[发明专利]一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料及其制法和用途

说明书

本发明公开了一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料及其制法和用途，解决了现有技术中弥散核燃料的惰性基体在辐照条件下热导率下降较快，导致事故容错性能下降，影响反应堆安全的问题。本发明的ZrC惰性基弥散芯块核燃料，包括惰性基体、燃料元件和无燃料区保护层，惰性基体为ZrC，无燃料区保护层由ZrC制成。本发明制法将ZrC混合浆料通过喷雾沉积法包覆在TRISO颗粒上形成致密ZrC惰性基体，将ZrC混合粉末模压成无燃料区素坯，再将惰性基体和无燃料区素坯复合压制成IMDP素坯，之后将IMDP素坯于真空炉中在高温下进行烧结，冷炉后将烧结坯按要求尺寸经过机械加工成水堆和高温气冷堆中的燃料组件。

技术领域

本发明属于核燃料技术领域，具体涉及一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料及其制法和用途。

背景技术

核电具有安全可靠、低碳清洁的特点，是未来全球能源结构的重要组成部分。目前世界各国正在积极推进核电建设，从而缓解能源危机，改善气候环境。纵观世界核能发展史，每一次核事故都会直接导致核能应用技术的革命。日本311福岛核事故中，核电站在严重事故下燃料熔化引起的放射性物质释放以及锆水反应导致的氢爆是引发严重核灾难的直接原因，它暴露了目前在世界上广泛应用的UO₂-Zr类型的轻水堆核燃料在抵抗严重事故方面存在重大安全风险。在此背景下，事故容错燃料(ATF)的概念应运而生，具体是指：与目前的UO₂+Zr燃料相变，能够在较长时间内抵抗冷却剂丧失事故、同时还能保持或提高其在正常运行工况性能的燃料系统。ATF的几大研究热点包括：改进Zr合金的抗氧化性，开发Zr合金的替代材料以及开发高导热、安全性能优异的燃料芯块。

其中，IMDP(InertMatrixDispersionPellet,IMDP)具有抗辐照性能优异、裂变气体包容性好、导热率高的特点，是一种安全性能极佳的燃料芯块。它以TRISO颗粒为燃料元件，以耐高温、抗辐照的高熔点相作为惰性基体，同时在燃料区外围包覆一定厚度的无燃料区作为保护。惰性基体目前广泛应用的是SiC。其具有熔点高、高温下热导率高、力学性能优良、化学性质稳定、辐照肿胀小等优点。

然而，SiC仍然存在一个问题，其在辐照条件下热导率下降较快，会导致在反应堆内工作条件下芯块的事故容错性能下降，从而影响反应堆安全。

因此，提供一种惰性基弥散核燃料，其热导率在辐照环境中下降的比例远小于SiC，以进一步提升IMDP燃料的事故容错性能，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述情况提供一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料。

本发明的目的之二在于提供一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料的制法。

本发明的目的之三在于提供ZrC惰性基弥散芯块核燃料可用作核反应堆中压水堆和高温气冷堆的燃料组件的用途。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料，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。

优选地，所述惰性基体和无燃料区保护层的致密度不小于92％。

优选地，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。