[發明專利]一種熱膨脹系數可調且熱導率增強型二氧化鈾基燃料芯塊及其制備方法

有效

• 申請號: 201911011657.7
• 申請日: 2019-10-23
• 公開（公告）號: CN111145926B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 程亮;張鵬程;嚴彪杰;王志毅;高瑞;楊振亮;李冰清;褚明福;鐘毅;王昀;黃奇奇
• 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;C22C29/12;C22C1/05;C22C1/10;B22F1/00;B22F3/14;B22F3/105
• 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: 王育信

本發明公開了一種熱膨脹系數可調且熱導率增強型二氧化鈾基燃料芯塊及其制備方法，通過向二氧化鈾芯塊基體中添加高導熱率高熱膨脹系數的金屬鈹(Be)，以及高熱導率低熱膨脹系數的金屬鉬(Mo)，通過調控Be/Mo的成分配比，經高溫燒結致密化后的燃料芯塊，在增強二氧化鈾燃料芯塊熱導率、對二氧化鈾芯塊的熱膨脹系數進行調節的同時，兼具降低燃料芯塊的殘余熱應力、延長其服役周期的優勢，進而滿足包殼?芯塊燃料元件在反應堆正常工況下和事故工況下更為苛刻的堆工設計要求，改善現役的商用壓水堆的安全性和經濟性，在事故工況下可有效推遲包殼與燃料芯塊間的氣隙閉合時間，延緩燃料與包殼的力學相互作用，既而大幅提升反應堆在事故工況下的安全裕量。

技術領域

本發明屬于反應堆裂變材料領域，具體地講，是涉及一種熱膨脹系數可調且熱導率增強 型二氧化鈾基燃料芯塊及其制備方法。

背景技術

2011年3月日本福島核電站事故的突然發生，使現役的商用核反應堆燃料元件UO₂-Zr 安全可靠性受到了嚴重質疑。在核能快速發展的新態勢和更高本質安全性要求下，UO₂-Zr燃 料元件已不能滿足未來核能更高本質安全性和多應用堆型發展的要求。福島災難性核電事故 的突發更是故暴露了現有二氧化鈾燃料的低熱導率的劣勢，即在事故工況下堆芯余熱不能有 效散出而發生熔堆的隱患。且二氧化鈾燃料芯塊在服役過程中的體積膨脹、裂變產物釋放， 導致的包殼-芯塊間隙逐漸減小；在事故工況下，包殼與燃料芯塊間的氣隙發生閉合，燃料芯 塊與包殼的力學相互作用加劇，可能發生包殼開裂，大量放射性裂變產物外泄的風險。

對此，在重點關注增強二氧化鈾熱導率的同時，作為反應堆堆工設計的關鍵輸入參數- 二氧化鈾燃料芯塊的熱膨脹系數同樣應該關注。通過可調節熱膨脹系數的二氧化鈾燃料芯塊 的開發，在增強二氧化鈾熱導率的同時，賦予可調節熱膨脹系數的特性，可改善現役商用壓 水堆的安全性和經濟性，特別在事故工況下可有效推遲包殼與燃料芯塊間的氣隙閉合時間， 延緩燃料與包殼的力學相互作用，既而大幅提升反應堆在事故工況下的安全裕量。現有技術 中，在二氧化鈾中單獨添加Mo，雖能實現熱導率增強的效果，但由于熱膨脹系數的不匹配， 在制備過程中會產殘余熱應力，進而可能影響燃料芯塊在堆中的穩定服役。

對此，為解決在增強二氧化鈾燃料芯塊熱導率的同時，并調節其熱膨脹系數，降低殘余 熱應力，既而提升在事故工況下的安全裕量，并延長燃料芯塊的服役周期。迫切需要開發一 種兼具增強二氧化鈾核燃料導熱性能和調節熱膨脹系數的方法，以解決上述問題。

發明內容

本發明的目的之一是為了提供一種熱膨脹系數可調且熱導率增強型二氧化鈾基燃料芯 塊，該二氧化鈾基燃料芯塊在解決現有技術中二氧化鈾作為商用反應堆核燃料導熱性能不足 的同時，可以對二氧化鈾芯塊的熱膨脹系數進行調節，以滿足包殼-芯塊燃料元件在反應堆正 常工況下和事故工況下更為苛刻的堆工設計，實現反應堆在事故工況下更大的安全裕量。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種熱膨脹系數可調且熱導率增強型二氧化鈾基燃料芯塊，所述燃料芯塊由呈粉末態或 微球態的二氧化鈾、鈹粉以及鉬粉三種物質燒制而成，其中，鈹粉和鉬粉均勻分布于或者連 續網狀分布于二氧化鈾芯塊中。

作為優選地，所述二氧化鈾、鈹粉以及鉬粉三種物質的體積比為75～95﹕2～10﹕3～15。

作為優選地，所述粉末態的二氧化鈾粒徑為0.1～10μm，所述微球態的二氧化鈾的粒徑為 150～1000μm；所述金屬鈹粉的粒徑為0.5～5μm，所述金屬鉬粉的粒徑為0.02～5μm。

本發明的另一個目的是為了提供上述二氧化鈾基燃料芯塊的制備方法，該方法通過均勻 混合后進行高溫燒結的方式，得到了符合要求的二氧化鈾基燃料芯塊。具體方案為：

一種制備上述二氧化鈾基燃料芯塊的制備方法，步驟為：將呈粉末態或微球態的二氧化 鈾、鈹粉以及鉬粉均勻混合，再經高溫燒結即得二氧化鈾基燃料芯塊產品。