UO2–SiC燃料芯块的制备方法及采用该制备方法制成的UO2–SiC燃料芯块

摘要

本发明公开了一种UO2–SiC燃料芯块的制备方法及采用该制备方法制成的UO2–SiC燃料芯块，制备方法包括以下步骤：制备溶胶溶液；制备SiC悬浮液；混料；胶凝；洗涤；干燥煅烧；还原烧结；致密芯块烧结。本发明的UO2–SiC燃料芯块的制备方法，可以显著降低烧结温度，减少挥发产物，提高芯块成分均匀性，增加复合粉末的烧结活性，利于芯块致密；所制得的芯块密度≥96％T.D，氧金属原子比为1.99～2.01，杂质含量符合要求，芯块的导热性和强度性良好。通过湿法路线实现，可减少粉尘的产生，降低操作人员吸入UO2粉尘的风险；简单易行，设备投入少，对环境污染小。

说明书

技术领域

本发明涉及反应堆燃料元件技术领域，尤其涉及一种UO₂–SiC燃料芯块的制备方法及采用该制备方法制成的UO₂–SiC燃料芯块。

背景技术

目前，反应堆核电厂中轻水反应堆燃料元件中燃料芯块的制备主要采用传统的粉末冶金法混料制得，操作如下：将UO₂粉末、SiC粉末、有机粘结剂等通过球磨混合，然后干燥，获得UO₂–SiC复合粉末；将复合粉末经过SPS烧结，获得UO₂–SiC芯块。上述的传统方法具有以下缺陷：

1、UO₂颗粒和SiC颗粒或晶须密度差大且二者粉末的物理特性不同，采用传统的机械混合，粉末容易发生团簇，导致复合粉末成分的均匀性差，从而影响烧结芯块的热导率；

2、UO₂颗粒和SiC颗粒或晶须硬度高，采用传统粉末冶金方法混料容易掺杂，降低燃料芯块的纯度；

3、传统粉末冶金法制备的复合粉末烧结活性低、难致密，生坯烧结温度高，UO₂颗粒和SiC颗粒在高温易发生化学反应，从而影响生坯的烧结致密。

另外，粉末冶金法粉尘污染严重，制备环境恶劣，特别是U O₂粉尘对工作人员和周边环境有较大伤害。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高芯块成分均匀性，增加复合粉末的烧结活性的UO₂–SiC燃料芯块的制备方法及采用该制备方法制成的UO₂–SiC燃料芯块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种UO₂–SiC燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：

制备溶胶溶液：采用重铀酸铵粉末、尿素及六次甲基四胺作为原料制得溶胶溶液；

制备SiC悬浮液：将SiC通过搅拌加入到去离子水中，得到SiC混合液，在所述SiC混合液中加入质量分数0.5％～2％的分散剂PEI，搅拌均匀后得到SiC悬浮液；

混料：按SiC的体积与UO₂的体积百分比为(1～10)：100，将所述溶胶溶液和SiC悬浮液混合，在温度低于5℃下搅拌冷却；

胶凝：将所述溶胶溶液和SiC悬浮液混合得到的混合溶胶溶液进行加热凝胶化，形成含水的铀化物-碳化硅混合物凝胶；

洗涤：用稀氨水对所述铀化物-碳化硅混合物凝胶进行充分洗涤，晾干；

干燥煅烧：对晾干的所述铀化物-碳化硅混合物凝胶以梯度升温方式进行干燥煅烧，冷却至室温；

还原烧结：将干燥煅烧后所得的凝胶球在氩气和氢气的混合气体气氛下进行还原煅烧，冷却至室温，得到UO₂/SiC复合粉末；

致密芯块烧结：将所述UO₂/SiC复合粉末进行高温烧结，冷却至室温，制得UO₂–SiC燃料芯块。

优选地，制备溶胶溶液步骤包括：

预处理：将重铀酸铵粉末在高温下转化成U₃O₈；

溶解：用浓硝酸将所述U₃O₈溶解，过滤，获得的滤液为缺酸硝酸铀酰溶液；

配胶：将尿素及六次甲基四胺加入所述缺酸硝酸铀酰溶液中，溶解完全后形成溶胶溶液。

优选地，在预处理步骤中，将所述重铀酸铵粉末在800℃～900℃的高温下煅烧2～4小时，以转化成U₃O₈。

优选地，在溶解步骤中，所述U₃O₈与浓硝酸的固液比例为1：(1.35～1.45)g/ml。

优选地，在配胶步骤中，所述尿素与所述缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1：(1.2～1.6)，所述六次甲基四胺与所述缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1：(1.2～1.6)。

