[發明專利]生產核燃料坯體的生坯的方法

有效

• 申請號: 201780051893.4
• 申請日: 2017-08-08
• 公開（公告）號: CN109641272B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 曼努埃爾·亞歷山大·普雄
• 申請（專利權）人: 保羅·謝勒學院
• 主分類號: B22F10/10
• 分類號: B22F10/10;B22F10/50;B22F10/64;G21C3/58;G21C3/60;G21C3/62;B29C64/135;B29C64/106;B28B1/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 魏金霞;王艷江

本發明改善了用于陶瓷或金屬的與3D噴墨打印的實現相結合的內部凝膠化處理以能夠制備各種復雜的3D陶瓷或金屬坯體，比如核燃料芯塊等。

技術領域

本發明涉及生產用于3D陶瓷和/或金屬坯體的生坯(9a至9c)的方法。

背景技術

利用陶瓷或金屬坯體制備3D物件由于設計的復雜性、掌控成分——比如放射性組分——的困難性以及可能對制備有影響的許多其他參數而可能是多方面的工作。

保羅·謝勒學院(Paul Scherrer Institut，PSI)、即瑞士菲利根CH-5232的PSI在研發先進核燃料中具有悠久的傳統。一些主要的努力用于研發錒系元素以及包含用于嬗變的燃料的次錒系元素(minor actinide)。一條路線是研發作為氧化釔穩定氧化鋯芯塊[1]或者作為金屬陶瓷芯塊[2]的用于在輕水反應堆中進行的钚嬗變的惰性基質燃料。幾乎不必提及的是，這些材料由于核燃料中使用的錒系金屬的高放射性而帶來制備環境中的最高復雜性之一，尤其當這些材料出于嬗變的目的而包含次錒系元素時更是如此。

另一路線是研發替代性的水性生產方法，為了簡化制備，準備用于遠程調控。主要的努力用于內部凝膠化，從而形成球體pac燃料。該特定概念的凝膠化和燃料性能兩者在[3]和[4]中被概述。由于芯塊燃料在商業化的輕水反應堆且還在許多先進的系統、比如鈉冷卻快速反應堆(sodium cooled fast reactor)中是經驗豐富的概念，一些努力還用于研發水性制備路線的方向，從而形成芯塊。早期的方法集中在將球體粉碎成芯塊形狀并且對它們進行熱處理(見[5]和[6])，從而形成所謂的混合芯塊。但是水性直接陶瓷成形方法的使用也在使用直接凝結澆鑄技術的PSI[7]處被提出。另一努力用于冷凍干燥的方向[8]。

核燃料周期的終止提供非常有希望的方面，如改進的鈾資源使用和最終廢物中的長壽命的次錒系元素的大量減少。對于涉及快速反應堆的傳統的一次通過PWR情況、钚(Pu)的一次再使用選項與完全封閉的燃料循環之間的不同方面，參見[9]中的圖3。

使循環封閉自然會涉及乏燃料(spent fuel)的再加工、以及包含燃料的高活性次錒系元素的制備。與新制核燃料的生產相比，高活性帶來了新的生產挑戰。最重要的是：

a)生產必須在屏蔽環境中遠程執行(熱室(hot-cell))，并且

b)應該避免燃料離析物的任何積聚(由于高設備污染和臨界風險)。

第一方面要求幾乎不需要維修的生產設備。后一方面由于灰塵不穩定并且可能沉積在生產環境、熱室中的任何地方而不支持粉末基生產。

這些挑戰的解決方案可以是簡化的芯塊處理[10]或者利用非常簡化的生產道次得到的顆粒燃料。在PSI，幾十年來使用水性內部凝膠化處理研究了顆粒燃料選項，從而產生了球體pac概念中使用的燃料卵石(pebble)。球體pac以及vipac燃料的詳細描述可以在[3]中找到。

芯塊燃料已經在很大程度上被優化用于二氧化鈾(UO₂)在鋯合金包殼(cladding)和LWR反應堆中。如果考慮快速反應堆，則其他燃料基質——比如碳化物和氮化物——由于較高的金屬含量和較好的熱導性可能變得更引人注目[11]。然而，尤其碳化物的腫脹行為與氧化物相比更高。因此，孔隙率應該被設計為適應隨燃耗的尺寸變化。

ATF(事故容錯燃料)開發技術(initiative)是用以在事故的情況下降低燃料/包殼失效的風險[12]的大量的后福島工作。概念中的一些基于氧化物和耐高溫陶瓷。即使通過使用復合材料引入假塑性，這些氧化物和耐高溫陶瓷本質上也是脆性的。然而，燃料-包殼機械相互作用應當通過設計較大的空隙來避免。為了避免重要的溫度梯度，提出的一個概念是引入多孔石墨緩沖劑。