本發(fā)明涉及核燃料領(lǐng)域，具體涉及一種金屬增強型二氧化鈾核燃料芯塊的制備方法。
背景技術(shù)：
二氧化鈾(uo2)具有中子俘獲截面低、輻照穩(wěn)定性，熔點高、對冷卻劑水的抗腐蝕性能好，與包殼材料有很好的相容性等優(yōu)點，是核工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的核燃料材料，但是其熱導(dǎo)率在所有的核燃料材料(金屬型、碳化物、氮化物)中是最低的。熱導(dǎo)率是核燃料最重要的熱物理性能之一，直接決定了核反應(yīng)堆內(nèi)燃料系統(tǒng)的性能。燃料芯塊熱導(dǎo)率越低，反應(yīng)堆運行時燃料組件的溫度就越高，輻照環(huán)境下，芯塊內(nèi)熱應(yīng)力和裂變氣體的釋放量也隨之提高，從而導(dǎo)致芯塊變形、開裂，縮短燃料組件的使用壽命。此外，燃料芯塊的熱導(dǎo)率越低，燃料系統(tǒng)的儲能就越高，這將大幅降低反應(yīng)堆運行的安全界限，特別是在發(fā)生冷卻劑喪失的核事故(lossofcoolantaccident,loca)時，燃料系統(tǒng)所存儲的能量無法迅速釋放出去將直接導(dǎo)致燃料系統(tǒng)溫度急劇升高，芯塊蠕變、坍塌，堆芯熔毀，放射性物質(zhì)外露，如得不到有效控制將引發(fā)嚴重的核事故。日本福島核事故后，人們開始認識到傳統(tǒng)的二氧化鈾熱導(dǎo)率低的缺陷已經(jīng)成為影響核電站運行的重大安全隱患(r.o.meyer,nucl.technol.,2006,155:293)。為了解決這個問題，必須對現(xiàn)有核燃料組成與結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提高其在設(shè)計基準事故情況以及超出設(shè)計基準以外事故狀態(tài)下的安全性，從而減輕反應(yīng)堆安全系統(tǒng)負擔，確保反應(yīng)堆安全運行。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問題，提供一種金屬增強型二氧化鈾核燃料芯塊的制備方法，制備出熱導(dǎo)率明顯優(yōu)于純uo2且耐溫和輻照穩(wěn)定性能優(yōu)異的金屬增強型二氧化鈾核燃料芯塊，改善反應(yīng)堆及燃料系統(tǒng)的安全水平。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
一種金屬增強型二氧化鈾核燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
(1)將二氧化鈾粉末通過放電等離子燒結(jié)法進行低溫快速預(yù)燒，低溫快速預(yù)燒過程中，以50～200℃/min的升溫速率升溫至600～800℃后，保溫1～10min，得到二氧化鈾預(yù)燒坯；
(2)將二氧化鈾預(yù)燒坯進行破碎、過篩后得到粒徑15～100目的二氧化鈾顆粒，然后再將二氧化鈾顆粒研磨球化2～12小時，得到二氧化鈾小球；
(3)將二氧化鈾小球與金屬粉末按體積比1:0.05～0.15的比例進行混合包覆2～8小時，得到金屬粉末在二氧化鈾小球表面包覆均勻的核殼結(jié)構(gòu)顆粒；
(4)將核殼結(jié)構(gòu)顆粒壓制成密度為5.6～6.8g/cm3的金屬增強型核燃料芯塊素坯；
(5)將金屬增強型核燃料芯塊素坯通過放電等離子燒結(jié)法在氬氣或氬氫混合氣氣氛下進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1600～1900℃后，保溫2～8小時，然后冷卻即可得到具有微胞結(jié)構(gòu)的金屬增強型二氧化鈾核燃料芯塊。
具體的說，所述步驟(1)中，所述二氧化鈾粉末的粒徑為50nm～200μm。
具體的說，所述步驟(1)中得到的二氧化鈾預(yù)燒坯密度為5.0～6.5g/cm3。
具體的說，所述步驟(3)中，金屬粉末的粒徑為20nm～50μm。
更具體的說，所述金屬粉末為鉬、鉻、鎢中的一種或多種。
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)明采用放電等離子體燒結(jié)(sparkplasmasintering,sps)低溫快速預(yù)燒工藝可以得到低密度、高強度的uo2預(yù)燒坯，經(jīng)破碎、過篩、球化處理后得到球形度好、密度低、強度高的uo2小球，該特性可促進金屬粉末在uo2小球表面的包覆，得到包覆效果良好的二氧化鈾/金屬核殼結(jié)構(gòu)顆粒；該核殼結(jié)構(gòu)顆粒經(jīng)成形和高溫燒結(jié)后，包覆于uo2顆粒表面的金屬粉末局部液化并相互連結(jié)，在uo2顆粒周圍形成了類似細胞膜結(jié)構(gòu)的金屬微胞；該結(jié)構(gòu)特性可顯著降低芯塊內(nèi)部熱轉(zhuǎn)到的界面熱阻，從而使燃料芯塊的熱導(dǎo)率相對于純uo2有大幅提高，相對于直接混合燒結(jié)的金屬增強型二氧化鈾燃料芯塊也有明顯提高。
