本發(fā)明涉及涉及陶瓷型核燃料的制備方法，具體涉及一種高triso含量惰性基彌散燃料芯塊的制備工藝。

背景技術(shù)：

伴隨著工業(yè)水平的高速發(fā)展，我國能源消耗也呈現(xiàn)快速增長。對火力發(fā)電的嚴重依賴導(dǎo)致我國在溫室氣體減排和保證能源可持續(xù)供應(yīng)上面臨重大挑戰(zhàn)。核電作為一種技術(shù)成熟、安全性不斷提高的清潔能源利用方式，與風(fēng)電、太陽能相比，具有容量因子高、能量密度大、經(jīng)濟性好、單位投資減排效益高等優(yōu)點。發(fā)展核電對于調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)、促進經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，核電自身固有的小概率、大損失的安全性問題成為阻礙核電發(fā)展的最大因素。日本福島核事故以后，世界各國開始高度關(guān)注核燃料元件安全性。開發(fā)具有高本質(zhì)安全性的新型事故容錯核燃料，可顯著提高核燃料組件以及核電站的安全性，有效避免核電事故，特別是放射性物質(zhì)泄漏核事故的發(fā)生。

惰性基彌散燃料芯塊是借鑒高溫氣冷堆核燃料的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將傳統(tǒng)的二氧化鈾制作成被碳化硅和碳多層包覆的三結(jié)構(gòu)各向同性顆粒（triso），再將其分散密封到陶瓷材料基體中形成triso彌散于惰性陶瓷基體中的新型復(fù)合式核燃料。相對于傳統(tǒng)的純二氧化鈾燃料芯塊，惰性基彌散燃料芯塊利用陶瓷材料優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、高溫穩(wěn)定性、抗氧化性等特點來提高燃料芯塊的熱導(dǎo)率和對裂變氣態(tài)產(chǎn)物的容留性能，有效延遲嚴重事故工況下，燃料核心溫度急劇上升，堆芯熔毀，鋯水反應(yīng)氫爆，放射性物質(zhì)泄漏等災(zāi)難性核事故發(fā)生的時間，從而大幅提高燃料組件與核反應(yīng)堆的本質(zhì)安全性能。

目前惰性基彌散燃料芯塊均采用碳化硅作為陶瓷基體，將兩者混合后通過高溫?zé)釅悍磻?yīng)燒結(jié)工藝來制備，不僅對設(shè)備要求高，生產(chǎn)周期長、效率低、成本高，triso顆粒在碳化硅基體中的分散效果差，難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。更重要的是，為了避免triso顆粒在高溫壓力作用下破碎而造成的放射性物質(zhì)外露，碳化硅基體中添加的triso顆粒的體積分數(shù)含量一般不超過40%，為了避免在對燃料進行外圓磨加工的過程中表層triso顆粒破碎而造成的放射性物質(zhì)外露，燃料核心之外需要增加一層具有一定厚度的碳化硅無燃料區(qū)保護層，因此該惰性基彌散燃料芯塊中triso顆粒體積分數(shù)含量最高不超過40%，由于trsio自身的結(jié)構(gòu)特點，整個顆粒中只有約八分之一的體積為二氧化鈾燃料，因此燃料芯塊整體的鈾裝量很低，經(jīng)濟性很差，難以滿足目前商用壓水堆的使用要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述技術(shù)問題，提供一種高triso含量惰性基彌散燃料芯塊的制備方法，該方法可在較短工藝周期內(nèi)制備得到triso顆粒含量高、顆粒完整性好、分散均勻，碳化硅基體致密度高的惰性基彌散燃料芯塊。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種高triso含量惰性基彌散燃料芯塊的制備工藝，包括以下步驟：

（1）制備混合料漿：首先按重量百分比，將0~15%的燒結(jié)助劑和85~100%的碳化硅粉末通過濕混溶劑進行濕混混合，然后再向其中添加占燒結(jié)助劑和碳化硅粉末總質(zhì)量0.5~3%的分散劑，攪拌4~24h使其充分混合，得到分散均勻的碳化硅混合漿料；

