UO2–SiC燃料芯塊的製備方法及採用該製備方法製成的UO2–SiC燃料芯塊與流程

2023-12-11 01:31:17 2

本發明涉及反應堆燃料元件技術領域，尤其涉及一種UO2–SiC燃料芯塊的製備方法及採用該製備方法製成的UO2–SiC燃料芯塊。

背景技術：

目前，反應堆核電廠中輕水反應堆燃料元件中燃料芯塊的製備主要採用傳統的粉末冶金法混料製得，操作如下：將UO2粉末、SiC粉末、有機粘結劑等通過球磨混合，然後乾燥，獲得UO2–SiC複合粉末；將複合粉末經過SPS燒結，獲得UO2–SiC芯塊。上述的傳統方法具有以下缺陷：

1、UO2顆粒和SiC顆粒或晶須密度差大且二者粉末的物理特性不同，採用傳統的機械混合，粉末容易發生團簇，導致複合粉末成分的均勻性差，從而影響燒結芯塊的熱導率；

2、UO2顆粒和SiC顆粒或晶須硬度高，採用傳統粉末冶金方法混料容易摻雜，降低燃料芯塊的純度；

3、傳統粉末冶金法製備的複合粉末燒結活性低、難緻密，生坯燒結溫度高，UO2顆粒和SiC顆粒在高溫易發生化學反應，從而影響生坯的燒結緻密。

另外，粉末冶金法粉塵汙染嚴重，製備環境惡劣，特別是U O2粉塵對工作人員和周邊環境有較大傷害。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於，提供一種提高芯塊成分均勻性，增加複合粉末的燒結活性的UO2–SiC燃料芯塊的製備方法及採用該製備方法製成的UO2–SiC燃料芯塊。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：提供一種UO2–SiC燃料芯塊的製備方法，包括以下步驟：

製備溶膠溶液：採用重鈾酸銨粉末、尿素及六次甲基四胺作為原料製得溶膠溶液；

製備SiC懸浮液：將SiC通過攪拌加入到去離子水中，得到SiC混合液，在所述SiC混合液中加入質量分數0.5％～2％的分散劑PEI，攪拌均勻後得到SiC懸浮液；

混料：按SiC的體積與UO2的體積百分比為(1～10)：100，將所述溶膠溶液和SiC懸浮液混合，在溫度低於5℃下攪拌冷卻；

膠凝：將所述溶膠溶液和SiC懸浮液混合得到的混合溶膠溶液進行加熱凝膠化，形成含水的鈾化物-碳化矽混合物凝膠；

洗滌：用稀氨水對所述鈾化物-碳化矽混合物凝膠進行充分洗滌，晾乾；

乾燥煅燒：對晾乾的所述鈾化物-碳化矽混合物凝膠以梯度升溫方式進行乾燥煅燒，冷卻至室溫；

還原燒結：將乾燥煅燒後所得的凝膠球在氬氣和氫氣的混合氣體氣氛下進行還原煅燒，冷卻至室溫，得到UO2/SiC複合粉末；

緻密芯塊燒結：將所述UO2/SiC複合粉末進行高溫燒結，冷卻至室溫，製得UO2–SiC燃料芯塊。

優選地，製備溶膠溶液步驟包括：

預處理：將重鈾酸銨粉末在高溫下轉化成U3O8；

溶解：用濃硝酸將所述U3O8溶解，過濾，獲得的濾液為缺酸硝酸鈾醯溶液；

配膠：將尿素及六次甲基四胺加入所述缺酸硝酸鈾醯溶液中，溶解完全後形成溶膠溶液。

優選地，在預處理步驟中，將所述重鈾酸銨粉末在800℃～900℃的高溫下煅燒2～4小時，以轉化成U3O8。

優選地，在溶解步驟中，所述U3O8與濃硝酸的固液比例為1：(1.35～1.45)g/ml。

優選地，在配膠步驟中，所述尿素與所述缺酸硝酸鈾醯溶液中金屬鈾的摩爾比為1：(1.2～1.6)，所述六次甲基四胺與所述缺酸硝酸鈾醯溶液中金屬鈾的摩爾比為1：(1.2～1.6)。

優選地，在製備SiC懸浮液步驟中，SiC與去離子水的質量比為2：8～1：1，

優選地，在膠凝步驟中，所述混合溶膠溶液在80～90℃下加熱48～96小時，進行凝膠化。

優選地，在乾燥煅燒步驟中，所述梯度升溫方式如下：先將溫度從室溫緩慢升溫1～2小時至110℃，保溫3～4小時；再升溫至200℃～220℃，保溫2～2.5小時；再升溫至300℃，保溫2～2.5小時。

