[發明專利]一種含碳化物-難熔金屬包覆層的包覆燃料顆粒及其制備方法

有效

• 申請號: 202010326008.2
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111584100B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 劉榮正;程心雨;劉馬林;邵友林;劉兵
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G21C3/62
• 分類號: G21C3/62;G21C21/00;C04B41/90
• 代理公司: 北京悅和知識產權代理有限公司 11714
• 代理人: 司麗春

本發明實施例涉及核燃料領域，具體涉及一種含碳化物?難熔金屬包覆層的包覆燃料顆粒及其制備方法。本發明實施例提供的包覆燃料顆粒，包括陶瓷燃料核芯及在所述陶瓷燃料核芯外依次包覆的疏松層、內過渡層、碳化物包覆層、外過渡層和難熔金屬包覆層。本發明實施例提供的包覆燃料顆粒，為全新設計的引入了難熔金屬包覆層的包覆燃料顆粒，為陶瓷?金屬復合層結構，與金屬基體的相容性好，熱導率高，綜合力學性能強，可抵抗塑性變形，抗摩擦磨損，并可在極高溫下服役，拓寬了包覆燃料顆粒的應用領域，為下一代新型核能系統燃料元件的制備提供技術儲備；并且，可簡化包覆燃料顆粒彌散在基體中的制備過程。

技術領域

本發明涉及核燃料領域，具體涉及一種含碳化物-難熔金屬包覆層的包覆燃料顆粒及其制備方法。

背景技術

具有固有安全性的高溫氣冷堆是第四代先進反應堆堆型之一，其安全性的重要保障為使用了全陶瓷型的包覆燃料顆粒，以束縛各種氣體和固體裂變產物。全陶瓷型包覆燃料顆粒包括核燃料核芯及其之外依次包覆的疏松熱解炭層，內致密熱解炭層，碳化硅層和外致密熱解炭層。包覆燃料顆粒在高溫氣冷堆中的成功應用也證明了其在其他核能系統中的重要潛力，并有望用于其他堆型商業核電站及空天，深海等重要場景的核動力推進系統。

對于由包覆燃料顆粒構成的燃料元件而言，包覆燃料顆粒本身的性能指標及與基體材料的相容性問題是制約其實用化的重要因素。目前包覆燃料顆粒已成功彌散在石墨基體中獲得球形或柱狀燃料元件以及彌散在碳化硅基體中獲得全陶瓷微封裝型燃料形式。金屬基體具有機械性能好、熱導性能好等突出優點，但是，由于包覆燃料顆粒為全陶瓷型包覆層，外致密熱解炭層強度不高，顆粒整體在加壓成型中易發生破損；同時外層熱解炭為燒結惰性材料，與異質基體尤其是金屬基體相容性差，限制了包覆燃料顆粒的應用推廣。

未來要實現包覆燃料顆粒在新一代核能系統中更廣泛的應用，進一步鞏固系統的安全性，保證事故條件下更大的安全余量，需要開發與金屬基體材料相容性好，熱導率高，具有一定抗脆性破損的新型包覆燃料顆粒。

公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

發明內容

發明目的

為解決現有全陶瓷型包覆燃料顆粒在加壓成型中易發生破損以及與金屬基體相容性不高等問題，本發明提供一種含碳化物-難熔金屬包覆層的新型包覆燃料顆粒及其制備方法。本發明實施例提供的包覆燃料顆粒，為全新設計的引入了難熔金屬包覆層的包覆燃料顆粒，為陶瓷-金屬復合層結構，與金屬基體的相容性好，熱導率高，綜合力學性能強，可抵抗塑性變形，抗摩擦磨損，并可在極高溫下服役，拓寬了包覆燃料顆粒的應用領域，為下一代新型核能系統燃料元件的制備提供技術儲備。并且，本發明實施例提供的包覆燃料顆粒用于制備燃料元件時，可簡化包覆燃料顆粒彌散在基體中的制備過程。

解決方案

為實現本發明目的，本發明實施例提供了一種包覆燃料顆粒，所述包覆燃料顆粒包括陶瓷燃料核芯及在所述陶瓷燃料核芯外依次包覆的疏松層、內過渡層、碳化物包覆層、外過渡層和難熔金屬包覆層。所述內過渡層為疏松層和碳化物包覆層之間的過渡層，用于為疏松層和碳化物包覆層之間提供一個良好的過渡界面，防止疏松層和碳化物包覆層的應力不匹配；所述外過渡層為碳化物包覆層和難熔金屬包覆層之間的過渡層，用于使難熔金屬沉積。

上述包覆燃料顆粒在一種可能的實現方式中，所述難熔金屬包覆層包括熔點≥1650℃的金屬；可選地，所述金屬包括鋯，鈮，鉭，鈦，鉬，釩，鉻，鎢中的一種金屬或多種金屬組成的合金。難熔金屬包覆層為包覆燃料顆粒的環境接觸層。難熔金屬的熔點極高，可應用在極高的服役環境中(高于1600℃)。且其具有低的中子吸收截面，適合于核燃料使用；并具有較優的高溫力學性能，可滿足燃料元件的力學性能要求；同時抗摩擦磨損效果好。