[發明專利]惰性基體彌散燃料芯塊及其制備方法

有效

• 申請號: 201811152057.8
• 申請日: 2018-09-29
• 公開（公告）號: CN109461509B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 孫茂州;馬趙丹丹;高思宇;李銳;黃華偉;武海龍;劉彤;任啟森;廖業宏
• 申請（專利權）人: 中廣核研究院有限公司;廣東核電合營有限公司;中國工程物理研究院材料研究所;中國廣核集團有限公司;中國廣核電力股份有限公司
• 主分類號: G21C21/02
• 分類號: G21C21/02;G21C3/58
• 代理公司: 深圳市瑞方達知識產權事務所(普通合伙) 44314
• 代理人: 林儉良;王少虹

本發明公開了一種惰性基體彌散燃料芯塊及其制備方法，制備方法包括：S1、預制無燃料區：將SiC混合粉末分別壓制成圓筒體和圓片并進行無壓燒結；S2、預制燃料區：將具有SiC包覆層的TRISO顆粒壓制成圓柱體；S3、將圓柱體裝入圓筒體內，在圓筒體的相對兩端分別放置圓片，放電等離子體燒結，制得惰性基體彌散燃料芯塊；圓柱體形成惰性基體彌散燃料芯塊的燃料區，圓筒體和圓片形成惰性基體彌散燃料芯塊的無燃料區。本發明的制備方法，預制無燃料區，將無燃料區的密度控制與燃料區壓制后的密度接近，減小燒結后芯塊中燃料區密度和無燃料區的密度差異，改善燃料區TRISO顆粒外圍輪廓結構，擴大燃料區，提高芯塊整體的TRISO體積含量，進一步提高惰性基燃料的綜合性能。

技術領域

本發明涉及核燃料技術領域，尤其涉及一種惰性基體彌散燃料芯塊及其制備方法。

背景技術

核燃料能量密度高，CO₂等有害氣體排放少，是解決石化資源緊缺和環境污染嚴重的重要手段。核能發電是清潔能源，核能的優勢明顯，隨著核電能源比例的不斷增大，核能發電的地位越顯突出。然而，核能是利用鈾等重金屬元素裂變產生的能量，裂變會形成具有一定放射性的裂變產物。因此，做好輻射防護和防止放射性產物泄露是核電安全的關鍵，也是開發核能的前提。在人類和平利用核能的道路上曾發生多起核放射性泄露事件，特別是2011年日本福島核電事故，提升傳統UO₂-Zr合金體系燃料組件的事故容錯能力成為人們關注的焦點。

UO₂熔點高、輻照腫脹小，但熱導率低，在深燃耗下裂變氣體包容能力差。低熱導率的UO2芯塊使得UO₂-Zr燃料體系在運行過程中形成較大的溫度梯度，燃料棒的UO₂芯塊的中心溫度達到1500℃以上。芯塊的芯部溫度高，裂變氣體釋率大，且高的溫度梯度導致芯塊產生熱應力，降低燃料元件的安全性。此外，在失水事故工況條件下，芯塊芯部溫度越高，傳熱至燃料棒包殼的能量越多，且裂變氣體釋放量越大，增加了燃料棒包殼破損的風險，甚至引發堆芯熔化。因此，開發先進核燃料，研究高熱導率、低裂變氣體釋放率的核燃料芯塊是提高核反應堆燃料元件事故容錯能力的關鍵。

IMDP是借鑒高溫氣冷堆燃料球技術，以TRISO微球為核燃料載體，將TRISO微球彌散分布于SiC基體中，是事故容錯燃料芯塊的重要研究方向。IMDP芯塊中，高熱導率的SiC基體包覆TRISO微球，保護TRISO微球的完整性，同時高效傳導熱量。而且，TRISO顆粒和IMDP的特殊結構設計保證芯塊在深燃耗下抑制裂變氣體的釋放。IMDP核燃料芯塊的SiC基體熔點高、熱導率高，TRISO微球裂變氣體釋放率低，這些優點提升了燃料元件的事故容錯能力。

IMDP芯塊是TRISO微球彌散分布于粉末的SiC基體中，美國橡樹嶺國家實驗室采用熱壓燒結的方法，將TRISO顆粒與SiC粉末混合后進行熱壓燒結，此工藝較為成熟，并相較于純UO2芯塊熱導率有一定提高，但此方法存在一些缺點：(1)壓制生坯過程困難，尤其是外層的無燃料區，常無法與燃料區緊密結合；(2)燒結溫度高，不利于芯塊綜合性能的提升。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，提供一種提高燃料芯塊綜合性能的惰性基體彌散燃料芯塊的制備方法以及制得的惰性基體彌散燃料芯塊。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種惰性基體彌散燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：

S1、預制無燃料區：將SiC混合粉末分別壓制成圓筒體和圓片并進行無壓燒結；

S2、預制燃料區：將具有SiC包覆層的TRISO顆粒壓制成圓柱體；

S3、將所述圓柱體裝入所述圓筒體內，在所述圓筒體的相對兩端分別放置所述圓片，放電等離子體燒結，制得惰性基體彌散燃料芯塊；

所述圓柱體形成所述惰性基體彌散燃料芯塊的燃料區，所述圓筒體和圓片形成所述惰性基體彌散燃料芯塊的無燃料區。