（2）制備核殼結(jié)構(gòu)顆粒：將triso顆粒裝入可加熱的滾筒中，打開滾筒，并將其加熱溫度控制在60~90℃，使triso顆粒在滾筒中滾動，待triso顆粒溫度上升到60~90℃后，用氣壓噴霧裝置將步驟（1）中得到的部分混合料漿霧化后連續(xù)噴涂到triso顆粒表面，隨著混合料漿中的濕混溶劑在60~90℃的溫度下迅速揮發(fā)，會在triso顆粒上形成一層碳化硅包覆層，即可得到含二氧化鈾的triso/sic核殼結(jié)構(gòu)顆粒；

（3）壓制核心：將步驟（2）中制備得到的盒殼顆粒顆粒在10~80mpa壓力下模壓成形，得到直徑為6~8mm、高度為12~14.5mm的圓柱形惰性基彌散燃料芯塊的核心；

（4）壓制核殼：取內(nèi)徑為6.2~8.2mm、外徑為8.2~9mm、高度為12~14.5mm且與步驟（3）中的核心相匹配的碳化硅纖維管，以及直徑為8.2~9mm、厚度為0.4mm且與所取的碳化硅纖維管兩端面相匹配的碳化硅纖維圓片，并將上述碳化硅纖維管和碳化硅纖維圓片均在步驟（1）中得到的碳化硅混合漿料中真空浸漬30min，然后取出烘干；其中，真空浸漬的真空度為-0.1mpa；

（5）制備成形：將圓柱形惰性基彌散燃料芯塊的核心裝入碳化硅纖維管內(nèi)，并將碳化硅纖維圓片覆蓋在碳化硅纖維管上下端面后，整體進行放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1600~2000℃，達到燒結(jié)溫度后調(diào)整燒結(jié)壓力為10~50mpa，再保溫5~20min，然后冷卻至室溫，即可獲得高triso含量的惰性基彌散燃料芯塊。

具體的說，所述步驟（1）中的燒結(jié)助劑的粒徑為20nm~50μm，所述燒結(jié)助劑為氧化鋁、氧化釔和二氧化硅中的一種或多種。

具體的說，所述步驟（1）中的碳化硅粉末的粒徑為20nm~50μm。

具體的說，所述步驟（1）中的濕混溶劑為無水乙醇或丙酮。

具體的說，所述步驟（1）中分散劑為聚乙烯亞胺。

進一步的，所述步驟（2）中的triso顆粒為一種含二氧化鈾的標準型核燃料球狀顆粒，該顆粒三結(jié)構(gòu)各向同性，直徑為0.8~1.0mm。

優(yōu)選的，所述步驟（2）中的碳化硅包覆層的重量為triso顆粒自身重量的60~265%。

進一步的，所述步驟（2）中，可通過控制氣壓噴霧裝置噴涂時間來控制碳化硅包覆層的厚度和重量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本發(fā)明是采用噴霧沉積技術(shù)來制備碳化硅包覆triso顆粒的核殼結(jié)構(gòu)顆粒的，采用噴霧沉積技術(shù)可將納米至微米粒徑的碳化硅微粉均勻的包覆于triso顆粒表面，包覆顆粒球形度好，包覆層厚度可控，不易脫落，可保證大粒徑的triso顆粒在納米和微米級碳化硅基體中的均勻分布；避免制備過程中triso顆粒的破損；提高碳化硅基體對裂變產(chǎn)物的容留性能；提高高溫下芯塊內(nèi)部應(yīng)力分布均勻性；提高triso顆粒在碳化硅基體中的含量和芯塊整體的鈾裝量，從而保證惰性基彌散燃料芯塊的安全性和經(jīng)濟性。

