[发明专利]铀-氢化锆和铀-氢化钇燃料芯块的闪速烧结制备方法

说明书

本发明属于核反应堆燃料元件技术领域，具体涉及一种铀‑氢化锆和铀‑氢化钇燃料芯块的闪速烧结制备方法。首先通过熔炼、铸造、氢化、破碎、球磨、筛分制成具有一定粒度的铀‑氢化锆或铀‑氢化钇粉末，再将粉末原料直接松装入闪速烧结模具，从室温开始进行闪速烧结，在60s以内便能获得接近理论致密度的铀‑氢化锆(U‑ZrH_x)或铀‑氢化钇(U‑YH_x)燃料芯块。本发明不仅克服了传统烧结方法在制备铀‑氢化锆或铀‑氢化钇燃料芯块上的样品致密度低、耗时、耗能，且流程复杂等技术缺陷，还降低了对铸锭氢化工艺的要求，在提升产品质量的同时，降低了生产成本，是一种核燃料芯块的高通量制备手段。

技术领域

本发明属于核反应堆燃料元件技术领域，具体涉及一种铀-氢化锆与铀-氢化钇燃料芯块的闪速烧结制备方法。

技术背景

常用的慢化剂材料有含氢的材料(轻水、重水、某些有机物和金属氢化物)、铍(金属、氧化物)和石墨。H₂O在轻水堆中被广泛用作慢化剂，但其在高于400℃下使用对反应堆有极高的承压要求。因此，H₂O不合适作为高温慢化剂。石墨可用于非氧化气氛的高温堆中，但其慢化能力较差，故使用受到较大限制。铍和氧化铍也可用作慢化剂，且慢化能力比石墨好，但铍有剧毒、价格昂贵、易产生辐照肿胀，故其使用也受到限制。相比之下，两种金属氢化物，ZrH_x和YH_x，被认为最适合用作高温慢化剂使用。与正在考虑作为慢化剂的ZrH_x以及其他金属氢化物相比，YH_x作为高温反应堆的慢化剂具有独特的优势。尽管ZrH_x具有较低的中子吸收截面，从而具有较高的慢化比，但YH_x具有优越的热稳定性，可以高温下保持相对较高的氢含量，例如，在900℃和1100℃，YH_x中可达到的氢含量分别是ZrH_x中的1.6倍和2.6倍。YH_x在高温下的氢保留能力可以为反应堆提供更高的热效率，从而可以减少功率转换和散热系统的质量。因此，YH_x也是目前美国的TCR项目在新型微型反应堆设计中所选用的作为慢化剂材料。

在20世纪60年代，美国通用电气公司便研究了YH_x六边形截面棒材作为慢化元件在气冷飞机核推进堆(ANP)中的应用。这类核系统对大块的、无裂纹的YH_x有大量的需求，且需要采用特殊的慢化材料布置，从而增大了堆芯设计难度和体积，且难以保证中子慢化的均匀性。以可裂变材料为基质形式的ZrH_x，即U(30wt％)-ZrH_1.6，已被用作核辅助动力系统计划(SNAP)、通用原子(TRIGA)研究反应堆以及核热推进反应堆的慢化剂，其高功率密度、燃料固有的高慢化剂密度、较高的瞬发负温度系数反馈性以及高热导率是此类氢化物复合燃料最具吸引力的特性。同时，由于慢化材料与裂变材料相对均匀分布，此类氢化物燃料无需采用特殊的慢化材料布置，从而可以简化堆芯结构、减小堆芯体积，并有效慢化中子。此外，基于上述YH_x的优势，可用YH_x可代替ZrH_x获得铀-氢化钇(U-YH_x)燃料，用于更高温度的反应堆。