CN106935280A - 一种高热导燃料芯块及其制备方法 - Google Patents

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刘文涛
翟晶晶
刘业光
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高鸣
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Abstract

本发明属于核材料研究及制造技术领域，具体涉及一种高热导燃料芯块及其制备方法。准备UO2粉末和BeO粉末原料；将UO2粉末压制成圆柱形块体；破碎制粒，细筛筛分获得50～100μm粒度的UO2粉末；将50～100μm粒度的UO2粉末装入球磨罐密封；将球磨罐在星型球磨机上自研磨运行，研磨后取出待用；取出UO2粉末与BeO粉末一起放入混料罐内密封，BeO按重量比1wt％～5wt％配制；将混料后的粉末压制成型为圆柱形坯体；将压制的芯块放在坩埚内，将坩埚放置在高温气氛烧结炉的均温区内；烧结炉抽真空至103Pa，向炉内通高纯氢气；加热烧结，温度升至800℃时保温1小时；温度升至1200℃时保温1小时，继续升温至1750℃时保温4小时，随炉冷却后芯块出炉。本发明能够大幅度提高使用寿命和热效率。

Description

一种高热导燃料芯块及其制备方法
技术领域
本发明属于核材料研究及制造技术领域，具体涉及一种高热导燃料芯块及其制备方法。
背景技术
核能是清洁高效的新型能源，人类利用核能的主要方法是通过核反应堆将核燃料中的核能转变为电能，从而应用于社会生产和生活。新一代更安全、更经济的核电技术，契合了人类寻找更安全、清洁、高效能源的理念与需求，成为发展低碳经济、应对气候变化的一个理性选择。燃料元件是核燃料进入反应堆之前的最后一个关键环节，以UO2和BeO为原料制成的高热导芯块将用于未来的燃料元件之中。相比于传统核燃料芯块，UO2-BeO高热导芯块在效率和安全性上都有所提高。UO2-BeO高热导芯块的诞生为解决传统核燃料热导性差引起的缺陷带来了曙光。UO2-BeO高热导芯块相比于传统核燃料拥有高热导率、高效率、长周期以及低回收费用的特点。如今的核燃料因为温度而造成的降级导致每三年必须更换一次，假设Be只回收一次，当燃耗为60WMD/kg和75MWD/kg时，UO2-BeO高热导芯块的回收费用约为4.47Mills/kWh和3.7Mills/kWh，加上它的高燃耗和较长的回收周期的特点，综合起来比现有轻水堆燃耗为60WMD/kg时更经济实惠。在现有UO2-BeO芯块高热导率的基础上，进一步提高其密度，是高热导芯块未来发展的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高热导燃料芯块及其制备方法，通过配比设计、粉末球化、混料、成型、烧结的方法制备出内含BeO连续相的高热导芯块。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种高热导燃料芯块，为UO2与BeO的混合圆柱形结构，BeO的含量为1wt％～5wt％。
一种高热导燃料芯块制备方法，包括以下步骤：
准备UO2粉末和BeO粉末原料；将UO2粉末压制成圆柱形块体；利用叉筛机破碎制粒，再利用细筛筛分，获得50～100μm粒度的UO2粉末；将50～100μm粒度的UO2粉末装入球磨罐密封；将球磨罐在星型球磨机上自研磨运行，研磨后取出待用；取出UO2粉末与BeO粉末一起放入混料罐内密封，BeO按重量比1wt％～5wt％配制；将混料后的粉末压制成型为圆柱形坯体；将压制的芯块放在坩埚内，将坩埚放置在高温气氛烧结炉的均温区内；烧结炉抽真空至103Pa，然后向炉内通高纯氢气；开始加热烧结，温度升至800℃时保温1小时；温度升至1200℃时保温1小时，继续升温至1750℃时保温4小时，然后随炉冷却后芯块出炉。
所述的BeO粉末原料纯度为99.9％，粒度平均值为4.851μm。
将UO2粉末压制成圆柱形块体的压强为25MPa。
将50～100μm粒度的UO2粉末装入球磨罐，装入量为球磨罐容积的1/2。
将球磨罐在星型球磨机上自研磨运行，研磨转速300r/min，研磨时间4小时。
混料罐利用三维混料机进行混料。
将混料后的粉末压制成型为圆柱形坯体，压机为5t～50t规格的压机，压制压力为1.8KN，保压时间为10s。
所用高温气氛烧结炉为真空炉，真空度达10-3Pa，最高温度达2200℃。
高纯氢气纯度为99.99％，流量为3L/min，压力为0.03MPa。
本发明所取得的有益效果为：
本发明制备UO2-BeO燃料芯块相对于传统燃料芯块热导率可提升50％以上，能够大幅度提高使用寿命和热效率。
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。
一种高热导燃料芯块及其制备方法，该高热导燃料芯块为UO2与BeO的混合圆柱形结构，包括以下步骤：
步骤1，配方设计，该高热导芯块为UO2与BeO的混合燃料，BeO的含量为1wt％～5wt％；
步骤2，物料准备，准备好UO2粉末原料；准备BeO粉末原料，BeO粉末纯度为99.9％，粒度平均值为4.851μm。
步骤3，UO2粉末球化处理
步骤3.1，准备好内部直径为Ф50mm的压块模具；
步骤3.2，将UO2粉末压制成圆柱形块体，压制压强为25MPa；
步骤3.3，然后利用叉筛机破碎制粒，再利用细筛筛分，获得50～100μm粒度的UO2粉末；
步骤3.4，将50～100μm粒度的UO2粉末装入球磨罐，装入量为球磨罐容积的1/2，密封。
步骤3.5，将球磨罐在星型球磨机上自研磨运行，研磨转速300r/min，研磨时间4小时，研磨后取出待用。
步骤4，混料
步骤4.1，取出的UO2粉末与BeO粉末一起放入混料罐内，密封，BeO按重量比1wt％～5wt％配制。
步骤4.2，混料罐利用三维混料机进行混料。
步骤5，芯块成型，对混料后粉末压制成型，成型为圆柱形坯体。
步骤5.1，准备模具，成形压机，压机为5t～50t规格的压机；
步骤5.2，将混合后的粉末物料利用称量精度为0.001g的电子天平称量(重量)。
步骤5.3，称重后的物料放在模具内，利用压机压制成形，压制压力为1.8KN，保压时间为10s。
步骤6，芯块烧结
步骤6.1，将压制的芯块放在耐高温坩埚内，所用高温气氛烧结炉为真空炉，真空度可达10-3Pa，可用于真空烧结和氢气氛烧结，最高温度可达2200℃；
步骤6.2，将坩埚放置在高温气氛烧结炉的均温区内；
步骤6.3，烧结炉抽真空至103Pa，然后向炉内通高纯氢气，压力为0.03MPa；
步骤6.4，然后向炉内通高纯氢气，纯度为99.99％，流量为3L/min。
步骤6.5，通氢后，开始加热烧结，温度升至800℃时，保温1小时；温度升至1200℃时，保温1小时继续升温至1750℃时，保温4小时，然后随炉冷却。
步骤6.6，冷却后芯块出炉。
通过上述方法制备的高热导芯块，BeO含量1％wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％4种芯块的热导率与纯UO2芯块分别有不同程度的提高。
表1不同配方高热导芯块的热扩散系数

