[发明专利]一种氧化物复合核燃料芯块及其制备方法

说明书

本发明提供一种氧化物复合核燃料芯块的制备方法，属于核材料制备技术领域。包括：1)制备混合粉料：将氧化物核燃料粉末，填料粉末装入球磨罐中，加入二氧化锆研磨球混合进行球磨；2)压制成型：将球磨后的混合粉料进行模压成型，脱膜后得到氧化物复合核燃料胚体；3)闪烧：将氧化物复合核燃料胚体通电，在坯体两端施加恒定电场，同时升高温度，当满足闪烧温度时发生闪烧；电流为0‑700mA/mm²的恒定电流，场强为0‑300V/cm，闪烧温度为25‑1000℃，闪烧时间0～600s；闪烧完成后，降温脱模，得到氧化物复合核燃料芯块。本发明利用闪烧技术，在胚体两端施加恒定直流电场，可显著降低二氧化铀或二氧化钍的烧结温度，缩短烧结时间，提高材料的致密度。

技术领域

本发明属于核材料制备技术领域，具体为一种氧化物复合核燃料芯块及其制备方法。

背景技术

二氧化铀(UO₂)是目前商用核反应堆应用最广泛的核燃料，具有优异的热、化学、辐照稳定性，与包壳材料相容性好，是一种比较理想的核燃料。然而，依靠声子传热的特性导致其在高温和辐照条件下热导率低，这已经成为限制核反应堆性能的重要因素，并且低热导率的二氧化铀燃料芯块也是引发核事故的因素之一。因此，提高UO₂燃料芯块的热导率是提高核电站安全性的有效手段。目前通过将UO₂与高热导率的导热填料(如氧化铍、碳化硅等)复合，是提高UO₂材料热导率的主要技术途径。现有的二氧化铀复合芯块通常需要在1700℃以上保温5-10h的条件下进行烧结，能耗高。

二氧化钍可以作为增殖反应堆的燃料，在热中子反应堆中，可能实现核燃料自持或近增殖；在快堆中，则可以大量增值。钍铀混合燃料，是钍循环高温气冷堆的一种重要燃料体系，也可运用在轻水增值反应堆或加压重水反应堆中。二氧化钍或铀钍混合燃料芯块的制造方法基本和二氧化铀芯块的相同，但烧结温度更高、保温时间更长。

发明内容

本发明的目的在于针对针对现有的氧化物复合核燃料芯块导热性能差及制备效率低的问题，采用闪烧技术以提高烧结效率、优化材料组织结构，提供一种高导热率氧化物复合核燃料芯块及其制备方法。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种氧化物复合核燃料芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备混合粉料：将氧化物核燃料粉末，填料粉末装入球磨罐中，加入二氧化锆研磨球混合进行球磨；

2)压制成型：将球磨后的混合粉料进行模压成型，脱膜后得到氧化物复合核燃料胚体；其中，模压压力2-10Mpa，保压时间2-5min；然后采用冷等静压在压力100-300Mpa，保压时间1-20min进行压坯；

3)闪烧：将上述得到的氧化物复合核燃料胚体通电，在坯体两端施加恒定电场，同时升高温度，当达到闪烧温度时发生闪烧；其中，通电的电流密度为0-700mA/mm²，场强为0-300V/cm，闪烧温度为25-1000℃，闪烧时间持续0～600s；闪烧完成后，降温脱模，得到氧化物复合核燃料芯块。

进一步，所述氧化物粉末为粒径为20nm-5μm二氧化钍粉末或粒径为20nm-5μm二氧化铀粉末。

进一步，所述填料粉末为金属钼、碳化硅、金刚石、氧化铍、石墨烯、石墨、碳纳米管中的一种或几种。

进一步，所述氧化物核燃料粉末和填料粉末的质量比为85-97：15-3。

进一步，所述氧化物粉末和填料粉末质量之和与研磨球的质量比为1：3-15；球磨转速为50-300r/min，球磨时间为2-24h。

进一步，所述球磨过程中还加入研磨介质，研磨介质为乙醇。

进一步，所述闪烧气氛为空气、氢气、氢氩混合气、氮气、氢氮混合气中的一种。