一種鈾基三元碳化物的製備方法及其應用與流程
2023-07-24 23:47:36
本發明涉及一種鈾基三元碳化物的製備方法及其應用。
背景技術：
日本福島「311」核事故暴露了傳統uo2+zr合金燃料體系在事故狀態下存在的重大隱患，引發了世界範圍內關於事故容錯燃料的討論。事故容錯燃料是為了提高燃料元件抵抗嚴重事故下的性能而提出的新一代燃料概念，具體是指：與目前的uo2+zr燃料相比，能夠在較長時間內抵抗冷卻劑喪失事故、同時還能保持或提高其在正常運行工況性能的燃料系統。開發zr合金的替代材料以及開發高導熱、安全性能優異的燃料芯塊是開發事故容錯燃料主要方向之一。
uc與uo2相比具有高鈾密度、高導熱、低膨脹、高熔點、高燃耗(～20％)等優點，有望作為新一代核燃料應用於反應堆中。然而碳化鈾輻照腫脹較為嚴重，抗氧化性能不足，與水的反應活性很高，再加上複雜的製備工藝，其實際應用受到了限制。在uc製備過程中，過量的c原子會進入uc八面體間隙中形成uc2，而uc2又會分解為c和u2c3，影響uc芯塊的穩定性。因此如何改進uc的綜合性能，使其能實際運用於核反應堆中，成為了一個具有巨大經濟和安全效益的待解決問題。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：提供一種鈾基三元碳化物的製備方法，利用該方法製備的鈾基三元碳化物具有高熔點、高導熱、抗輻照性能好的特點；同時，還提供該鈾基三元碳化物在核電站的事故容錯核燃料和核動力火箭的核燃料中的應用。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：
一種鈾基三元碳化物的製備方法，由鈾化物與過渡金屬碳化物通過反應燒結製備而成。
具體地說，包括以下步驟：
步驟a、原料的準備：所述原料的總質量百分含量之和按100％計，包括以下組分：10-89.9wt.％鈾化物粉末、10-89.9wt.％過渡金屬碳化物粉末、0-11.4％碳粉粉末、以及潤滑劑0.1wt.％阿克蠟，
將上述組分置於尼龍球磨罐中，以上述組分的總質量計，添加1-2倍所述總質量的酒精以及3倍所述總質量的氧化球，溼混磨球24h，之後在70-100℃烘乾24h，過篩後即得原料；
步驟b、將步驟a所得原料置於設計好的燒結模具中進行反應燒結製得高穩定性的鈾基三元碳化物。
進一步地，所述原料的總質量百分含量之和按100％計，包括以下組分：10-89.9wt.％碳化鈾粉末、10-89.9wt.％過渡金屬碳化物粉末、以及潤滑劑0.1wt.％阿克蠟。
進一步地，所述原料的總質量百分含量之和按100％計，包括以下組分：10-80wt.％二氧化鈾粉末、10-80wt.％過渡金屬碳化物粉末、1.1-11.4％碳粉粉末、以及潤滑劑0.1wt.％阿克蠟。
進一步地，所述碳化鈾粉末中235u的富集度為2％-20％、粒徑為5-40μm。
進一步地，所述二氧化鈾粉末中235u的富集度為2％-20％，粒徑為5-40μm；所述碳粉粉末的粒徑為5-20μm，且其為石墨粉、鱗片石墨或者炭黑中的任意一種；所述二氧化鈾粉末與碳粉粉末的質量比為7:1-8:1。
進一步地，所述過渡金屬碳化物粉末的粒徑為5-40μm，且其為碳化鋯、碳化鈮、碳化鈦、碳化鉻或者碳化釩中的任意一種。
進一步地，所述步驟b中的反應燒結為熱壓燒結，具體步驟為：將熱壓燒結模具抽真空至5×10-2-5×10-1pa，以5-20℃/min的速率升至600℃並保溫0.5-2h進行脫脂；之後充氬氣至10-50kpa，以5-10℃/min的速率升溫至1900-2100℃並保溫1-4h，同時施加20-100mpa的燒結壓力，保溫保壓結束後爐冷。
進一步地，所述步驟b中的反應燒結為等離子燒結，具體步驟為：將放電等離子燒結模具抽真空至5×10-2-5×10-1pa，之後充氬氣至10-60kpa；以100-200℃/min升溫至1600℃，以50-100℃/min的升溫速率升至1700-2000℃並施加20-100mpa的燒結壓力，保溫5-60min，保溫保壓結束後爐冷。
