[发明专利]弥散型燃料芯块及其制备方法、燃料棒

说明书

本发明公开了一种弥散型燃料芯块及其制备方法、燃料棒，弥散型燃料芯块包括SiC基体、分散在所述SiC基体中的包覆燃料颗粒、以及包覆在所述SiC基体外的缓冲SiC层；所述缓冲SiC层的密度为0.5g/cm³‑3.2g/cm³。本发明的弥散型燃料芯块，燃料芯块外侧设置缓冲SiC层，当反应堆发生功率瞬态运行时，燃料芯块与包壳之间的作用力可通过缓冲SiC层缓解，从而减小包壳所承受的应力及应变，最终减小燃料棒发生PCI失效的风险；缓冲SiC层可以有效缓充包壳施加于燃料芯块上的压应力，从而使包覆燃料颗粒所承受的压应力也减小，最终减小包覆燃料颗粒的失效率。

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种弥散型燃料芯块及其制备方法、燃料棒。

背景技术

事故容错燃料(以下简称ATF)是2011年日本福岛事故后提出的新一代燃料概念，主要是为了提高核燃料元件抵抗严重事故的能力，具体是指：与目前的UO₂-Zr燃料系统相比，能够在较长时间内抵抗事故工况，同时还能保持或提高其在正常运行工况下性能的燃料系统。

ATF研发包含了开发高热导、高安全性的的燃料芯块，其中FCM芯块是主要技术路线之一。FCM源于TRISO燃料技术，其核心技术分为TRISO颗粒和芯块基体材料两部分。

在现有燃料芯块制备方法中，如美国专利US20150310948-Fully Ceramicnuclear fuel and related methods中公开，首先将TRISO燃料颗粒与SiC粉末进行混合，然后在设定的压力和温度下烧结为芯块形状，烧结温度为1850℃左右，烧结压力为10MPa左右。

现有制备方法制得的FCM燃料芯块，在反应堆功率瞬态过程中，燃料棒容易发生PCI失效，影响反应堆的安全性。在运行寿期后期，随着芯块燃耗的增加，芯块直径会增大，芯块与包壳发生接触后，芯块会承受较大的压应力，特别是在反应堆发生功率瞬态的过程中。虽然现有的FCM燃料芯块一般会在外侧设置无燃料区，但无燃料区的密度和基体基本相同，无法有效缓冲FCM内部TRISO颗粒承受的应力，因此FCM燃料芯块内部的TRISO颗粒在此较大压应力的作用下就容易发生破裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种降低燃料棒的PCI失效风险及破损概率的弥散型燃料芯块及其制备方法、具有该弥散型燃料芯块的燃料棒。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种弥散型燃料芯块，包括SiC基体、分散在所述SIC基体中的包覆燃料颗粒、以及包覆在所述SiC基体外的缓冲SiC层；

所述缓冲SiC层的密度为0.5g/cm³-3.2g/cm³。

优选地，所述缓冲SiC层的密度自连接所述SiC基体的内层到远离所述SiC基体的外层逐渐减小。

优选地，所述缓冲SiC层的厚度为0.2mm-2mm。

优选地，所述SiC基体为圆柱体，所述缓冲SiC层包覆在圆柱体的外周侧面上。

优选地，所述包覆燃料颗粒与所述SiC基体的体积比为0.32:1-0.9:1。

优选地，所述包覆燃料颗粒的核心部为可裂变材料的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物或碳氧化物；所述可裂变材料包括铀、钍、钚。

优选地，所述弥散型燃料芯块还包括设置在所述SiC基体和缓冲SiC层之间的SiC_f/SiC层。

所述SiC_f/SiC层的厚度为0.3mm-1.0mm。

本发明还提供一种弥散型燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：