[發明專利]一種新型彌散燃料及其制造方法

在審

• 申請號: 201711498475.8
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN109994223A
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 劉仕超;焦擁軍;陳平;李文杰;涂騰;李偉;高士鑫;何梁;歐大鵬
• 申請（專利權）人: 中國核動力研究設計院
• 主分類號: G21C3/58
• 分類號: G21C3/58;G21C21/02
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 閆兆梅

1.一種新型彌散燃料，其特征在于：包括柱狀芯塊(1)和包殼(2)，包殼(2)包裹在柱狀芯塊(1)外部，柱狀芯塊(1)包括燃料區和無燃料層(13)，無燃料層(13)包裹在燃料區外部，燃料區包括TRISO顆粒(11)和SiC基體(12)，TRISO顆粒彌散于SiC陶瓷基體(12)內。

2.根據權利要求1所述的一種新型彌散燃料，其特征在于：所述TRISO顆粒(11)為球形結構，由內到外依次為燃料核芯(111)、疏松熱解碳層(112)、內部致密熱解碳層(113)、致密碳化硅層(114)、外部致密熱解碳層(115)。

3.根據權利要求2所述的一種新型彌散燃料，其特征在于：所述燃料核芯(111)為氮化鈾芯體或UO₂-PuO₂芯體；燃料核芯(111)的直徑為800μm-1000μm。

4.根據權利要求1所述的一種新型彌散燃料，其特征在于：所述柱狀芯塊(1)含有倒角和蝶形結構，柱狀芯塊(1)內可以根據需要彌散有氧化鉺可燃毒物。

5.根據權利要求1所述的一種新型彌散燃料，其特征在于：所述無燃料區的材料為SiC/SiC短纖維復合材料，厚度為0.1mm～2mm。

6.一種彌散燃料的制造方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟(1)、將TRISO顆粒(11)與納米級SiC粉末、5wt％燒結助劑混合，制備柱狀芯塊(1)生坯；

步驟(2)、使用流延成型工藝制備SiC/SiC短纖維復合材料生帶；

步驟(3)、將SiC/SiC短纖維復合材料生帶纏繞于實芯鋼棒表面，纏繞層數為2～5層，棒狀實芯鋼表面光滑，無明顯缺陷，表面涂有二甲基硅油作為脫模劑，將表面纏繞有SiC生帶的柱狀芯體(1)做等靜壓處理，等靜壓的壓力為80～200MPa，保壓時間為20～200s，將等靜壓后的生坯，從柱狀芯體(1)上脫下，獲得圓筒狀無燃料區(13)生坯；

步驟(4)、將SiC/SiC短纖維復合材料生帶多層疊加，疊加層數為2～10層，經沖壓制備成圓片狀無燃料區(13)生坯；

步驟(5)、將柱狀燃料區(13)生坯置于圓筒狀無燃料區生坯內，上下放置圓片狀無燃料層生坯，經熱壓燒結制備成柱狀芯塊(1)，燒結氣氛為氬氣，壓力為15MPa，燒結溫度為1850℃，燒結時間為1h；

步驟(6)、對柱狀芯塊(1)進行磨削加工，得到新型彌散燃料芯塊。

7.根據權利要求6所述的一種彌散燃料的制造方法，其特征在于：所述步驟(2)中，SiC/SiC短纖維復合材料生帶的流延成型制造方法，其具體步驟如下：

步驟(2.1)、將SiC纖維裁剪為長度為4～8mm的短纖維，與SiC粉末及燒結助劑,，燒結助劑Al₂O₃:Y₂O₃的摩爾比為3:2，球磨混合，其中，SiC纖維與SiC顆粒的體積比為35:65，燒結助劑占全部SiC總量的4～8wt.％，球磨介質為無水乙醇，混合時間為8h，球料比為5:1，混合后經60℃干燥獲得混合粉體；

步驟(2.2)、將50～60wt.％混合粉體、與30～45wt.％有機溶劑，其中酒精與甲苯的體積比為2:3和0.5～2wt.％分散劑四甲基氫氧化銨混合，球磨8h獲得穩定分散的懸浮液；

步驟(2.3)、向獲得的懸浮液中加入4～8wt.％粘接劑、2～6wt.％增塑劑和1wt.％消泡劑，球磨混合2h，在真空條件下除泡10～40min，獲得穩定分散的SiC/SiC短纖維復合材料漿料；

步驟(2.4)、將獲得的SiC/SiC短纖維復合材料漿料倒入流延機的漿料漏斗內，進行流延成型，流延速度為20cm/min～40cm/min，干燥溫度為50℃，刀口高度為30μm～50μm可調，將干燥的SiC/SiC短纖維復合材料生帶從流延機上剝離，獲得厚度為30-50μm的生帶。