本發明還提供了採用上述製備方法製得的鈾基三元碳化物按照核電站的事故容錯核燃料或核動力火箭的核燃料的尺寸加工成核燃料芯塊的應用。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
本發明的製備方法設計科學合理、製備工藝簡單，利用本發明方法製得的鈾基三元碳化物具有高熔點、高導熱、抗輻照性能好的特點，可以作為核電站的事故容錯核燃料和核動力火箭的核燃料；本製備方法通過向uc和uo2中添加鋯、鈮、鈦、鉻或釩等穩定化元素來提升其抗氧化性能、減少其與水的反應，同時增強其晶格穩定性，保證在高溫下其晶格不發生變化，從而提高uc和uo2的穩定性。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明，本發明的方式包括但不僅限於以下實施例。
本發明通過向uc或uo2中添加鋯、鈮、鈦、鉻、釩等穩定化元素來提升其抗氧化性能、減少其與水的反應，同時增強其晶格穩定性，保證在高溫下其晶格不發生變化，從而提高uc的穩定性。
一種鈾基三元碳化物的製備方法，由鈾化物與過渡金屬碳化物通過反應燒結製備而成。具體包括以下步驟：
步驟a、原料的準備：所述原料的總質量百分含量之和按100％計，包括以下組分：10-89.9wt.％鈾化物粉末、10-89.9wt.％過渡金屬碳化物粉末、0-11.4％碳粉粉末、以及潤滑劑0.1wt.％阿克蠟，
將上述組分置於尼龍球磨罐中，以上述組分的總質量計，添加1-2倍所述總質量的酒精以及3倍所述總質量的氧化鋯研磨球，溼混磨球24h，之後在70-100℃烘乾24h，過篩後即得原料；
步驟b、將步驟a所得原料置於設計好的燒結模具中進行反應燒結製得高穩定性的鈾基三元碳化物。
在上述製備方法中，步驟a所準備的材料具體地說，所述原料的總質量百分含量之和按100％計，包括以下組分：10-89.9wt.％碳化鈾粉末、10-89.9wt.％過渡金屬碳化物粉末、以及潤滑劑0.1wt.％阿克蠟，所述碳化鈾粉末中235u的富集度為2％-20％、粒徑為5-40μm，所述過渡金屬碳化物粉末的粒徑為5-40μm，且其為碳化鋯、碳化鈮、碳化鈦、碳化鉻或者碳化釩中的任意一種。
或者，所述原料的總質量百分含量之和按100％計，包括以下組分：10-80wt.％二氧化鈾粉末、10-80wt.％過渡金屬碳化物粉末、1.1-11.4％碳粉粉末、以及潤滑劑0.1wt.％阿克蠟，所述二氧化鈾粉末中235u的富集度為2％-20％，粒徑為5-40μm；所述碳粉粉末的粒徑為5-20μm，且其為石墨粉、鱗片石墨或者炭黑中的任意一種，所述二氧化鈾粉末與碳粉粉末的質量比為7:1-8:1；所述過渡金屬碳化物粉末的粒徑為5-40μm，且其為碳化鋯、碳化鈮、碳化鈦、碳化鉻或者碳化釩中的任意一種。
在上述製備方法中，步驟b所述的反應燒結可以是兩種燒結工藝，分別為熱壓燒結和離子燒結。在本發明中兩種反應燒結的具體步驟如下：
熱壓燒結具體步驟為：將熱壓燒結模具抽真空至5×10-2-5×10-1pa，以5-20℃/min的速率升至600℃並保溫0.5-2h進行脫脂；之後充氬氣至10-50kpa，以5-10℃/min的速率升溫至1900-2100℃並保溫1-4h，同時施加20-100mpa的燒結壓力，保溫保壓結束後爐冷。
等離子燒結具體步驟為：將放電等離子燒結模具抽真空至5×10-2-5×10-1pa，之後充氬氣至10-60kpa；以100-200℃/min升溫至1600℃，以50-100℃/min的升溫速率升至1700-2000℃並施加20-100mpa的燒結壓力，保溫5-60min，保溫保壓結束後爐冷。
將利用本製備方法製得的鈾基三元碳化物按照核電站的事故容錯核燃料或核動力火箭的核燃料的尺寸進行加工，即可成為核電站的事故容錯核燃料芯塊或核動力火箭的核燃料芯塊。
為了對本發明做進一步闡述，以下提供幾個優選的實施方式。
實施例1：
步驟a，按照如下方式配比原料：
碳化鈾，5μm，235u富集度2％，10wt.％；zrc，40μm，89.9wt.％；阿克蠟(acrawax)，0.1wt.％。將上述粉末置於尼龍球磨罐中，添加1倍質量的酒精以及3倍質量的氧化鋯研磨球，溼混磨球24h，之後在70℃烘乾24h過篩。
