[发明专利]一种高导热核燃料芯块的制备方法

说明书

本发明公开了一种高导热核燃料芯块的制备方法，包括：将W/Mo/金刚石/SiC粉末与UO₂粉末进行超声振荡处理、球磨，得到掺杂合金粉末，通过喷雾造粒或等离子造粒，得微米级粒径的合金球化粉末；在合金球化粉末上进行W/Mo涂层溅射，控制W/Mo溅射的温度、时间和功率，制备出涂层厚度为微米级的W/Mo层包裹的合金球；对W/Mo层包裹的合金球进行压型，制得合金压坯；经烧结后制得合金导热核燃料芯块。本方法制备的高导热核燃料芯块导热效率可以提高15‑25％之间，优于目前掺杂核燃料导热芯块的性能。本方法适用批量化生产，可以用于规模化生产。

技术领域

本发明涉及压水堆核燃料芯块的制备方法，特别是一种高导热核燃料芯块的制备方法。

背景技术

压水堆核燃料芯块核心成分为二氧化铀，二氧化铀在裂变过程中放出大量热，通过包壳管传导至外部流体，实现热量传输和利用。但是二氧化铀本身导热性能差，不利于热量传导，致使燃料芯块横截面边缘至中心产生很高的温度梯度，甚至导致核燃料芯块发生结构失效。为此，实践中在控制好二氧化铀的裂变速度的同时，需要提高燃料块的导热效率。目前提高燃料芯块的导热性能的一个主要途径，就是通过添加高导热物质诸如金属钨、钼、SiC和金刚石等。制备过程主要通过粉末混合—压型—烧结等工序完成。通过这种制备的合金中，多数掺杂元素弥散或固溶在二氧化铀基体中，少量掺杂元素分布于晶界中。晶粒内部的掺杂元素有助于晶粒内导热，而晶界处掺杂元素有助于晶粒间热量传输。然而晶界处点式分布的高导热掺杂元素，因为没有实现有效联通，因此影响了燃料芯块导热性能的显著提升。此外，由于现有二氧化铀合金燃料芯块制备方法中，所用粉末的粒度是基本通过筛分方式选择和控制。因此，其粉末粒度分布较宽，加之烧结温度、压力、活性等微观环境并不完全不同，因此芯块晶粒尺度的可控性较差，进而导致燃料芯块微观晶粒尺度相差较大。同时，由于晶界处高导热元素W/Mo/SiC/金刚石等高导热物质在晶界上的分布具有随机性，无法有效联通。因此，现有的二氧化铀芯块的导热性能并不理想。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种高导热核燃料芯块的制备方法，在不断优化二氧化铀合金燃料芯块的密度和裂变放热强度的基础上，聚焦于燃料芯块成分和微观结构设计。一方面通过高导热元素掺杂方式提高合金芯块晶粒能量的传热能力，另一方面通过粉末包裹体方式实现晶界处高导热通道的联通，降低晶界热阻，提高热传输效率，进而保证燃料芯块导热性能的整体提升。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明提供的一种高导热核燃料芯块的制备方法，包括如下步骤：

1)合金粉末掺杂

按照质量比为(1～2)：(18～25)将W/Mo/金刚石/SiC中的一种与UO₂粉末放入分散介质中超声振荡处理，然后将处理后的混合浆料进行球磨、烘干制得掺杂的合金粉末；

2)造粒

按照固液比(65～70)：(30～35)将合金粉末与聚乙烯醇水溶液混合、搅拌，通过控制离心喷雾造粒机的转速和进出风温度对合金粉末混合液进行造粒，或将上述合金粉末通过等离子造粒，制得微米级粒径的合金球化粉末；

3)真空磁控溅射

在合金球化粉末上进行W/Mo涂层磁控溅射，通过控制W/Mo涂层的磁控溅射的真空度、温度、时间和功率，制备出涂层厚度为微米级的W/Mo层包裹的合金球；

4)压型

对W/Mo层包裹的合金球进行压型，制得合金压坯；

5)烧结制得高导热核燃料芯块

将制得的合金压坯在电阻炉中且在保护气氛下进行烧结，通过控制烧结温度和时间，制得合金导热核燃料芯块。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：