（2）本發(fā)明采用與核心相匹配且經(jīng)碳化硅混合漿料浸漬處理后的碳化硅纖維管和纖維圓片對惰性基彌散燃料芯塊核心進行包覆和組合燒結(jié)，經(jīng)燒結(jié)和簡單機加工后在燃料核心外部形成很薄的一層致密碳化硅無燃料區(qū)保護層，不僅可以進一步提高燃料芯塊整體的熱導(dǎo)率，還可在實現(xiàn)燃料核心與外部環(huán)境的完全隔離的前提下最大限度降低無燃料區(qū)在芯塊中所占的體積分數(shù)，不僅提高燃料芯塊對裂變產(chǎn)物的容留性能，更大幅提高了芯塊中triso顆粒的含量以及鈾裝量，從而顯著提高惰性基彌散燃料芯塊的安全性和經(jīng)濟性；

（3）本發(fā)明采用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)實現(xiàn)惰性基彌散燃料芯塊核心與碳化硅無燃料區(qū)的一體化快速燒結(jié)及成形制備技術(shù)，燒結(jié)溫度低、壓力低、時間短，不僅燃料芯塊制備周期較常規(guī)方法縮短10倍以上，還可有效避免芯塊中triso顆粒與碳化硅基體在高溫下的不良反應(yīng)，避免triso顆粒在加壓燒結(jié)過程中的破損，抑制碳化硅晶粒的生長，提高碳化硅基體的致密度，提高triso顆粒在碳化硅基體中的含量和芯塊整體的鈾裝量，從而大幅提高惰性基彌散燃料芯塊的整體性能。

（4）本發(fā)明制備而成的惰性基彌散燃料芯塊中，碳化硅基體致密度達到92%以上，經(jīng)過外圓無心磨合端面平磨后，triso顆粒在燃料整體中的體積分數(shù)含量可達到30%~65%。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的制備工藝框圖。

圖2為本發(fā)明的triso顆粒在碳化硅基體中的分布示意圖。

圖3為triso顆粒在碳化硅基體中的緊密排布以及界面結(jié)構(gòu)掃描示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖說明和實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實施例。

以下實施例的目的是為了克服現(xiàn)有惰性基彌散燃料芯塊制備方法存在的不足，提供一種高triso含量惰性基彌散燃料芯塊的制備方法，該方法可在較短工藝周期內(nèi)獲得triso顆粒含量高、顆粒完整性好、分散均勻且碳化硅基體致密度高的惰性基彌散燃料芯塊。如圖1所示，以下實施例均包括制備混合料漿→制備核殼結(jié)構(gòu)顆粒→壓制核心→壓制核殼→制備成形這五個步驟，每個實施例的具體實施方式如下：

實施例2

（1）制備混合料漿：按重量百分比，將5%的氧化鋁粉、3%的氧化釔粉、2%的二氧化硅粉和90%的碳化硅粉以丙醇為濕混溶劑進行濕混混合，然后再向其中添加占燒結(jié)助劑和碳化硅粉末總質(zhì)量3%的聚乙烯亞胺作為分散劑，攪拌4h使其充分混合后，得到分散均勻的碳化硅混合漿料；

（2）制備核殼結(jié)構(gòu)顆粒：將含二氧化鈾的標準型核燃料球狀顆粒（三結(jié)構(gòu)各向同性顆粒）且直徑為0.8~1.0mm的triso顆粒裝入可加熱的滾筒中，打開滾筒，并將其加熱溫度控制在60℃，使triso顆粒在滾筒中滾動，待triso顆粒溫度上升到60℃后，通過噴霧沉積將步驟（1）中得到的部分混合料漿霧化后連續(xù)噴涂到triso顆粒表面，隨著混合料漿中的濕混溶劑在60℃的溫度下迅速揮發(fā)，在triso顆粒上形成一層碳化硅包覆層，從而獲得含二氧化鈾的triso/sic核殼結(jié)構(gòu)顆粒，該核殼結(jié)構(gòu)顆粒在triso顆粒的基礎(chǔ)上增重60%；