优选地，在制备SiC悬浮液步骤中，SiC与去离子水的质量比为2：8～1：1，

优选地，在胶凝步骤中，所述混合溶胶溶液在80～90℃下加热48～96小时，进行凝胶化。

优选地，在干燥煅烧步骤中，所述梯度升温方式如下：先将温度从室温缓慢升温1～2小时至110℃，保温3～4小时；再升温至200℃～220℃，保温2～2.5小时；再升温至300℃，保温2～2.5小时。

优选地，在还原烧结步骤中，还原煅烧时温度按5～10℃/分钟升温至600℃，保温3～4小时。

优选地，在致密芯块烧结步骤中，高温烧结采用SPS烧结；烧结时，升温至1200℃～1500℃，保温5～30分钟。

本发明还提供一种UO₂–SiC燃料芯块，采用以上任一项所述的制备方法制成。

本发明的有益效果：可以显著降低烧结温度，减少挥发产物，提高芯块成分均匀性，增加复合粉末的烧结活性，利于芯块致密；所制得的芯块密度≥96％T.D，氧金属原子比为1.99～2.01，杂质含量符合要求，芯块的导热性和强度性良好。通过湿法路线实现，可减少粉尘的产生，降低操作人员吸入UO₂粉尘的风险；简单易行，设备投入少，对环境污染小。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的UO₂–SiC燃料芯块的制备方法流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

结合图1的流程图，本发明一实施例的UO₂–SiC燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备溶胶溶液：采用重铀酸铵粉末、尿素及六次甲基四胺作为原料制得溶胶溶液。该制备溶胶溶液步骤可包括：

预处理：将重铀酸铵粉末在高温下转化成U₃O₈。具体地，将重铀酸铵粉末在800℃～900℃的高温下煅烧2～4小时，以转化成U₃O₈。

溶解：用浓硝酸将U₃O₈溶解，过滤，获得的滤液为缺酸硝酸铀酰溶液。溶解时，U₃O₈与浓硝酸的固液比例为1：(1.35～1.45)g/ml。

配胶：将尿素及六次甲基四胺加入缺酸硝酸铀酰溶液中，溶解完全后形成溶胶溶液。加入的尿素与缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1：(1.2～1.6)，加入的六次甲基四胺与缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1：(1.2～1.6)。

S2、制备SiC悬浮液：将SiC通过搅拌加入到去离子水中，SiC与去离子水的质量比为2：8～1：1，混合得到SiC混合液，在SiC混合液中加入质量分数0.5％～2％的分散剂PEI，搅拌均匀后得到SiC悬浮液。SiC悬浮液为SiC颗粒或SiC晶须悬浮液。

S3、混料：按SiC(碳化硅)的体积与UO₂(陶瓷氧化铀)的体积百分比为(1～10)：100，将溶胶溶液和SiC悬浮液混合，在温度低于5℃下搅拌冷却。

S4、胶凝：将溶胶溶液和SiC悬浮液混合得到的混合溶胶溶液在80～90℃下加热48～96小时，进行凝胶化，形成含水的铀化物-碳化硅混合物凝胶。

S5、洗涤：用稀氨水对铀化物-碳化硅混合物凝胶进行充分洗涤，晾干。

S6、干燥煅烧：对晾干的铀化物-碳化硅混合物凝胶以梯度升温方式进行干燥煅烧，然后自然冷却至室温。

梯度升温方式如下：先将温度从室温缓慢升温1～2小时至110℃，保温3～4小时；再升温至200℃～220℃，保温2～2.5小时；再升温至300℃，保温2～2.5小时。

S7、还原烧结：将干燥煅烧后所得的凝胶球在氩气和氢气的混合气体气氛下进行还原煅烧，然后自然冷却至室温，得到UO₂/SiC复合粉末。该UO₂/SiC复合粉末中各成分分布均匀，粉末活性高，有利于芯块致密。

还原煅烧时温度按5～10℃/分钟升温至600℃，保温3～4小时。

S8、致密芯块烧结：将UO₂/SiC复合粉末进行高温烧结，然后自然冷却至室温，制得UO₂–SiC燃料芯块。

高温烧结采用SPS(Spark Plasma Sintering，放电等离子烧结)烧结。烧结时，升温至1200℃～1500℃，保温5～30分钟。

本发明的制备方法制成的UO₂–SiC燃料芯块，可用于轻水反应堆燃料元件。经测，所制得的燃料芯块密度≥96％T.D，氧金属原子比为1.99～2.01，杂质含量符合要求，燃料芯块的导热性和强度性良好。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。