[發(fā)明專利]一種新型彌散燃料及其制造方法

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• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN109994223A
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發(fā)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(yè)專利中心 11007
• 代理人: 閆兆梅

本發(fā)明屬于反應堆燃料技術領域，具體涉及一種新型彌散燃料及其制造方法。一種新型彌散燃料，包殼包裹在柱狀芯塊外部，柱狀芯塊包括燃料區(qū)和無燃料層，無燃料層包裹在燃料區(qū)外部，燃料區(qū)包括TRISO顆粒和SiC基體，TRISO顆粒彌散于SiC陶瓷基體內。一種彌散燃料的制造方法，包括如下步驟：步驟1、制備柱狀芯塊生坯；步驟2、使制備SiC/SiC短纖維復合材料生帶；步驟3、獲得圓筒狀無燃料區(qū)生坯；步驟4、制備成圓片狀無燃料區(qū)生坯；步驟5、將柱狀燃料區(qū)生坯置于圓筒狀無燃料區(qū)生坯內，經熱壓燒結制備成柱狀芯塊；步驟6、對柱狀芯塊進行磨削加工，得到新型彌散燃料芯塊。本發(fā)明能夠解決現(xiàn)有技術中彌散燃料TRISO顆粒分布不合理及加工性能差的缺陷。

技術領域

本發(fā)明屬于反應堆燃料技術領域，具體涉及一種新型彌散燃料及其制造方法。

背景技術

傳統(tǒng)反應堆燃料元件由二氧化鈾芯塊堆疊于鋯合金包殼內組成。目前隨著燃耗提升和換料周期變長，在高燃耗下燃料元件性能下降，包括包殼腐蝕加劇、燃料裂變氣體釋放增加、內壓變大等。由于包殼是裂變氣體釋放到一回路的唯一屏障，高燃耗運行提升了包殼破損進而導致放射性物質釋放的風險，尤其是在事故工況下。

近年來，彌散燃料被用于高溫氣冷堆，即將TRISO顆粒彌散于石墨基體中。TRISO顆粒由燃料芯體外依次包覆疏松熱解碳層、內部致密熱解碳層(IPyC)、SiC層及外部致密熱解碳層(OPyC)構成。鑒于此，國際上提出了將彌散燃料應用于水冷堆的概念，即將TRISO顆粒彌散于SiC基體內制備成燃料芯塊，如圖2所示。該燃料芯塊的SiC基體及TRISO顆粒SiC包覆層均能起到裂變產物包容的作用，能有效限制裂變氣體釋放到芯塊-包殼間隙，從而能夠提高燃料棒的安全性，并增加燃料高燃耗運行潛力。

但以上彌散燃料芯塊存在以下技術缺陷：

1)上述彌散燃料芯塊外圍也分布有TRISO燃料顆粒，甚至有一部分顆粒裸露于芯塊表面，從而削弱了SiC基體作為第二道裂變產物屏障的功能，在事故工況下容易導致TRISO顆粒和基體分離，破壞芯塊結構完整性；

2)燒結后的芯塊尺寸一般不滿足圖紙要求，需要進行磨削加工。上述芯塊在磨削時容易破壞分布于芯塊外圍的TRISO顆粒，甚至導致TRISO顆粒內部的燃料核芯裸露，從而導致芯塊報廢。

文獻“Progress on matrix SiC processing and properties for fullyceramic microencapsulated fuel form.K.A.Terrani,J.O.Kiggans,C.M.Silva.Journalof Nuclear Materials 457(2015)9-17”介紹了兩種無燃料保護層的制備方法：一為采用SiC粉末干壓成套筒，之后與彌散燃料芯塊熱壓燒結，然而由于燒結過程中TRISO顆粒向外遷移，使得芯塊外圍也存在燃料顆粒，無法起到保護作用；二為采用長SiC纖維編織體纏繞在芯塊外側，浸漬NITE-SiC懸浮液，之后一起熱壓燒結，在燒結過程中由于長SiC纖維的阻礙作用，TRISO顆粒不能發(fā)生遷移，可有效保護芯塊，但是存在以下問題：1)長SiC纖維編織體價格昂貴，芯塊成本高；2)長SiC纖維編織體燒結活性差，致密化困難，導致無燃料顆粒層(即保護層)致密度較低，對裂變氣體包容力弱；3)長SiC纖維編織體與彌散燃料芯塊性質差異較大，難以同步燒結，制備的燃料芯塊內應力大，使用風險高。

發(fā)明內容

本發(fā)明解決的技術問題：本發(fā)明提供一種新型彌散燃料及其制造方法，能夠解決現(xiàn)有技術中彌散燃料TRISO顆粒分布不合理及加工性能差的缺陷。

本發(fā)明采用的技術方案：

一種新型彌散燃料，包括柱狀芯塊和包殼，包殼包裹在柱狀芯塊外部，柱狀芯塊包括燃料區(qū)和無燃料層，無燃料層包裹在燃料區(qū)外部，燃料區(qū)包括TRISO顆粒和SiC基體，TRISO顆粒彌散于SiC陶瓷基體內。