本發(fā)明屬于核燃料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
二氧化鈾(uo2)是目前商用核反應(yīng)堆應(yīng)用最廣泛的核燃料，具有優(yōu)異的熱、化學(xué)、輻照穩(wěn)定性，以及高熔點、滯留固態(tài)裂變產(chǎn)物和阻擋氣態(tài)裂變產(chǎn)物擴散能力強等優(yōu)點。然而，依靠聲子傳熱的特性導(dǎo)致其在高溫和輻照條件下熱導(dǎo)率急劇下降，熱量導(dǎo)出能力迅速衰退。因此，目前的uo2-zr核燃料體系的使用溫度只有700-1200℃。在事故狀態(tài)下，反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)失效，堆內(nèi)熱量無法散去，堆芯溫度迅速升高，金屬zr包殼在高溫下與水蒸氣的氧化放熱反應(yīng)和釋氫反應(yīng)加劇，短時間內(nèi)釋放出大量的熱量和氫氣，氫氣在高溫下發(fā)生爆炸、包殼管由于各種不良反應(yīng)以及燃料芯塊的變形擠壓而發(fā)生破裂，芯塊由于溫度過高而熔毀，反應(yīng)堆壓力殼由于內(nèi)壓過大而損毀，最終導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏的核事故(r.o.meyer，nucl.technol.，155，2006，293.)。歷次核事故中放射性物質(zhì)的泄漏都與反應(yīng)堆堆芯溫度過高，燃料棒熔毀直接相關(guān)。因此uo2熱導(dǎo)率過低的本征特性是引發(fā)核泄漏事故的關(guān)鍵因素之一。
因此，提供一種燃料芯塊，相對于uo2具有更優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，熱導(dǎo)率高成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的之一在于針對上述情況提供一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊，解決現(xiàn)有技術(shù)中uo2熱導(dǎo)率過低導(dǎo)致核燃料安全性降低的問題。
本發(fā)明的目的之二在于提供一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊的制備方法。
本發(fā)明的目的之三在于提供一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊在商用核反應(yīng)堆作為核燃料的用途。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
本發(fā)明所述的一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊，其特征在于：包括uo2和u3si2，所述u3si2為三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并與uo2形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述u3si2由金屬鈾與硅反應(yīng)生成，所述硅的質(zhì)量為uo2的5～15wt.％。
本發(fā)明所述的一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊的制備方法，該制備方法采用高溫熔融滲透反應(yīng)法，首先利用加熱易揮發(fā)物質(zhì)作為造孔劑，與uo2粉末和硅粉末燒結(jié)制得uo2和si多孔滲透基體；再將所述多孔滲透基體與純鈾滲料在高溫狀態(tài)下反應(yīng)，生成具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊。
進一步地，包括以下步驟：
步驟1：將uo2粉末、硅粉末、造孔劑草酸銨和潤滑劑混合均勻，得到uo2混合物粉末；
步驟2：將所述混合粉末壓制成預(yù)壓坯，然后破碎成顆粒，再將其裝入球化設(shè)備中，添加潤滑劑，進行自研磨球化混合，得到球形度良好的uo2混合物小球；
步驟3：將所述uo2混合物小球壓制成芯塊素坯后，裝入高溫氣氛燒結(jié)爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預(yù)燒，得到uo2和si多孔滲透基體；
步驟4：將所述uo2和si多孔滲透基體置于高溫熔滲爐內(nèi)，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應(yīng)燒結(jié)，得到互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊。
進一步地，所述步驟1中，uo2粉末的粒徑為100nm～200μm，所述硅粉末的粒徑為5～200μm，所述硅粉末的質(zhì)量為uo2粉末的5～15wt.％，所述造孔劑為草酸銨，其質(zhì)量為uo2粉末的0.1～6wt.％；所述潤滑劑為硬脂酸鋅，其質(zhì)量為uo2粉末的0.1～0.5wt.％；所述混合的時間為6～24小時。
進一步地，所述步驟2中預(yù)壓坯的密度為4.5～6.5g/cm3，所述顆粒的粒徑為0.5～2mm，所述潤滑劑為硬脂酸鋅，其質(zhì)量為所述顆粒質(zhì)量的0.1～0.5wt.％，所述混合的時間為0.5～6小時。
進一步地，所述步驟3中，芯塊素坯的密度為5～6.5g/cm3；所述低溫預(yù)燒的預(yù)燒溫度為600～1000℃，保溫時間為0.5～6小時；所述多孔滲透基體的孔隙率20～50％。
進一步地，所述步驟4中高溫熔融滲透反應(yīng)燒結(jié)的最高燒結(jié)溫度為1150～1350℃，保溫時間0.5～8小時。
本發(fā)明所述的一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊在商用核反應(yīng)堆作為核燃料的用途。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果為：
本發(fā)明采用高溫熔融滲透反應(yīng)法制備具有特殊的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊，該結(jié)構(gòu)的復(fù)合燃料芯塊不僅具有uo2熱、化學(xué)、輻照穩(wěn)定性號、熔點高等優(yōu)點，同時兼具u3si2熱導(dǎo)率高、鈾裝載量高等優(yōu)點，與傳統(tǒng)的uo2燃料芯塊相比，能夠在較長時間內(nèi)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下的性能。
