[发明专利]一种多孔燃料核心惰性基弥散燃料芯块的制备方法

说明书

本发明公开了一种多孔燃料核心惰性基弥散燃料芯块的制备方法，该制备方法主要包括多孔燃料核心小球的制备→惰性基体料浆的制备→复合颗粒的制备→压制核心→压制核壳→制备成型几个步骤。该方法将现有芯块中的TRISO颗粒用多孔燃料核心替代，使芯块中铀丰度提高四倍以上，还能显著提高燃料芯块的中子经济性，降低电站运行和乏燃料后处理成本，并且，还可大幅缩短工艺周期，实现该芯块的批量化制备，显著降低生产成本，制备得到的惰性基弥散燃料芯块的致密度更高，晶粒尺寸更小，结构缺陷更少，高温稳定性和抗辐照性能更优异。

技术领域

本发明涉及核燃料领域，具体涉及一种多孔燃料核心惰性基弥散燃料芯块的制备方法。

背景技术

惰性基弥散燃料（Inert Matrix Dispersion Pellet, IMDP）是借鉴高温气冷堆核燃料的结构设计，将燃料核心弥散封装在的惰性陶瓷材料基体中的一种本质安全性能很高的新型反应堆燃料。该惰性基弥散燃料芯块的燃料核心为三结构各向同性（Tri-structural Isotropic, TRISO）多层包覆颗粒，而TRISO多层包覆燃料颗粒则是由燃料核心和四层包覆结构组成。燃料核心材料为目前商业核反应堆应用最广泛的二氧化铀（UO₂），直径约500μm，四层包覆结构从里向外依次为厚度约95µｍ的疏松热解炭层，厚度约40µｍ的内致密热解炭层，厚度约35µｍ的碳化硅层，及厚度约40µｍ的外致密热解炭层。惰性陶瓷材料基体为碳化硅（SiC）陶瓷。

IMDP芯块利用基体材料的优良特性来大幅改善燃料芯块的高温、辐照稳定性和热量导出问题，同时通过将燃料核心整体镶嵌在基体内部来实现对放射性物质的隔离与容留。然而，目前的IMDP燃料芯块中一半以上的体积为惰性陶瓷材料基体，剩余的TRISO颗粒中仅有约八分之一的体积为UO₂燃料核心，整个IMDP燃料芯块中只有约6.25 vol%为燃料主体。因此，目前，IMDP燃料芯块面临的最大问题就是铀装量不足，中子经济性差（L.J. Ott,K.R. Robb, D. Wang, J. Nucl. Mater. , 2014, 448, 520-33），这会直接导致核燃料芯块更换周期缩短，更换频次增加，不仅使核电站的燃料费用、运行和维护费用大幅增加，还会给乏燃料的后处理带来很大的压力和成本。并且，美国爱达荷国家实验室的研究表明，对于含44 vol.% TRISO颗粒（UO₂燃料核心）的IMDP芯块，在轻水堆中循环的时间仅有125天（R.S. Sen, et al., Nucl. Eng. Des., 2013, 255， 310-20），这对于现有轻水堆的设计标准和操作要求而言是无法接受的。

此外，目前的IMDP芯块均采用热压烧结工艺制备，对设备要求高，生产周期长、效率低、成本高，TRISO颗粒在碳化硅基体中的分散效果也很差。不仅难以满足实际的应用技术要求，更难以实现产业化。

发明内容

本发明针对现有技术制备的惰性基弥散燃料芯块铀丰度不足的问题，提供了一种多孔燃料核心惰性基弥散燃料芯块的制备方法。该方法制备了一种多孔燃料核心来替代TRISO颗粒，可有效提高芯块的铀丰度，并且还显著提高燃料芯块的中子经济性，降低电站运行和乏燃料后处理成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多孔燃料核心惰性基弥散燃料芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）多孔燃料核心小球的制备：将粉末状的燃料核心材料与造孔剂按照质量比为1:0.1~6的比例充分混合后，得到混合粉末；将混合粉末压制成致密度为40~70%的坯体，然后破碎成粒径0.5~2mm的混合物颗粒，再将混合物颗粒进行滚动研磨球化5~24h，得到混合物小球，最后将该小球在300~800℃下低温预烧0.5~6h，脱除造孔剂后得到多孔燃料核心小球；

（2）惰性基体料浆的制备：将粉末状的惰性基体材料与有机溶剂按照重量比为1:1~2的比例充分混合12~24h，得到惰性基体料浆；