（3）壓制核心：將步驟（2）中制備得到的核殼結(jié)構(gòu)顆粒裝入粉末冶金模具中，在20mpa壓力下壓制成直徑為8mm、高度為14.5mm的圓柱形惰性基彌散燃料芯塊的核心；

（4）壓制核殼：取內(nèi)徑為8.2mm、外徑為9mm、高度為14.5mm的碳化硅纖維管，以及直徑為9mm、厚度為0.4mm的碳化硅纖維圓片，并將取出的碳化硅纖維管和碳化硅纖維圓片均在步驟（1）中得到的碳化硅混合漿料中進行真空浸漬30min，然后取出烘干；其中，真空浸漬的真空度為-0.1mpa；

（5）制備成形：將圓柱形惰性基彌散燃料芯塊的核心裝入碳化硅纖維管內(nèi)，并將碳化硅纖維圓片覆蓋在碳化硅纖維管上下端面后，整體裝入放電等離子體燒結(jié)專用石墨模具中進行放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1750℃，達到燒結(jié)溫度后調(diào)整燒結(jié)壓力為20mpa，再保溫20min，然后隨爐冷卻至室溫，獲惰性基彌散燃料芯塊，該惰性基彌散燃料芯塊碳化硅基體致密度達到97.1%以上，triso顆粒結(jié)構(gòu)完整、分散均勻且體積分數(shù)含量高達64.8%。

實施例3

（1）制備混合料漿：按重量百分比，將7.5%的氧化鋁粉、4.5%的氧化釔粉、3%的二氧化硅粉和85%的碳化硅粉以無水乙醇為濕混溶劑進行濕混混合，然后再向其中添加占燒結(jié)助劑和碳化硅粉末總質(zhì)量0.5%的聚乙烯亞胺作為分散劑，攪拌16h使其充分混合后，得到分散均勻的碳化硅混合漿料；

（2）制備核殼結(jié)構(gòu)顆粒：將含二氧化鈾的標準型核燃料球狀顆粒（三結(jié)構(gòu)各向同性顆粒）且直徑為0.8~1.0mm的triso顆粒裝入可加熱的滾筒中，打開滾筒，并將其加熱溫度控制在90℃，使triso顆粒在滾筒中滾動，待triso顆粒溫度上升到90℃后，用氣壓噴霧裝置將步驟（1）中得到的部分混合料漿霧化后連續(xù)噴涂到triso顆粒表面，隨著混合料漿中的濕混溶劑在90℃的溫度下迅速揮發(fā)，在triso顆粒上形成一層碳化硅包覆層，從而獲得含二氧化鈾的triso/sic核殼結(jié)構(gòu)顆粒，該核殼結(jié)構(gòu)顆粒在triso顆粒的基礎(chǔ)上增重110%；

（3）壓制核心：將步驟（2）中制備得到的核殼結(jié)構(gòu)顆粒裝入粉末冶金模具中，在40mpa壓力下壓制成直徑為8mm、高度為14mm的圓柱形惰性基彌散燃料芯塊的核心；

（4）壓制核殼：取內(nèi)徑為8.2mm、外徑為9mm、高度為14mm的碳化硅纖維管，以及直徑為9mm、厚度為0.4mm的碳化硅纖維圓片，并將取出的碳化硅纖維管和碳化硅纖維圓片均在步驟（1）中得到的碳化硅混合漿料中進行真空浸漬30min，然后取出烘干；其中，真空浸漬的真空度為-0.1mpa；

（5）制備成形：將圓柱形惰性基彌散燃料芯塊的核心裝入碳化硅纖維管內(nèi)，并將碳化硅纖維圓片覆蓋在碳化硅纖維管上下端面后，整體裝入放電等離子體燒結(jié)專用石墨模具中進行放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1600℃，待達到燒結(jié)溫度后調(diào)整燒結(jié)壓力為10mpa，再保溫10min，然后隨爐冷卻至室溫，獲惰性基彌散燃料芯塊，該惰性基彌散燃料芯塊碳化硅基體致密度達到97.3%以上，triso顆粒結(jié)構(gòu)完整、分散均勻且體積分數(shù)含量高達49.5%。

