[發明專利]鈾-氫化鋯和鈾-氫化釔燃料芯塊的閃速燒結制備方法

有效

• 申請號: 202011187226.9
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112410600B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 張新房;梁藝涵
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C28/00;C22C29/00;B22F3/105;G21C5/12
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明屬于核反應堆燃料元件技術領域，具體涉及一種鈾?氫化鋯和鈾?氫化釔燃料芯塊的閃速燒結制備方法。首先通過熔煉、鑄造、氫化、破碎、球磨、篩分制成具有一定粒度的鈾?氫化鋯或鈾?氫化釔粉末，再將粉末原料直接松裝入閃速燒結模具，從室溫開始進行閃速燒結，在60s以內便能獲得接近理論致密度的鈾?氫化鋯(U?ZrH_x)或鈾?氫化釔(U?YH_x)燃料芯塊。本發明不僅克服了傳統燒結方法在制備鈾?氫化鋯或鈾?氫化釔燃料芯塊上的樣品致密度低、耗時、耗能，且流程復雜等技術缺陷，還降低了對鑄錠氫化工藝的要求，在提升產品質量的同時，降低了生產成本，是一種核燃料芯塊的高通量制備手段。

技術領域

本發明屬于核反應堆燃料元件技術領域，具體涉及一種鈾-氫化鋯與鈾-氫化釔燃料芯塊的閃速燒結制備方法。

技術背景

常用的慢化劑材料有含氫的材料(輕水、重水、某些有機物和金屬氫化物)、鈹(金屬、氧化物)和石墨。H₂O在輕水堆中被廣泛用作慢化劑，但其在高于400℃下使用對反應堆有極高的承壓要求。因此，H₂O不合適作為高溫慢化劑。石墨可用于非氧化氣氛的高溫堆中，但其慢化能力較差，故使用受到較大限制。鈹和氧化鈹也可用作慢化劑，且慢化能力比石墨好，但鈹有劇毒、價格昂貴、易產生輻照腫脹，故其使用也受到限制。相比之下，兩種金屬氫化物，ZrH_x和YH_x，被認為最適合用作高溫慢化劑使用。與正在考慮作為慢化劑的ZrH_x以及其他金屬氫化物相比，YH_x作為高溫反應堆的慢化劑具有獨特的優勢。盡管ZrH_x具有較低的中子吸收截面，從而具有較高的慢化比，但YH_x具有優越的熱穩定性，可以高溫下保持相對較高的氫含量，例如，在900℃和1100℃，YH_x中可達到的氫含量分別是ZrH_x中的1.6倍和2.6倍。YH_x在高溫下的氫保留能力可以為反應堆提供更高的熱效率，從而可以減少功率轉換和散熱系統的質量。因此，YH_x也是目前美國的TCR項目在新型微型反應堆設計中所選用的作為慢化劑材料。

在20世紀60年代，美國通用電氣公司便研究了YH_x六邊形截面棒材作為慢化元件在氣冷飛機核推進堆(ANP)中的應用。這類核系統對大塊的、無裂紋的YH_x有大量的需求，且需要采用特殊的慢化材料布置，從而增大了堆芯設計難度和體積，且難以保證中子慢化的均勻性。以可裂變材料為基質形式的ZrH_x，即U(30wt％)-ZrH_1.6，已被用作核輔助動力系統計劃(SNAP)、通用原子(TRIGA)研究反應堆以及核熱推進反應堆的慢化劑，其高功率密度、燃料固有的高慢化劑密度、較高的瞬發負溫度系數反饋性以及高熱導率是此類氫化物復合燃料最具吸引力的特性。同時，由于慢化材料與裂變材料相對均勻分布，此類氫化物燃料無需采用特殊的慢化材料布置，從而可以簡化堆芯結構、減小堆芯體積，并有效慢化中子。此外，基于上述YH_x的優勢，可用YH_x可代替ZrH_x獲得鈾-氫化釔(U-YH_x)燃料，用于更高溫度的反應堆。