步驟b，按照如下方式開展燒結：
將混合粉末置於熱壓燒結模具中，進行反應燒結。首先抽真空至5×10-2pa，以20℃/min的速率升至600℃並保溫0.5h進行脫脂；之後充氬氣至10kpa，以5℃/min的速率升溫至1900℃並保溫4h，同時施加100mpa的燒結壓力，保溫保壓結束後爐冷。
步驟c，隨爐冷卻後將試樣取出，加工至所需形狀尺寸。
實施例2：
步驟a，按照如下方式配比原料：
碳化鈾，40μm，235u富集度20％，89.9wt.％；nbc，5μm，10wt.％；阿克蠟(acrawax)，0.1wt.％。將上述粉末置於尼龍球磨罐中，添加2倍質量的酒精以及3倍質量的氧化鋯研磨球，溼混磨球24h，之後在100℃烘乾24h過篩。
步驟b，按照如下方式開展燒結：
將混合粉末置於熱壓燒結模具中，進行反應燒結。首先抽真空至5×10-1pa，以5℃/min的速率升至600℃並保溫2h進行脫脂；之後充氬氣至50kpa，以10℃/min的速率升溫至2100℃並保溫1h，同時施加20mpa的燒結壓力，保溫保壓結束後爐冷。
步驟c，隨爐冷卻後將試樣取出，加工至所需形狀尺寸。
實施例3：
步驟a，按照如下方式配比原料：
碳化鈾，20μm，235u富集度10％，85wt.％；vc，10μm，14.9wt.％；阿克蠟(acrawax)，0.1wt.％。將上述粉末置於尼龍球磨罐中，添加1.8倍質量的酒精以及3倍質量的氧化鋯研磨球，溼混磨球24h，之後在80℃烘乾24h過篩。
步驟b，按照如下方式開展燒結：
將混合粉末置於放電等離子燒結模具中。抽真空至5×10-2pa，之後充氬氣至10kpa；以200℃/min升溫至1600℃，以50℃/min的升溫速率升至1700℃並施加100mpa的燒結壓力，保溫60min，保溫保壓結束後爐冷。
步驟c，隨爐冷卻後將試樣取出，加工至所需形狀尺寸。
實施例4：
步驟a，按照如下方式配比原料：
二氧化鈾，5μm，235u富集度2％，10wt.％；tic，40μm，88.6wt.％；碳粉，5μm，1.3wt.％；阿克蠟(acrawax)，0.1wt.％。將上述粉末置於尼龍球磨罐中，添加1倍質量的酒精以及3倍質量的氧化鋯研磨球，溼混磨球24h，之後在70℃烘乾24h過篩。
步驟b，按照如下方式開展燒結：
將混合粉末置於放電等離子燒結模具中。抽真空至5×10-1pa，之後充氬氣至60kpa；以100℃/min升溫至1600℃，以100℃/min的升溫速率升至2000℃並施加20mpa的燒結壓力，保溫5min，保溫保壓結束後爐冷。
步驟c，隨爐冷卻後將試樣取出，加工至所需形狀尺寸。
實施例5：
步驟a，按照如下方式配比原料：
二氧化鈾，40μm，235u富集度20％，80wt.％；cr3c2，5μm，8.4wt.％；碳粉，20μm，11.5％；阿克蠟(acrawax)，0.1wt.％。將上述粉末置於尼龍球磨罐中，添加2倍質量的酒精以及3倍質量的氧化鋯研磨球，溼混磨球24h，之後在100℃烘乾24h過篩。
步驟b，按照如下方式開展燒結：
將混合粉末置於放電等離子燒結模具中。抽真空至5×10-2pa，之後充氬氣至10kpa；以200℃/min升溫至1600℃，以50℃/min的升溫速率升至1700℃並施加100mpa的燒結壓力，保溫60min，保溫保壓結束後爐冷。
步驟c，隨爐冷卻後將試樣取出，加工至所需形狀尺寸。
本發明的製備方法設計科學合理、製備工藝簡單，利用本發明方法製得的鈾基三元碳化物具有高熔點、高導熱、抗輻照性能好的特點，可以作為核電站的事故容錯核燃料和核動力火箭的核燃料；本製備方法通過向uc和uo2中添加鋯、鈮、鈦、鉻或釩等穩定化元素來提升其抗氧化性能、減少其與水的反應，同時增強其晶格穩定性，保證在高溫下其晶格不發生變化，從而提高uc和uo2的穩定性。
上述實施例僅為本發明的優選實施方式之一，不應當用於限制本發明的保護範圍，但凡在本發明的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色，其所解決的技術問題仍然與本發明一致的，均應當包含在本發明的保護範圍之內。