實施例4

（1）制備混合料漿：按重量百分比，將4%的氧化鋁粉、2.4%的氧化釔粉、1.6%的二氧化硅粉和92%的碳化硅粉以無水乙醇為濕混溶劑進行濕混混合，然后再向其中添加占燒結(jié)助劑和碳化硅粉末總質(zhì)量2%的聚乙烯亞胺作為分散劑，攪拌12h使其充分混合后，得到分散均勻的碳化硅混合漿料；

（2）制備核殼結(jié)構(gòu)顆粒：將含二氧化鈾的標準型核燃料球狀顆粒（三結(jié)構(gòu)各向同性顆粒）且直徑為0.8~1.0mm的triso顆粒裝入可加熱的滾筒中，打開滾筒，并將其加熱溫度控制在80℃，使triso顆粒在滾筒中滾動，待triso顆粒溫度上升到80℃后，用氣壓噴霧裝置將步驟（1）中得到的部分混合料漿霧化后連續(xù)噴涂到triso顆粒表面，隨著混合料漿中的濕混溶劑在80℃的溫度下迅速揮發(fā)，在triso顆粒上形成一層碳化硅包覆層，從而獲得含二氧化鈾的triso/sic核殼結(jié)構(gòu)顆粒，該核殼結(jié)構(gòu)顆粒在triso顆粒的基礎(chǔ)上增重265%；

（3）壓制核心：將步驟（2）中制備得到的核殼結(jié)構(gòu)顆粒裝入粉末冶金模具中，在10~80mpa壓力下壓制成直徑為6mm、高度為12.5mm的圓柱形惰性基彌散燃料芯塊的核心；

（4）壓制核殼：取內(nèi)徑為6.2mm、外徑為8.2mm、高度為12.5mm的碳化硅纖維管，以及直徑為8.2mm、厚度為0.4mm的碳化硅纖維圓片，并將取出的碳化硅纖維管和碳化硅纖維圓片均在步驟（1）中得到的碳化硅混合漿料中進行真空浸漬30min，然后取出烘干；其中，真空浸漬的真空度為-0.1mpa；

（5）制備成形：將圓柱形惰性基彌散燃料芯塊的核心裝入碳化硅纖維管內(nèi)，并將碳化硅纖維圓片覆蓋在碳化硅纖維管上下端面后，整體裝入放電等離子體燒結(jié)專用石墨模具中進行放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1850℃，待達到燒結(jié)溫度后調(diào)整燒結(jié)壓力為50mpa，再保溫5min，然后隨爐冷卻至室溫，獲惰性基彌散燃料芯塊，該惰性基彌散燃料芯塊碳化硅基體致密度達到96.4%以上，triso顆粒結(jié)構(gòu)完整、分散均勻且體積分數(shù)含量高達29.7%。

由上述實施例及圖2和圖3可知，本實施例的惰性基彌散燃料芯塊的快速制備工藝對設(shè)備要求低，且生產(chǎn)周期短、效率高，triso顆粒被包裹在碳化硅內(nèi)，確保了triso顆粒的完整性；而包裹有碳化硅的triso顆粒外側(cè)還包裹有碳化硅纖維核殼，可有效避免triso顆粒的體積分數(shù)含量超過40%后因高溫壓力作用下破碎而造成放射性物質(zhì)外露的問題；因此，具有triso顆粒體積分數(shù)含量高、燃料芯塊整體的鈾裝量高的特點，可滿足目前商用壓水堆的使用要求。

上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，不應(yīng)當用于限制本發(fā)明的保護范圍，但凡在本發(fā)明的主體設(shè)計思想和精神上作出的毫無實質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。