[发明专利]一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料及其制法和用途

权利要求书

1.一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料，其特征在于：包括燃料区和包覆在其外围的无燃料区保护层，所述燃料区包括惰性基体和均匀分布于其中的燃料元件，所述惰性基体为致密ZrC，所述燃料元件为TRISO包覆燃料颗粒，所述无燃料区保护层由ZrC制成；

该ZrC惰性基弥散芯块核燃料的制法包括以下步骤：

步骤1：制备ZrC混合浆料和ZrC混合粉末；

步骤2：将所述ZrC混合浆料通过喷雾沉积法包覆在TRISO颗粒上；

步骤3：将所述ZrC混合粉末模压成形，得到无燃料区素坯；

步骤4：将所述无燃料区素坯与包覆了ZrC的TRISO颗粒复合压制成IMDP素坯；

步骤5：将所述IMDP素坯于真空炉中烧结，所述烧结为无压烧结、热压烧结或放电等离子体烧结；

步骤6：将烧结坯机加成最终尺寸的芯块核燃料；

其中，所述ZrC混合粉末的总质量百分含量之和按100％计，包括以下组分：80～99.5wt.％ZrC，0.5～20wt.％烧结助剂，其中ZrC的粒径为10nm～100μm，烧结助剂选自Si、VC、石墨、Mo、MoSi₂、LiYO₂中的一种或几种；

在上述组分中添加占烧结助剂和ZrC粉末两者总质量0～2wt.％的聚乙烯亚胺作为分散剂，其中，聚乙烯亚胺的分子量为800-1800，之后将添加有分散剂的上述组分与烧结助剂、ZrC粉末和分散剂总质量1-2倍量的酒精混合后，置于尼龙球磨罐中，用氧化锆球或者氧化铝球，球磨24h得到ZrC混合浆料；

将所述ZrC混合浆料干燥即得ZrC混合粉末。

2.根据权利要求1所述的一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料，其特征在于：所述惰性基体和无燃料区保护层不小于92％。

3.根据权利要求2所述的一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料，其特征在于：所述TRISO包覆燃料颗粒占芯块核燃料的体积分数为30-50％，所述无燃料区保护层的厚度为0.2-2mm。

4.根据权利要求3所述的一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料，其特征在于：所述TRISO包覆燃料颗粒包括燃料核心和包覆在所述燃料核心外的四层保护层，所述四层保护层由内向外依次为疏松碳层、内层热解碳层、SiC层和外层热解碳层；所述燃料核心为含U燃料，所述燃料核心的直径为500μm，所述含U燃料²³⁵U富集度为2-20％，所述含U燃料选自UO₂、UC、UC₂、UN、U₃Si₂、U合金或其他核燃料中的一种或几种。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料，其特征在于：所述步骤5中烧结为无压烧结或热压结时，将包覆完ZrC的TRISO颗粒在20～60MPa条件下模压成柱状，再与所述无燃料区素坯与复合压制成IMDP。

6.根据权利要求5所述的一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料，其特征在于：所述步骤2的操作温度为70～100℃；所述步骤3中模压的压制压力为20～150MPa，所得无燃料区素坯包括上下盖和环状筒，与所述燃料区素坯的配合间隙为0.1-0.25mm；所述步骤4中复合压制的压力为60～100MPa。

7.根据权利要求6所述的一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料，其特征在于：所述步骤5中无压烧结的烧结温度为2000～2200℃，保温时间为1～5h，升温速率2～10℃/min，所述无压烧结过程通以氩气保护；

所述步骤5中热压烧结的烧结温度为1800～2100℃，保温时间为1～5h，升温速率2～10℃/min，烧结压力为50-150Mpa，所述热压烧结过程通以氩气保护；

所述步骤6中放电等离子体烧的烧结温度为1600～1950℃，保温时间为2min～0.5h，升温速率50-500℃/min，所述放电等离子体烧结过程通以氩气保护。

8.权利要求1-4任意一项所述的ZrC惰性基弥散芯块核燃料按照核反应堆中压水堆燃料组件的尺寸或高温气冷堆燃料组件的尺寸加工成核燃料芯块的用途。