本發(fā)明方法工藝簡單，操作簡便，生產(chǎn)效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實施例。
一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊，包括uo2和u3si2，所述u3si2為三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并與uo2形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所述u3si2由金屬鈾與硅反應(yīng)生成，所述硅的質(zhì)量為uo2的5～15wt.％。
一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊的制備方法，該制備方法采用高溫熔融滲透反應(yīng)法，首先利用加熱易揮發(fā)物質(zhì)作為造孔劑，與uo2粉末和硅粉末燒結(jié)制得uo2和si多孔滲透基體；再將所述多孔滲透基體與純鈾滲料在高溫狀態(tài)下反應(yīng)，生成具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊。
進一步地，包括以下步驟：
步驟1：將uo2粉末、硅粉末、造孔劑草酸銨和潤滑劑混合均勻，得到uo2混合物粉末；
步驟2：將所述混合粉末壓制成預(yù)壓坯，然后破碎成顆粒，再將其裝入球化設(shè)備中，添加潤滑劑，進行自研磨球化混合，得到球形度良好的uo2混合物小球；
步驟3：將所述uo2混合物小球壓制成芯塊素坯后，裝入高溫氣氛燒結(jié)爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預(yù)燒，得到uo2和si多孔滲透基體；
步驟4：將所述uo2和si多孔滲透基體置于高溫熔滲爐內(nèi)，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應(yīng)燒結(jié)，得到互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊。
進一步地，所述步驟1中，uo2粉末的粒徑為100nm～200μm，所述硅粉末的粒徑為5～200μm，所述硅粉末的質(zhì)量為uo2粉末的5～15wt.％，所述造孔劑為草酸銨，其質(zhì)量為uo2粉末的0.1～6wt.％；所述潤滑劑為硬脂酸鋅，其質(zhì)量為uo2粉末的0.1～0.5wt.％；所述混合的時間為6～24小時。
進一步地，所述步驟2中預(yù)壓坯的密度為4.5～6.5g/cm3，所述顆粒的粒徑為0.5～2mm，所述潤滑劑為硬脂酸鋅，其質(zhì)量為所述顆粒質(zhì)量的0.1～0.5wt.％，所述混合的時間為0.5～6小時。
進一步地，所述步驟3中，芯塊素坯的密度為5～6.5g/cm3；所述低溫預(yù)燒的預(yù)燒溫度為600～1000℃，保溫時間為0.5～6小時；所述多孔滲透基體的孔隙率20～50％。
進一步地，所述步驟4中高溫熔融滲透反應(yīng)燒結(jié)的最高燒結(jié)溫度為1150～1350℃，保溫時間0.5～8小時。
本發(fā)明所述的一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊在商用核反應(yīng)堆作為核燃料的用途。
實施例1
一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將粒徑50μm的uo2粉末，質(zhì)量為uo2粉末的8wt.％、粒徑為20μm的硅粉末，質(zhì)量為uo2粉末的6wt.％的造孔劑草酸銨，質(zhì)量為uo2粉末0.3wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅進行混合10小時，得到uo2混合物粉末。
步驟2：將混合粉末壓制成密度6.5g/cm3的預(yù)壓坯，然后破碎成粒徑1mm的混合物顆粒，再將其裝入球化設(shè)備中，添加質(zhì)量為混合物顆粒0.2wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅，進行自研磨球化混合3小時，得到球形度良好的uo2混合物小球。
步驟3：將uo2混合物小球壓制成密度6.2g/cm3的芯塊素坯，裝入高溫氣氛燒結(jié)爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預(yù)燒，預(yù)燒溫度1000℃，保溫時間3小時，得到孔隙率50.3％的uo2和si多孔滲透基體。
步驟4：將uo2和si多孔滲透基體至于高溫熔滲爐內(nèi)，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應(yīng)燒結(jié)，最高燒結(jié)溫度1150℃，保溫時間8小時，熔融鈾滲入uo2和si多孔滲透基體后與si充分反應(yīng)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的u3si2，并與uo2基體形成特殊的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊。
實施例2
一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將粒徑200μm的uo2粉末，質(zhì)量為uo2粉末15wt.％、粒徑為200μm的硅粉末，質(zhì)量為uo2粉末3wt.％的造孔劑草酸銨，質(zhì)量為uo2粉末0.5wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅進行混合6小時，得到uo2混合物粉末。
步驟2：將混合粉末壓制成密度6.2g/cm3的預(yù)壓坯，然后破碎成粒徑0.5mm的混合物顆粒，再將其裝入球化設(shè)備中，添加質(zhì)量為混合物顆粒0.5wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅，進行自研磨球化混合6小時，得到球形度良好的uo2混合物小球。
步驟3：將uo2混合物小球壓制成密度6g/cm3的芯塊素坯，裝入高溫氣氛燒結(jié)爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預(yù)燒，預(yù)燒溫度800℃，保溫時間6小時，得到孔隙率43.5％的uo2和si多孔滲透基體。
