[發明專利]一種MAX相改進型二氧化鈾芯塊的制備方法

有效

• 申請號: 201810100308.1
• 申請日: 2018-02-01
• 公開（公告）號: CN108447576B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 李冰清;楊振亮;高瑞;張鵬程;褚明福;唐浩;鐘毅;劉徐徐;段麗美;黃奇奇;王志毅
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院材料研究所
• 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: 王世權

本發明公開了一種MAX相改進型二氧化鈾芯塊的制備方法，將二氧化鈾粉末與MAX相粉末按體積比49～1:1的比例直接混料或造粒混料后，將得到的混合物采用氣氛燒結、熱壓燒結或放電等離子體燒結，燒結完成后取料加工成型，得到芯塊。所述二氧化鈾粉末中²³⁵U富集度為1％?19％，氧鈾比為1.95?2.15，粒徑為1?50μm。所述MAX相粒徑為50nm?40μm，且MAX相為312系化合物、211系化合物或413系化合物；所述312系化合物為Ti₃SiC₂或Ti₃AlC₂。該方法設計合理，操作更為簡單，且制備得到的二氧化鈾芯塊能夠在保持二氧化鈾原有優勢的基礎上進一步提高熱導率，提升燃料安全性能，增強反應堆抵抗事故工況的能力。

技術領域

本發明涉及一種MAX相改進型二氧化鈾芯塊的制備方法。

背景技術

二氧化鈾芯塊具有高熔點、抗氧化、中子經濟性好、耐水蒸氣腐蝕、輻照穩定性好，與包殼兼容性好、裂變氣體包容性好等諸多優點，目前作為核燃料廣泛應用于商用核反應堆。然而二氧化鈾熱導率低，容易造成芯塊內部溫度梯度過大，進而引發芯塊開裂、失效、甚至與包殼接觸反應的問題。在事故狀態下，這種效應被進一步放大，堆內熱量無法及時散出，燃料溫度迅速升高甚至熔化，包殼材料與水蒸氣反應釋放氫氣引發爆炸，引發嚴重安全事故。研究表明，如果二氧化鈾芯塊的熱導率提升5-10％，在冷卻劑喪失事故條件下燃料心部溫度即可降低300℃以上，因此改善二氧化鈾芯塊的熱導率是有效提高燃料安全性的途徑，成為了事故容錯燃料研制的熱點問題。

MAX相材料是納米三元層狀化合物的通稱，它由過渡族元素M(Ti、Zr、V、Cr等)、主族元素A(Si、Al等)和元素X(C、N等)組成。一般MAX相的分子式可表示為M_n+1AX_n，常見MAX相中n值為1、2、3，所對應的MAX相體系分別稱為211系、312系和413系MAX相。近年來研究者們又發現了523系、725系、615系等MAX相體系。MAX相由M₆X八面體和A原子層交替堆垛而成，MAX相兼具金屬和陶瓷的特性，具有高熔點、高導熱、耐輻照性能優異、韌性好、抗氧化性好、抗熱震性好、與UO₂的熱膨脹系數相近等特點。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述技術問題，提供一種MAX相改進型二氧化鈾芯塊的制備方法，該方法設計合理，操作更為簡單，且制備得到的二氧化鈾芯塊能夠在保持二氧化鈾原有優勢的基礎上進一步提高熱導率，提升燃料安全性能，增強反應堆抵抗事故工況的能力。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種MAX相改進型二氧化鈾芯塊的制備方法，其特征在于，將二氧化鈾粉末與MAX相粉末按體積比49～1:1的比例直接混料或造粒混料后，將得到的混合物采用氣氛燒結、熱壓燒結或放電等離子體燒結，燒結完成后取料加工成型，得到芯塊。

具體的說，所述二氧化鈾粉末中²³⁵U富集度為1％-19％，氧鈾比為1.95-2.15，粒徑為1-50μm。

具體的說，所述MAX相粒徑為50nm-40μm，且MAX相為312系化合物、211系化合物或413系化合物；所述312系化合物為Ti₃SiC₂或Ti₃AlC₂。

優選的，所述211系化合物為Ti₂AlC、Ti₂AlN，所述413系化合物為Ti₄AlC₃。

進一步的，當混料方式為直接混料時，其操作為：將二氧化鈾粉末與MAX相粉末置入球磨罐混合12-24h，轉速100-300r/min。其中，直接混料的經燒結后可形成MAX相彌散分布的組織結構。