[发明专利]一种UMoZr弥散燃料制备方法

说明书

本发明属于铀基弥散燃料芯块制备技术领域，具体涉及一种UMoZr弥散燃料制备方法。采用贫铀和钼粒进行铀钼合金熔炼，然后采用感应熔炼铸造成型，获得铸锭；加工成薄片，用硝酸去除表面的氧化物，然后在去离子水中去除表面残留的硝酸，将样品浸入无水乙醇中除去水分，采用氢化脱氢工艺制备出铀钼合金粉末，然后热处理恢复γ相，与Zr粉混合，进行热压烧结，制备出UMoZr弥散燃料芯块。通过优化合金熔炼和氢化脱氢工艺，实现γ相铀10wt％钼合金粉末的制备，与锆粉进行热压烧结，制备出相对密度90％以上的弥散芯块。

技术领域

本发明属于铀基弥散燃料芯块制备技术领域，具体涉及一种UMoZr弥散燃料制备方法。

背景技术

弥散燃料通过将裂变损伤局限在燃料系统的一个规则区域而使燃料元件达到稳定，弥散型燃料合金是一种两相合金，它把燃料相的颗粒弥散在性能很好的金属基体中，在体积上必须以稀释相为主，使之形成包围裂变相的连续基体。某些材料之间出现固态反应，将产生巨大的体积膨胀，远大于单一的结构变化所产生的，因此需选用相容性较好的基体材料，同时需选用高热导性、低热膨胀系数、高温强度和良好的抗腐蚀性以及对中损伤不敏感的材料。

Zr元素是唯一一种可増强合金燃料与不锈钢包壳材料相容性的元素，它可以抑制合金燃料与包壳之间的元素互扩散，避免包壳材料内的Fe、Ni元素在界面处与合金燃料组元反应生成低熔点化合物。

在U-Mo/Zr界面处有析出相产物使得扩散层有分层现象、扩散层没有裂纹和空洞。U-Mo合金和Zr具有良好的相容性。但由于金属的熔点越低，扩散激活能越小，原子越易迁移。U-10Mo合金熔点低(1150℃)扩散较快，Zr熔点较高(1852℃)而扩散慢，U和Mo原子更容易发生迁移。U、Mo和Zr的原子半径分别为154、136、160pm。在U和Mo原子向Zr合金的扩散中，Mo原子因具有更小的原子半径而优先扩散。而在实际制备弥散燃料时，密度不宜过低，这就需要较高的烧结温度，一般U-10Mo粉末烧结温度800℃以上，而750℃以上，U-10Mo与Zr合金有明显的扩散分层现象，导致U-10Mo一侧明显Mo含量降低，进而导致γ相不稳定，因此制备仅含有γ相、Zr相的金属型芯块存在一定难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种UMoZr弥散燃料制备方法，以克服现有技术存在的不足。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种UMoZr弥散燃料制备方法，采用贫铀和钼粒进行铀钼合金熔炼，然后采用感应熔炼铸造成型，获得铸锭；加工成薄片，用硝酸去除表面的氧化物，然后在去离子水中去除表面残留的硝酸，将样品浸入无水乙醇中除去水分，采用氢化脱氢工艺制备出铀钼合金粉末，然后热处理恢复γ相，与Zr粉混合，进行热压烧结，制备出UMoZr弥散燃料芯块。

铀钼合金熔炼通过非自耗电弧熔炼进行。

加工成1mm厚的薄片。

Mo的质量含量为10±0.5％。

感应熔炼采用熔炼坩埚为CaO陶瓷坩埚，在坩埚与感应线圈之间以镁砂打结，坩埚烘烤2h，进行真空除气，当真空达到5×10^-2Pa时开始送电，控制送电功率，使其缓慢熔化，1400℃保温20min，随炉冷却。

在500℃进行热处理，使其发生部分转变形成蜂窝型结构，在其晶界或夹杂物界面形成α相和富钼的γ相或U₂Mo相组成的双相结构。

将样品浸入无水乙醇中除去水分，放入氢化脱氢炉中进行真空850℃热处理1.5h，制备含α相的铀钼合金；然后采用氢化脱氢工艺，氢化温度150℃，氢压0.14～0.4Mpa，保温时间2小时，脱氢温度560℃，保温1h，循环3次。

采用560℃保温2h，部分恢复γ相，同时脱氢温度提高至600℃，保温2h，以使部分α相向γ相转变。