步驟4：將uo2和si多孔滲透基體至于高溫熔滲爐內(nèi)，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應(yīng)燒結(jié)，最高燒結(jié)溫度1150℃，保溫時間1小時，熔融鈾滲入uo2和si多孔滲透基體后與si充分反應(yīng)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的u3si2，并與uo2基體形成特殊的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊。
實施例3
一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將粒徑100nm的uo2粉末，質(zhì)量為uo2粉末10wt.％、粒徑為5μm的硅粉末，質(zhì)量為uo2粉末0.2wt.％的造孔劑草酸銨，質(zhì)量為uo2粉末0.2wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅進行混合24小時，得到uo2混合物粉末。
步驟2：將混合粉末壓制成密度4.5g/cm3的預(yù)壓坯，然后破碎成粒徑2mm的混合物顆粒，再將其裝入球化設(shè)備中，添加質(zhì)量為混合物顆粒0.3wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅，進行自研磨球化混合0.5小時，得到球形度良好的uo2混合物小球。
步驟3：將uo2混合物小球壓制成密度5g/cm3的芯塊素坯，裝入高溫氣氛燒結(jié)爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預(yù)燒，預(yù)燒溫度1000℃，保溫時間0.5小時，得到孔隙率38.7％的uo2和si多孔滲透基體。
步驟4：將uo2和si多孔滲透基體至于高溫熔滲爐內(nèi)，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應(yīng)燒結(jié)，最高燒結(jié)溫度1250℃，保溫時間2小時，熔融鈾滲入uo2和si多孔滲透基體后與si充分反應(yīng)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的u3si2，并與uo2基體形成特殊的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊。
實施例4
一種uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將粒徑100μm的uo2粉末，質(zhì)量為uo2粉末5wt.％粒徑、50μm的硅粉末、質(zhì)量為uo2粉末0.1wt.％的造孔劑草酸銨，質(zhì)量為uo2粉末0.1wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅進行混合12小時，得到uo2混合物粉末。
步驟2：將混合粉末壓制成密度5g/cm3的預(yù)壓坯，然后破碎成粒徑1.5mm的混合物顆粒，再將其裝入球化設(shè)備中，添加質(zhì)量為混合物顆粒0.1wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅，進行自研磨球化混合1小時，得到球形度良好的uo2混合物小球。
步驟3：將uo2混合物小球壓制成密度6.5g/cm3的芯塊素坯，裝入高溫氣氛燒結(jié)爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預(yù)燒，預(yù)燒溫度600℃，保溫時間4小時，得到孔隙率20.2％的uo2和si多孔滲透基體。
步驟4：將uo2和si多孔滲透基體至于高溫熔滲爐內(nèi)，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應(yīng)燒結(jié)，最高燒結(jié)溫度1350℃，保溫時間0.5小時，熔融鈾滲入uo2和si多孔滲透基體后與si充分反應(yīng)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的u3si2，并與uo2基體形成特殊的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊。
本發(fā)明中所述的u3si2為金屬鍵化合物，依靠電子傳熱，熱導(dǎo)率隨溫度升高而提高，輻照環(huán)境對其熱導(dǎo)率影響也很小，相對于uo2具有更優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(600～1400k，u3si2：15～27.5w·m-1·k-1；uo2：6.0～2.9w·m-1·k-1)。u3si2的密度(12.2g/cm3)和鈾密度(11.31gu/cm3)均高于uo2(10.96g/cm3，9.66gu/cm3)，相同體積下，u3si2的鈾裝載量更高，體現(xiàn)了更好的運行經(jīng)濟性和中子經(jīng)濟性。此外，u3si2還具有良好的抗輻照和抗蒸汽氧化性能。然而，u3si2的熔點(1662℃)遠低于uo2的熔點(2865℃)，因此無法直接用作核燃料芯塊材料。
本發(fā)明采用高溫熔融滲透反應(yīng)法制備具有特殊的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的uo2和u3si2復(fù)合燃料芯塊，該結(jié)構(gòu)的復(fù)合燃料芯塊相對于簡單的兩相混合物復(fù)合燃料芯塊，性能更加穩(wěn)定，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的增強相為熱量的傳導(dǎo)提供“高速通道”，與之相交織的三維連續(xù)結(jié)構(gòu)基體相可以更高的保持其優(yōu)異的高溫及輻照穩(wěn)定性能，并對增強相進行約束，使得復(fù)合燃料芯塊不僅具有uo2熱、化學(xué)、輻照穩(wěn)定性號、熔點高等優(yōu)點，同時兼具u3si2熱導(dǎo)率高、鈾裝載量高等優(yōu)點，并使兩者的優(yōu)異特性得到最大化的發(fā)揮。這種互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合燃料芯塊與傳統(tǒng)的uo2燃料芯塊相比，能夠在較長時間內(nèi)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下的性能。
上述實施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本發(fā)明的保護范圍，但凡在本發(fā)明的主體設(shè)計思想和精神上作出的毫無實質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。