[發明專利]一種核反應堆燃料元件用天然石墨粉及其制備方法

在審

• 申請號: 202010529696.2
• 申請日: 2020-06-11
• 公開（公告）號: CN113800511A
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 周湘文;劉兵;唐亞平;盧振明;張杰;王磊
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01B32/215
• 分類號: C01B32/215;C01B32/20;G21C3/58
• 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，具體涉及一種核反應堆燃料元件用天然石墨粉及其制備方法。本發明實施例提供的核反應堆燃料元件用天然石墨粉的制備方法包括下述步驟：將天然石墨通過加料設備加入至機械粉碎設備中進行粉碎；在引風機的作用下，粉碎后的粉體從機械粉碎設備進入第一分級機，依次經過第一分級機和第二分級機進行兩級分級處理，得天然石墨粉中間產品；高溫提純，得天然石墨粉。本發明提供的核反應堆燃料元件用天然石墨粉的制備方法，先粉碎、兩級分級，再高溫提純，簡化了工藝流程，在控制產品雜質含量的同時提高了成品收率，降低了成本，有利于未來核反應堆燃料元件用天然石墨粉的商業化和規模化生產。

技術領域

本發明涉及核燃料領域，具體涉及一種核反應堆燃料元件用天然石墨粉及其制備方法。

背景技術

彌散型燃料是區別于傳統芯塊-包殼結構之外的一大類燃料類型，其最大的特點是由顆粒狀燃料均勻彌散在非裂變的基體相材料中所構成的一種混合物燃料。彌散型燃料的結構和成分具有很強的可設計性，可滿足不同類型的核能系統。高溫氣冷堆球形燃料元件就是一種典型的彌散型燃料，其基體相為基體石墨，由71wt％的天然石墨粉、18wt％的人造石墨粉和11wt％的酚醛樹脂炭組成，該燃料元件未來還有望在熔鹽堆、氣冷微堆、空間堆等先進堆型中獲得應用。實現基體石墨中占比超過七成的天然石墨粉的穩定而又經濟的可控制備，對于未來實現燃料元件的規模化和商業化生產及其先進核反應堆中的應用至關重要。

在現有的球形燃料元件用天然石墨粉制備工藝中，主要采用先高溫鹵素提純再粉碎、分級和整形的工藝流程，該制備工藝易于控制所制備的天然石墨粉的粒度分布及比表面積等重要性能指標，但是純化后天然鱗片石墨在后續的粉碎和整形過程中，容易在天然石墨粉中引入雜質元素，導致雜質元素超標。從核反應堆的設計要求出發，對于核燃料的雜質元素含量有著嚴格要求，這主要是因為一旦雜質元素超標，會嚴重影響核反應堆的中子經濟性，部分雜質元素在反應堆中被輻照活化后，會使得乏燃料的放射性超標，存在嚴重的放射性安全隱患。因此，粉碎整形后天然石墨粉的雜質元素一旦超標，將成為不合格品全部報廢。

此外，純化后的天然鱗片石墨經過粉碎、分級、整形和再分級等多道工序，成品收率僅為50％左右，收率較低，接近一半的純化后天然石墨無法利用，使得生產成本升高。

因此，當前的天然石墨粉生產工藝存在流程復雜、收率較低、生產成本高和生產過程中易引入雜質元素導致天然石墨粉出現不合格等問題，須對現有核反應堆燃料元件用天然石墨粉的生產工藝進行改進和優化。

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

為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種核反應堆燃料元件用天然石墨粉及其制備方法。本發明提供的核反應堆燃料元件用天然石墨粉的制備方法，采用機械粉碎結合兩級分級的方法，制得了粒度分布和比表面積可控的天然石墨粉，再利用高溫和鹵素對天然石墨粉進行提純處理；通過該方法制備得到的天然石墨粉各項技術指標均滿足技術要求，采用制得的天然石墨粉作為原材料制備燃料元件，燃料元件的各項性能指標均可滿足設計要求；簡化了工藝流程，在控制產品雜質含量的同時提高成品收率，降低成本，有利于未來核反應堆燃料元件用天然石墨粉的商業化和規模化生產。

解決方案

為實現本發明目的，本發明實施例提供了一種核反應堆燃料元件用天然石墨粉的制備方法，所述制備方法包括下述步驟：

將天然石墨通過加料設備加入至機械粉碎設備中進行粉碎；

在引風機的作用下，粉碎后的粉體從機械粉碎設備進入第一分級機，依次經過第一分級機和第二分級機進行兩級分級處理，得天然石墨粉中間產品；