[发明专利]一种陶瓷复合燃料芯块及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及核电技术领域，具体涉及一种陶瓷复合燃料芯块及其制备方法和应用，本发明采用3D打印结合化学气相沉积工艺，制得了陶瓷复合燃料芯块，并将其应用于制备高温气冷堆的核燃料芯块中。陶瓷复合燃料芯块由如下重量百分比的原料制成：高纯碳化硅陶瓷料5‑30％，包覆燃料颗粒10‑50％，树脂10‑50％，有机溶剂10‑40％，稳定剂1‑10％，各原料重量百分比之和为100％。本发明为高温气冷堆提供一种全新的、具有连续通道的陶瓷复合燃料芯块，芯块通过将包覆燃料颗粒复合到陶瓷骨架中，具有更为优异的热效率、更均匀的热场，结构可设计性强，制造工艺路线简单、成本低，同时有望使高温气冷堆堆芯结构得到简化，并可大幅降低系统体积和结构重量。

技术领域

本发明涉及核电技术领域，具体涉及一种陶瓷复合燃料芯块及其制备方法和应用。

背景技术

高温气冷堆是国际核能界公认的具有良好安全特性的堆型，其发电效率比压水堆核电厂高出约25％，并具有非能动安全特性使系统大为简单，使用惰性气体作为冷却剂，在最严重事故情况下不会发生堆芯融化等传统风险，被列入未来第四代核能系统技术的六个候选堆型之一。

目前，高温气冷堆广泛采用的燃料元件有球形燃料元件和柱形燃料元件。球形燃料元件是将铀燃料做成小颗粒，每个颗粒外包覆一层低密度碳、两层高密度碳和一层碳化硅，形成包覆燃料颗粒，然后将包覆燃料颗粒均匀弥散在石墨慢化材料中，制造成直径为6厘米的球形燃料元件。柱形燃料元件是将包覆燃料颗粒同石墨粉和其他辅材制成环状芯块，装入石墨套管，用石墨端塞密封成燃料棒，再将燃料棒插满六角形石墨立柱中的燃料孔道，或者将包覆燃料颗粒和石墨颗粒直接装入燃料棒，再插入燃料孔道。然而以上堆芯结构均存在燃料释放热量得不到快速、有效转移的问题，阻碍了发电效率的进一步提升，限制了高温气冷堆的发展。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种陶瓷复合燃料芯块及其制备方法和应用，本发明为高温气冷堆提供一种全新的、具有连续通道的陶瓷复合燃料芯块，芯块通过将包覆燃料颗粒复合到陶瓷骨架中，具有更为优异的热效率、更均匀的热场，结构可设计性强，制造工艺路线简单、成本低，同时有望使高温气冷堆堆芯结构得到简化，并可大幅降低系统体积和结构重量。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种陶瓷复合燃料芯块，由如下重量百分比的原料制成：高纯碳化硅陶瓷料5-30％，包覆燃料颗粒10-50％，树脂10-50％，有机溶剂10-40％，稳定剂1-10％，各原料重量百分比之和为100％。

优选的，所述高纯碳化硅陶瓷料为粉料或晶须料；

粉料粒径为0.005-10μm，纯度90％以上；

晶须料直径为1-5μm，长径比为5-15，纯度90％以上。

优选的，所述包覆燃料为本领域常规氧化铀包覆燃料颗粒，较佳的，为TRISO颗粒。

优选的，所述树脂为热固性树脂，其包括但不限于酚醛树脂、环氧树脂。

优选的，所述有机溶剂为乙醇、丁酮、甲苯、异丙醇中的一种或者几种的混合。

本发明还保护了陶瓷复合燃料芯块的制备方法，包括如下步骤：

(1)称量：按照如下重量百分比称取原料：高纯碳化硅陶瓷料5-30％，包覆燃料颗粒10-50％，树脂10-50％，有机溶剂10-40％，稳定剂1-10％，各原料重量百分比之和为100％，备用；

(2)在有机溶剂中加入高纯碳化硅陶瓷料、包覆燃料颗粒、树脂、稳定剂后混合均匀，得到3D打印物料；

(3)采用3D打印法，将步骤(2)制得的3D打印物料按照预先设计好的连续结构打印成型，得到成型连续结构，将成型连续结构进行固化-裂解，制得连续结构预制体；