Claims (10)

1.一种高热导燃料芯块，其特征在于：该芯块为UO2与BeO的混合圆柱形结构，BeO的含量为1wt％～5wt％。
2.一种高热导燃料芯块制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
准备UO2粉末和BeO粉末原料；将UO2粉末压制成圆柱形块体；利用叉筛机破碎制粒，再利用细筛筛分，获得50～100μm粒度的UO2粉末；将50～100μm粒度的UO2粉末装入球磨罐密封；将球磨罐在星型球磨机上自研磨运行，研磨后取出待用；取出UO2粉末与BeO粉末一起放入混料罐内密封，BeO按重量比1wt％～5wt％配制；将混料后的粉末压制成型为圆柱形坯体；将压制的芯块放在坩埚内，将坩埚放置在高温气氛烧结炉的均温区内；烧结炉抽真空至103Pa，然后向炉内通高纯氢气；开始加热烧结，温度升至800℃时保温1小时；温度升至1200℃时保温1小时，继续升温至1750℃时保温4小时，然后随炉冷却后芯块出炉。
3.根据权利要求2所述的高热导燃料芯块制备方法，其特征在于：所述的BeO粉末原料纯度为99.9％，粒度平均值为4.851μm。
4.根据权利要求2所述的高热导燃料芯块制备方法，其特征在于：将UO2粉末压制成圆柱形块体的压强为25MPa。
5.根据权利要求2所述的高热导燃料芯块制备方法，其特征在于：将50～100μm粒度的UO2粉末装入球磨罐，装入量为球磨罐容积的1/2。
6.根据权利要求2所述的高热导燃料芯块制备方法，其特征在于：将球磨罐在星型球磨机上自研磨运行，研磨转速300r/min，研磨时间4小时。
7.根据权利要求2所述的高热导燃料芯块制备方法，其特征在于：混料罐利用三维混料机进行混料。
8.根据权利要求2所述的高热导燃料芯块制备方法，其特征在于：将混料后的粉末压制成型为圆柱形坯体，压机为5t～50t规格的压机，压制压力为1.8KN，保压时间为10s。
9.根据权利要求2所述的高热导燃料芯块制备方法，其特征在于：所用高温气氛烧结炉为真空炉，真空度达10-3Pa，最高温度达2200℃。
10.根据权利要求2所述的高热导燃料芯块制备方法，其特征在于：高纯氢气纯度为99.99％，流量为3L/min，压力为0.03MPa。
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