[发明专利]一种以碳化硅为惰性基体的核燃料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于一种核燃料及其制备方法，具体涉及一种惰性基体核燃料及其制备方法。

背景技术

惰性基体燃料是一种核燃料，这种燃料是将钚或锕系元素弥散在一种对中子透明、辐照以及热物理性能优于或相当于UO₂的基体中，而且这种基体地质稳定，即核反应堆使用过的乏燃料不需经过后处理，可在自然界中长期稳定存在。

目前对惰性基体核燃料的研究，主要集中在惰性基体核燃料基体的筛选、性能研究以及堆芯研究上。根据对核燃料基体燃料筛选的原则，具体的燃料形式可以是稳定化陶瓷的单相材料，也可以是混合相包括添加可燃毒物的陶瓷复合多相材料。有关基体材料的研究得到以下结果：氧化钇稳定的氧化锆作为燃料氧化钚的载体，即氧化钚与氧化钇稳定的氧化锆形成固溶体，氧化锆化学稳定、熔点高、耐辐照好、中子吸收截面小，很适合作为燃料的基体，但是氧化锆的热导太低，约为2Wm^-1K^-1，且几乎不随温度变化。为了改善热导，有两种方法，一将燃料作成中空的环形芯块，环形芯块虽然能够改善热导，但是燃料设计与现用的芯块差别较大，从而引起的改动较大，有违新燃料开发与原有芯块差别不大的原则。另一种方法为将固溶有氧化钚的氧化锆作为微小的颗粒弥散在热导较好的另一种基体中，形成颗粒弥散的复合材料，将辐照损伤范围限制在氧化锆燃料颗粒的尺寸内，基体保持良好热导的同时提供机械强度。适合于这种设计的燃料基体可以选择地质稳定性好的陶瓷，也可以选择热导更好的金属，形成陶瓷陶瓷或陶瓷金属复合材料，普遍认可的基体材料是MgAl₂O₄，这种燃料的热导率随MgAl₂O₄含量增加而增加，燃料在室温至1700K时，其热导率高于UO₂；MgAl₂O₄-YSZ体系的熔化温度为2200K；硬度比UO₂高；蠕变速率随MgAl₂O₄含量增加而下降。但是，当温度高于1700K或温度梯度大于200K/mm时，MgAl₂O₄基体会发生分解生成MgO和Al₂O₃，MgO将挥发，在燃料的中心形成较大的空洞。所以，这种燃料运行时的中心温度不能高于1700K，这就对燃料中PuO₂含量以及富集度造成了限制。

另外核能发展留下了大量的核废料，这些核废料中除了钚的各种同位素外还包括一些长寿命的锕系元素如²³⁷Np，²⁴¹Am，²⁴⁵Am等、长寿命的裂变产物⁹⁹Tc，¹²⁹I等以及高放射性的裂变产物⁹⁰Sr，¹³⁷Cs等，这些物质都会对环境产生很大的危害。目前还无合理有效的方法和手段处理这些废物，只能通过玻璃化后深地层埋藏，但这个方法并不能最终解决问题，还会留下核隐患。所以寻求一种安全环保的新型核燃料势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全环保的、以碳化硅为惰性基体的核燃料及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种以碳化硅为惰性基体的核燃料，包括有将氧化钚或锕系元素与可燃毒物固溶在氧化钇-氧化锆的固溶体中而烧结成的致密燃料小球，其特征在于：所述的惰性基体的核燃料是以碳化硅为基体，在基体中弥散有由氧化钚或锕系元素与可燃毒物固溶在氧化钇-氧化锆固溶体中烧结成的致密燃料小球。

其附加特征是：

在所述基体内致密燃料小球中的可燃毒物，是氧化铒(Er)或氧化钆(Gd)；所述锕系元素是氧化镅(Am)或氧化镎(Np)。

在所述基体内的燃料小球的直径小于1mm，其弥散在该基体中的质量数为5％～35％。

该惰性基体核燃料为圆柱状或环状的陶瓷-陶瓷复合燃料芯块。

一种以碳化硅为惰性基体的核燃料的制备方法，有如下步骤：

(1)制备燃料小球：将氧化钚或锕系元素与氧化铒固溶于氧化钇-氧化锆的固溶体中，烧结成为致密燃料小球；

(2)混合压坯：将致密燃料小球与碳化硅(SiC)粉末充分混合后，压成生坯；

(3)烧结：用电火花将生坯快速烧结，从而形成致密的氧化锆燃料小球均匀弥散在碳化硅中的陶瓷-陶瓷复合燃料芯块。

其附加特征是：