優選地，在還原燒結步驟中，還原煅燒時溫度按5～10℃/分鐘升溫至600℃，保溫3～4小時。

優選地，在緻密芯塊燒結步驟中，高溫燒結採用SPS燒結；燒結時，升溫至1200℃～1500℃，保溫5～30分鐘。

本發明還提供一種UO2–SiC燃料芯塊，採用以上任一項所述的製備方法製成。

本發明的有益效果：可以顯著降低燒結溫度，減少揮發產物，提高芯塊成分均勻性，增加複合粉末的燒結活性，利於芯塊緻密；所製得的芯塊密度≥96％T.D，氧金屬原子比為1.99～2.01，雜質含量符合要求，芯塊的導熱性和強度性良好。通過溼法路線實現，可減少粉塵的產生，降低操作人員吸入UO2粉塵的風險；簡單易行，設備投入少，對環境汙染小。

附圖說明

下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：

圖1是本發明一實施例的UO2–SiC燃料芯塊的製備方法流程圖。

具體實施方式

為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

結合圖1的流程圖，本發明一實施例的UO2–SiC燃料芯塊的製備方法，包括以下步驟：

S1、製備溶膠溶液：採用重鈾酸銨粉末、尿素及六次甲基四胺作為原料製得溶膠溶液。該製備溶膠溶液步驟可包括：

預處理：將重鈾酸銨粉末在高溫下轉化成U3O8。具體地，將重鈾酸銨粉末在800℃～900℃的高溫下煅燒2～4小時，以轉化成U3O8。

溶解：用濃硝酸將U3O8溶解，過濾，獲得的濾液為缺酸硝酸鈾醯溶液。溶解時，U3O8與濃硝酸的固液比例為1：(1.35～1.45)g/ml。

配膠：將尿素及六次甲基四胺加入缺酸硝酸鈾醯溶液中，溶解完全後形成溶膠溶液。加入的尿素與缺酸硝酸鈾醯溶液中金屬鈾的摩爾比為1：(1.2～1.6)，加入的六次甲基四胺與缺酸硝酸鈾醯溶液中金屬鈾的摩爾比為1：(1.2～1.6)。

S2、製備SiC懸浮液：將SiC通過攪拌加入到去離子水中，SiC與去離子水的質量比為2：8～1：1，混合得到SiC混合液，在SiC混合液中加入質量分數0.5％～2％的分散劑PEI，攪拌均勻後得到SiC懸浮液。SiC懸浮液為SiC顆粒或SiC晶須懸浮液。

S3、混料：按SiC(碳化矽)的體積與UO2(陶瓷氧化鈾)的體積百分比為(1～10)：100，將溶膠溶液和SiC懸浮液混合，在溫度低於5℃下攪拌冷卻。

S4、膠凝：將溶膠溶液和SiC懸浮液混合得到的混合溶膠溶液在80～90℃下加熱48～96小時，進行凝膠化，形成含水的鈾化物-碳化矽混合物凝膠。

S5、洗滌：用稀氨水對鈾化物-碳化矽混合物凝膠進行充分洗滌，晾乾。

S6、乾燥煅燒：對晾乾的鈾化物-碳化矽混合物凝膠以梯度升溫方式進行乾燥煅燒，然後自然冷卻至室溫。

梯度升溫方式如下：先將溫度從室溫緩慢升溫1～2小時至110℃，保溫3～4小時；再升溫至200℃～220℃，保溫2～2.5小時；再升溫至300℃，保溫2～2.5小時。

S7、還原燒結：將乾燥煅燒後所得的凝膠球在氬氣和氫氣的混合氣體氣氛下進行還原煅燒，然後自然冷卻至室溫，得到UO2/SiC複合粉末。該UO2/SiC複合粉末中各成分分布均勻，粉末活性高，有利於芯塊緻密。

還原煅燒時溫度按5～10℃/分鐘升溫至600℃，保溫3～4小時。

S8、緻密芯塊燒結：將UO2/SiC複合粉末進行高溫燒結，然後自然冷卻至室溫，製得UO2–SiC燃料芯塊。

高溫燒結採用SPS(Spark Plasma Sintering，放電等離子燒結)燒結。燒結時，升溫至1200℃～1500℃，保溫5～30分鐘。

本發明的製備方法製成的UO2–SiC燃料芯塊，可用於輕水反應堆燃料元件。經測，所製得的燃料芯塊密度≥96％T.D，氧金屬原子比為1.99～2.01，雜質含量符合要求，燃料芯塊的導熱性和強度性良好。

以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。