磨削等粉末冶金方法將一定富集度的二氧化鈾制成陶瓷芯塊。盡管在多年的開發中能夠形成較為成熟應用，但是仍在特定使用條件下存在一定的缺點，主要表現在基體具有較低的熱導率，在發生事故時的容錯性能較差，因此核燃料的安全保障性較差。

作為提升核電站安全性能的重要舉措，研發容錯燃料(Accident Tolerant Fuel，ATF)正在成為核燃料領域國際發展的新方向，即能一定程度包容事故和具有固有安全性的燃料。

全陶瓷微封裝燃料芯塊是為輕水堆中使用的高燃耗U所設計，是將二氧化鈾燃料顆粒封裝在碳化硅基體中，碳化硅基體穩定性高且兼具很高的熱導率，與冷卻劑有好的兼容性。全陶瓷基體包覆的燃料釋放出的裂變氣體和腐蝕性裂變產物很少，在發生事故時容錯性高，安全有保證。

發明內容

本發明要解決的技術問題是以TRISO(Tristructural Isotropic(TRISO)CoatedFuel Particles)顆粒及碳化硅粉末為原料，通過粉末冶金工藝把TRISO顆粒均勻彌散分布在碳化硅基體內，制備出一種全陶瓷微封裝燃料芯塊。

為了實現這一目的，本發明采取的技術方案是：

一種全陶瓷微封裝燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，碳化硅粉末及助燒劑添加

步驟1.1，確定原料

碳化硅粉末的平均粒徑≤1μm，比表面積≥20m²/g；

助燒劑為氧化鋁和稀土元素氧化物的混合物，平均粒徑為0.9～1.1μm；

步驟1.2，助燒劑添加

向碳化硅粉末內加入助燒劑，助燒劑添加量為碳化硅粉末質量的6％～10％；

采用濕法球磨工藝將助燒劑和碳化硅粉末進行混合，分散劑為有機溶劑；

濕法球磨完成后烘干篩分作為碳化硅粉末基體原料；

步驟2，TRISO顆粒表面涂覆碳化硅粉末

步驟2.1，在TRISO顆粒表面均勻涂覆粘結體系并浸漬設定時間，粘結體系是粘性有機溶劑；

步驟2.2，采用表面粘結技術在顆粒表面粘結一層步驟1得到的碳化硅粉末基體原料；

步驟2.3，TRISO顆粒與碳化硅粉末進行均勻混合；

步驟3，燃料芯塊預成型

燃料芯塊預成型采用模壓成型，生坯芯塊為圓柱形，采用硬脂酸鋅混合四氯化碳作為成型的潤滑劑，芯塊成型壓強為10～50MPa，保壓時間5～20s；

步驟4，燃料芯塊熱壓燒結

燃料芯塊燒結屬于液相燒結，燒結方式為熱壓燒結，以高密石墨作為熱壓模具，熱壓溫度控制在1850～2000℃，保溫時間控制在30～100min，熱壓壓強為15～50MPa。