[发明专利]一种新型泡沫陶瓷复合燃料芯块、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种新型泡沫陶瓷复合燃料芯块、制备方法及应用，涉及核电技术领域。该方法包括以下步骤：将陶瓷粉料、石墨粉料、包覆燃料颗粒以及粘结剂、除泡剂、增塑剂和分散剂均匀分散于有机溶剂中，获得浆料；采用模板法，将一定尺寸的泡沫状模板浸入至获得的浆料中进行充分挂浆处理，干燥后，去除或不去除模板，获得含有包覆燃料颗粒的泡沫预制体；采用气相沉积法，将含有包覆燃料颗粒的泡沫预制体进行陶瓷化处理，即得所述新型泡沫陶瓷复合燃料芯块。本发明基于模板法，经挂浆、干燥、去除模板(可选)，获得泡沫陶瓷复合燃料颗粒骨架，再结合化学气相沉积法，使骨架致密化，最终得到泡沫陶瓷复合核燃料芯块。

技术领域

本发明涉及核电技术领域，具体涉及一种新型泡沫陶瓷复合燃料芯块、制备方法及应用。

背景技术

高温气冷堆是国际核能界公认的具有良好安全特性的堆型，其发电效率比压水堆核电厂高出约25％，并具有非能动安全特性使系统大为简单，使用惰性气体作为冷却剂，在最严重事故情况下不会发生堆芯融化等传统风险，被列入未来第四代核能系统技术的六个候选堆型之一。目前，高温气冷堆广泛采用的燃料元件有球形燃料元件和柱形燃料元件。球形燃料元件是将铀燃料做成小颗粒，每个颗粒外包覆一层低密度碳、两层高密度碳和一层碳化硅，形成包覆燃料颗粒，然后将包覆燃料颗粒均匀弥散在石墨慢化材料中，制造成直径为6厘米的球形燃料元件。而柱形燃料元件是将包覆燃料颗粒与石墨粉和其他辅材制成环状芯块，装入石墨套管，用石墨端塞密封成燃料棒，再将燃料棒插满六角形石墨立柱中的燃料孔道，或者将包覆燃料颗粒和石墨颗粒直接装入燃料棒，再插入燃料孔道。以上堆芯结构均存在燃料释放热量得不到快速、有效转移的问题，阻碍了发电效率的进一步提升，限制了高温气冷堆的发展。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的不足，本发明提供了一种新型泡沫陶瓷复合燃料芯块的制备方法，创新性地将包覆燃料颗粒引入具有泡沫结构的模板中，并将其与碳化硅、石墨相结合，制备过程不需要添加任何烧结助剂，基于模板法，经挂浆、干燥、去除模板(可选)，获得泡沫陶瓷复合燃料颗粒骨架，再结合化学气相沉积法，用碳化硅陶瓷包覆在复合燃料颗粒骨架外，使骨架致密化，最终得到泡沫陶瓷复合核燃料芯块。

本发明第一个目的是提供一种新型泡沫陶瓷复合燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：

将陶瓷粉料、石墨粉料、包覆燃料颗粒以及粘结剂、除泡剂、增塑剂和分散剂均匀分散于有机溶剂中，获得浆料；

采用模板法，将一定尺寸的泡沫状模板浸入至获得的浆料中进行充分挂浆处理，干燥后，去除或不去除模板，获得含有包覆燃料颗粒的泡沫预制体；

采用气相沉积法，将含有包覆燃料颗粒的泡沫预制体进行陶瓷化处理，即得所述新型泡沫陶瓷复合燃料芯块。

优选的，所述泡沫状模板为有机模板或者无机模板；所述有机模板为聚氨酯泡沫或树脂泡沫模板；所述无机模板为碳泡沫、硅藻土或沸石。

更优选的，所述泡沫状模板为有机模板，采用热解-氧化去除工艺进行去除模板，去除模板具体是按照以下步骤进行：

将泡沫预制体在空气气氛下，以0.1～1℃/min的升温速率，自室温起，升温至200～350℃，保温1～4h，然后再以0.1～1℃/min的升温速率，继续升温至400～600℃，保温1～4h。

优选的，将含有包覆燃料颗粒的泡沫预制体进行陶瓷化处理是按照以下步骤进行：

将含有包覆燃料颗粒的泡沫预制体置于化学气相炉中，以三氯甲基硅烷(MTS)为先驱体，以氢气为载气和稀释气体，以惰性气体为保护气体，沉积温度为900～1200℃，沉积炉总气压为0.5～5kPa，沉积时间为20～200h。

更优选的，所述三氯甲基硅烷∶氢气∶惰性气体的体积比例1∶5～15∶10～20。

优选的，所述陶瓷粉料为碳化硅陶瓷粉料；