[發明專利]一種含可燃毒物包覆層的包覆燃料顆粒、芯塊、燃料元件及其制備方法

有效

• 申請號: 202010604807.1
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111724919B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 劉榮正;劉馬林;邵友林;劉兵
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G21C3/42
• 分類號: G21C3/42;G21C3/62
• 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

1.一種包覆燃料顆粒，其特征在于，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含硼可燃毒物層和功能層；所述功能層包括疏松層、內過渡層、碳化物包覆層和環境保護層中的一種或多種，所述含硼可燃毒物層包括厚度為0.5-10μm硼化鋯包覆層或以熱解炭或碳化硅為基體，硼元素的質量分數為0.1-20%，孔隙率為30-70%，厚度為10-150μm的含硼疏松層；

所述硼化鋯包覆層的制備方法包括下述步驟：

以ZrCl₄和BCl₃為前驅體，ZrCl₄以加熱的方式產生蒸汽，以氫氣或氬氣為載帶氣體，以氬氣、氫氣或二者任意比例的混合氣為流化氣體，在溫度1100℃-1800℃的條件下進行包覆，包覆時間為1-60min；

所述含硼疏松層的制備方法包括下述步驟：

通入含碳的前驅體，以BCl₃為硼源；在溫度1100℃-1400℃的條件下進行包覆，包覆時間為1-20min。

2.根據權利要求1所述的包覆燃料顆粒，其特征在于，當含硼可燃毒物層為硼化鋯包覆層時，所述功能層包括疏松層、內過渡層、碳化物包覆層和環境保護層。

3.根據權利要求2所述的包覆燃料顆粒，其特征在于，所述疏松層包括熱解炭或碳化硅，孔隙率為30-70%，厚度為10-150μm。

4.根據權利要求1所述的包覆燃料顆粒，其特征在于，當含硼可燃毒物層為含硼疏松層時，所述功能層包括內過渡層、碳化物包覆層和環境保護層。

5.根據權利要求2-4任一所述的包覆燃料顆粒，其特征在于，所述內過渡層包括熱解炭或低密度碳化物；其中，熱解炭的密度為1.8-2.1g/cm³，低密度碳化物的密度為其理論密度的50%-80%，所述碳化物包括碳化硅，碳化鋯，碳化鈮，碳化鉭，碳化鈦，碳化鉬，碳化釩，碳化鉻或碳化鎢中的一種或多種；

和/或，所述內過渡層厚度為5-50μm；

和/或，所述碳化物包覆層包括碳化硅，碳化鋯，碳化鈮，碳化鉭，碳化鈦，碳化鉬，碳化釩，碳化鉻或碳化鎢中的一種或多種；

和/或，所述碳化物包覆層的厚度為5-200μm；

和/或，所述環境保護層包括熱解炭或低密度碳化物；其中，熱解炭的密度為1.8-2.1g/cm³，低密度碳化物的密度為其理論密度的70-90%，所述碳化物包括碳化硅，碳化鋯，碳化鈮，碳化鉭，碳化鈦，碳化鉬，碳化釩，碳化鉻或碳化鎢中的一種或多種；

和/或，所述環境保護層的厚度為5-50μm；

和/或，陶瓷燃料核芯包括氧化鈾、碳化鈾、鈾碳氧、氮化鈾、氧化釷、碳化釷或氮化釷中的一種或多種；所述陶瓷燃料核芯為直徑100-1200μm的圓球。

6.權利要求1-5任一項所述的包覆燃料顆粒的制備方法，其特征在于，所述制備方法采用流化床化學氣相沉積法在陶瓷燃料核芯外依次包覆含硼可燃毒物層和功能層。

7.一種芯塊，其特征在于，所述芯塊包括權利要求1-5任一項所述的包覆燃料顆粒和基體。

8.根據權利要求7所述的芯塊，其特征在于，所述基體包括SiC粉，BeO粉或石墨粉中的一種或多種。

9.根據權利要求8所述的芯塊，其特征在于，所述基體還包括ZrB₂粉。

10.根據權利要求9所述的芯塊，其特征在于，所述基體為ZrB₂粉和SiC粉、BeO粉或石墨粉的混合物，或基體為表面包覆硼化鋯層的SiC粉，BeO粉或石墨粉。

11.一種燃料元件，其特征在于，所述燃料元件包括權利要求1-5任一項所述的包覆燃料顆粒和基體。