[发明专利]一种轻水堆用UN芯块的制备方法

说明书

本发明属于核燃料核芯材料制造技术领域，具体涉及一种轻水堆用UN芯块的制备方法。以铸态铀锭为原料，通过循环氢化‑脱氢工艺，制备金属铀粉，再通过氮化得到高氮铀比化合物粉末；将高氮铀比化合物粉末置于石墨模具中预压后，连同模具一起在钨钼烧结炉中高温脱氮分解，再经球磨后获得纯净的细微UN粉体；将获得的UN粉体置于石墨模具中，在热压烧结炉中，获得致密的UN燃料芯块。本发明通过氢化‑脱氢‑氮化‑脱氮工序，获得了纯度高、粒径小的高活性UN粉末，相较于碳热还原法，粉末纯度大大提高，再通过优化后的热压烧结工艺，获得致密度密90％以上的燃料芯块。

技术领域

本发明属于核燃料核芯材料制造技术领域，具体涉及一种轻水堆用UN芯块的制备方法。

背景技术

UN的铀密度为13.55gU/cm³，显著高于UO₂(9.66gU/cm³)。UN的热传导性至少比UO₂高5倍，并且熔点相似(～2850℃)。UN燃料因其具有高热导、高铀密度、高熔点、高温稳定性、中子谱硬、热膨胀系数低、辐照稳定性好、裂变气体释放率低、与液态金属良好的相容性等诸多优良性能，已成为未来第四代核能系统的重要候选燃料。

目前，通过无压和压力烧结制备出的UN芯块存在两大技术问题：一是目前UN粉末基本采用碳热还原工艺进行制备，获得的粉末中含有大量的C及O，还要通过脱碳、除氧等工序进行进一步的纯化操作，即便如此，粉末中的O含量也很难控制在2000ppm以下。此外，通过上述工艺获得的UN粉末粒度大，活性低，其烧结性能大打折扣。其二，由于UN分子扩散系数低，烧结活性差，同时存在烧结温度受限于分解温度的问题，很难获得致密度高于85％的芯块。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻水堆用UN芯块的制备方法，通过氢化-脱氢-氮化-脱氮工序，获得了纯度高、粒径小的高活性UN粉末，相较于碳热还原法，粉末纯度大大提高，再通过优化后的热压烧结工艺，获得致密度密90％以上的燃料芯块。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种轻水堆用UN芯块的制备方法，以铸态铀锭为原料，通过循环氢化-脱氢工艺，制备金属铀粉，再通过氮化得到高氮铀比化合物粉末；将高氮铀比化合物粉末置于石墨模具中预压后，连同模具一起在钨钼烧结炉中高温脱氮分解，再经球磨后获得纯净的细微UN粉体；将获得的UN粉体置于石墨模具中，在热压烧结炉中，获得致密的UN燃料芯块。

通过2-5次循环氢化-脱氢工艺，制备金属铀粉。

制备粉末D9020微米的金属铀粉。

再通过氮化得到高氮铀比化合物粉末U_xN_y，0.6x/y1。

连同模具一起在钨钼烧结炉中加热至1300～1500℃高温脱氮分解。

在热压烧结炉中，20-50MPa压力下，经1500-1600℃烧结2h以上后，获得致密的UN燃料芯块。

本发明所取得的有益效果为：

通过氢化-脱氢-氮化-脱氮工艺获得了平均粒径2.926μm的UN粉末，粉末中碳含量低于500ppm，氧含量低于1000ppm，比碳热还原法制备的粉末具有更度及平均粒径，以及更低的杂质含量；使用氢化脱氢工艺获得的纯净UN粉末作为原料进行热压烧结，采用合适的热压烧结工艺，获得了致密度超过90％的致密UN芯块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明所述轻水堆用UN芯块的制备方法如下：