(2)本發(fā)明解決了現(xiàn)有商用核反應(yīng)堆中廣泛應(yīng)用的uo2核燃料芯塊熱導(dǎo)率低，影響反應(yīng)堆運行安全的問題，制備得到的金屬增強型二氧化鈾核燃料芯塊的熱導(dǎo)率性能得到顯著改善，同時也具有良好的堆內(nèi)高溫輻照穩(wěn)定性能，可使反應(yīng)堆運行的安全水平得到大幅提高。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(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。
實施例
本實施例的目的是為了解決現(xiàn)有商用核反應(yīng)堆中廣泛應(yīng)用的uo2核燃料芯塊熱導(dǎo)率低，影響反應(yīng)堆運行安全的問題，從而提供的一種金屬增強型二氧化鈾核燃料芯塊的制備方法。該制備方法主要包括兩大步驟，一是制備核殼結(jié)構(gòu)顆粒，即利用放電等離子體燒結(jié)(sparkplasmasintering,sps)技術(shù)對uo2粉末進行低溫快速預(yù)燒，經(jīng)造粒、球化后得到uo2小球，再與金屬(mo、cr、w等之一)微粉進行物理混合的方式，將金屬微粉包覆到uo2小球表面，制成金屬包覆二氧化鈾的核殼結(jié)構(gòu)顆粒；二是制備核燃料芯塊，即利用包覆在uo2小球表面的金屬(mo、cr、w等之一)粉末高溫液化后，在uo2小球周圍形成類似于細胞膜結(jié)構(gòu)的微胞結(jié)構(gòu)連續(xù)相，與uo2基體形成特殊的金屬增強型uo2核燃料芯塊。其具體的步驟如以下實例所示：
實例1
一種金屬增強型二氧化鈾核燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
(1)將粒徑為50nm的uo2粉末裝入sps低溫預(yù)燒專用石墨模具中，然后置于sps燒結(jié)爐中進行低溫快速預(yù)燒，低溫快速預(yù)燒過程中，以100℃/min的升溫速率升溫至650℃后，保溫5min，得到密度為5.5g/cm3的uo2預(yù)燒坯；
(2)將uo2預(yù)燒坯進行破碎、過篩后得到粒徑30目的uo2顆粒，然后再將uo2顆粒裝入球化設(shè)備中進行研磨球化3小時，得到球形度良好的uo2小球；
(3)將uo2小球裝入混合包覆設(shè)備中，添加粒徑為50μm、體積為uo2小球體積的0.08倍的金屬鉬(mo)粉末，進行混合包覆4小時，得到金屬鉬粉末在uo2小球表面包覆均勻的核殼結(jié)構(gòu)顆粒；
(4)將核殼結(jié)構(gòu)顆粒裝入粉末冶金成形模具中，壓制成密度為6.0g/cm3的金屬增強型核燃料芯塊素坯；
(5)將金屬增強型核燃料芯塊素坯裝入氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，通過放電等離子燒結(jié)法在氬氫混合氣氣氛下進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1600℃后，保溫8小時，然后冷卻即可得到具有微胞結(jié)構(gòu)的金屬鉬增強型uo2核燃料芯塊。
實例2
(1)將粒徑為100μm的uo2粉末裝入sps低溫預(yù)燒專用石墨模具中，然后置于sps燒結(jié)爐中進行低溫快速預(yù)燒，低溫快速預(yù)燒過程中，以50℃/min的升溫速率升溫至700℃后，保溫1min，得到密度為5.0g/cm3的uo2預(yù)燒坯；
(2)將uo2預(yù)燒坯進行破碎、過篩后得到粒徑15目的uo2顆粒，然后再將uo2顆粒裝入球化設(shè)備中進行研磨球化2小時，得到球形度良好的uo2小球；
(3)將uo2小球裝入混合包覆設(shè)備中，添加粒徑為50nm、體積為uo2小球體積的0.12倍的金屬鉻(cr)粉末，進行混合包覆2小時，得到金屬鉻粉末在uo2小球表面包覆均勻的核殼結(jié)構(gòu)顆粒；
(4)將核殼結(jié)構(gòu)顆粒裝入粉末冶金成形模具中，壓制成密度為5.6g/cm3的金屬增強型核燃料芯塊素坯；
(5)將金屬增強型核燃料芯塊素坯裝入氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，通過放電等離子燒結(jié)法在氬氣氣氛下進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1750℃后，保溫4小時，然后冷卻即可得到具有微胞結(jié)構(gòu)的金屬鉻增強型uo2核燃料芯塊。
