[发明专利]一种径向热导率增强型二氧化铀燃料芯块及制备方法

说明书

本发明公开了一种径向热导率增强型二氧化铀燃料芯块及制备方法，以解决现有技术中二氧化铀作为商用堆核燃料芯块导热性能的不足，特别是与反应堆经济性和安全性直接关联的低径向导热率的劣势。本发明的径向热导率增强型二氧化铀燃料芯块，由二氧化铀原料粉与金属丝网按体积比70‑98：2‑30制成，所述燃料芯块中，金属丝网沿径向层状均匀分布于二氧化铀芯块中，起到对芯块“骨架”支撑的效果。本发明设计科学，方法简明，可大幅增强二氧化铀的径向热导率；且无须混料步骤，环境友好，过程可控，具有提升效率、降低能耗、缩短周期、简化工艺等优势。

技术领域

本发明属于裂变反应堆材料领域，具体涉及一种径向热导率增强型二氧化铀燃料芯块及制备方法。

背景技术

2011年3月，日本特大地震、海啸导致福岛核电反应堆主冷却系统及应急冷却系统破坏失效，堆芯失水，燃料芯块内部余热不能及时有效导出，致使燃料元件熔化、破损，大量放射性产物外泄，形成地震-海啸-核事故的连环灾难，造成极端外部事件叠加引发的多堆共模严重事故。

目前，商用核反应堆中应用最为广泛的核燃料为陶瓷型二氧化铀，而二氧化铀芯块的显著缺点即为热导率低(1000℃约为2.8W/m.k)。特别地，二氧化铀的径向热导率较轴向热导率应更为关注。二氧化铀径向热导率决定了燃料芯块通过包壳材料向冷却剂传热的能力；同时，二氧化铀芯块在堆内服役时，内部形成高的径向温度梯度(2000-4000℃/cm)，产生较大热应力和裂纹，在高燃耗下易增加裂变气体释放速率，导致燃料辐照肿胀。这均制约了二氧化铀燃料芯块的使用效率和寿命，并直接影响核电站经济性和安全性。

因此，提供一种二氧化铀燃料芯块，其具有优异的径向导热性能，可改善燃料芯块的使用效率和寿命，提升正常运行工况下的经济性和事故工况下的安全性，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种径向热导率增强型二氧化铀燃料芯块，解决现有技术中二氧化铀作为商用反应堆核燃料导热性能不足，特别是与经济性和安全性直接关联的低径向热导率的劣势。

本发明还提供了该燃料芯块的制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种径向热导率增强型二氧化铀燃料芯块，由二氧化铀原料粉与金属丝网按体积比70-98：2-30制成，所述燃料芯块中，金属丝网沿径向层状均匀分布于二氧化铀芯块中。

进一步地，由二氧化铀原料粉与金属丝网层状叠放后烧结而成。

进一步地，所述金属丝网类型选自钼丝网、钨丝网、镍丝网中的任意一种。

进一步地，所述金属丝网的目数为10-300目，所述金属丝网的金属丝直径为10-380μm。

本发明所述的一种径向热导率增强型二氧化铀燃料芯块的制备方法，首先将金属丝网在切片机上切割成与模具直径匹配的圆片，在烧结模具中按配比，逐层交替添加二氧化铀原料粉和金属丝网，经过高温烧结成径向热导率增强型二氧化铀燃料芯块。

进一步地，具体包括以下步骤：

步骤1.二氧化铀原料粉和金属丝网的交替叠放

将金属丝网超声洗净后，在切片机上切割成与烧结模具直径匹配的圆片，在烧结模具中，按一定配比，交替叠放二氧化铀原料粉和金属丝网圆片，使金属丝网沿径向层状均匀分布；

步骤2.高温烧结致密化

将步骤1叠放完毕的二氧化铀原料粉和金属丝网的混合物进行烧结致密化，而后脱模，即可。

进一步地，所述步骤2中，烧结方式为放电等离体子烧结，热压烧结、无压气氛烧结的任意一种。