實例3
(1)將粒徑為20μm的uo2粉末裝入sps低溫預(yù)燒專用石墨模具中，然后置于sps燒結(jié)爐中進行低溫快速預(yù)燒，低溫快速預(yù)燒過程中，以150℃/min的升溫速率升溫至700℃后，保溫5min，得到密度為6.2g/cm3的uo2預(yù)燒坯；
(2)將uo2預(yù)燒坯進行破碎、過篩后得到粒徑80目的uo2顆粒，然后再將uo2顆粒裝入球化設(shè)備中進行研磨球化8小時，得到球形度良好的uo2小球；
(3)將uo2小球裝入混合包覆設(shè)備中，添加粒徑為20nm、體積為uo2小球體積的0.15倍的金屬鎢(w)粉末，進行混合包覆6小時，得到金屬鎢粉末在uo2小球表面包覆均勻的核殼結(jié)構(gòu)顆粒；
(4)將核殼結(jié)構(gòu)顆粒裝入粉末冶金成形模具中，壓制成密度為6.8g/cm3的金屬增強型核燃料芯塊素坯；
(5)將金屬增強型核燃料芯塊素坯裝入氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，通過放電等離子燒結(jié)法在氬氫混合氣氣氛下進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1900℃后，保溫5小時，然后冷卻即可得到具有微胞結(jié)構(gòu)的金屬鎢增強型uo2核燃料芯塊。
實例4
(1)將粒徑為100μm的uo2粉末裝入sps低溫預(yù)燒專用石墨模具中，然后置于sps燒結(jié)爐中進行低溫快速預(yù)燒，低溫快速預(yù)燒過程中，以100℃/min的升溫速率升溫至600℃后，保溫10min，得到密度為5.8g/cm3的uo2預(yù)燒坯；
(2)將uo2預(yù)燒坯進行破碎、過篩后得到粒徑60目的uo2顆粒，然后再將uo2顆粒裝入球化設(shè)備中進行研磨球化6小時，得到球形度良好的uo2小球；
(3)將uo2小球裝入混合包覆設(shè)備中，添加粒徑為20μm、體積為uo2小球體積的0.05倍的金屬鉬(mo)粉末，進行混合包覆3小時，得到金屬鉬粉末在uo2小球表面包覆均勻的核殼結(jié)構(gòu)顆粒；
(4)將核殼結(jié)構(gòu)顆粒裝入粉末冶金成形模具中，壓制成密度為5.8g/cm3的金屬增強型核燃料芯塊素坯；
(5)將金屬增強型核燃料芯塊素坯裝入氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，通過放電等離子燒結(jié)法在氬氣氣氛下進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1800℃后，保溫2小時，然后冷卻即可得到具有微胞結(jié)構(gòu)的金屬鉬增強型uo2核燃料芯塊。
實例5
(1)將粒徑為200μm的uo2粉末裝入sps低溫預(yù)燒專用石墨模具中，然后置于sps燒結(jié)爐中進行低溫快速預(yù)燒，低溫快速預(yù)燒過程中，以200℃/min的升溫速率升溫至800℃后，保溫2min，得到密度為6.5g/cm3的uo2預(yù)燒坯；
(2)將uo2預(yù)燒坯進行破碎、過篩后得到粒徑100目的uo2顆粒，然后再將uo2顆粒裝入球化設(shè)備中進行研磨球化12小時，得到球形度良好的uo2小球；
(3)將uo2小球裝入混合包覆設(shè)備中，添加粒徑為50μm、體積為uo2小球體積的0.1倍的金屬鉻(cr)粉末，進行混合包覆5小時，得到金屬鉻粉末在uo2小球表面包覆均勻的核殼結(jié)構(gòu)顆粒；
(4)將核殼結(jié)構(gòu)顆粒裝入粉末冶金成形模具中，壓制成密度為6.5g/cm3的金屬增強型核燃料芯塊素坯；
(5)將金屬增強型核燃料芯塊素坯裝入氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，通過放電等離子燒結(jié)法在氬氣氣氛下進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1700℃后，保溫5小時，然后冷卻即可得到具有微胞結(jié)構(gòu)的金屬鉻增強型uo2核燃料芯塊。
由以上實例可以發(fā)現(xiàn)，本實施例均是采用熱導(dǎo)率高、熔點高、中子吸收截面小、抗輻照性能好的鉬(mo)、鉻(cr)、鎢(w)等金屬材料作為熱導(dǎo)率增強相與uo2進行混合、包覆、成形、燒結(jié)處理，制備熱導(dǎo)率明顯優(yōu)于純uo2，耐溫和輻照穩(wěn)定性能優(yōu)異的金屬增強型二氧化鈾核燃料芯塊，均可有效改善反應(yīng)堆及燃料系統(tǒng)的安全水平。
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)。