CN107481771A - 金属型核燃料坯体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属型核燃料坯体，其中，金属型核燃料坯体具有多孔结构。本发明还涉及一种金属型核燃料坯体的制备方法，包括以下步骤：将熔融态的金属型核燃料喷射沉积在基底上，制备具有多孔结构的金属型核燃料坯体。

Description

金属型核燃料坯体及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属型核燃料领域，特别涉及金属型核燃料坯体及其制备方法。

背景技术

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国将会面临着能源短缺问题，同时，大量使用碳基燃料已成为环境污染的重要因素之一，加速发展核电事业，是解决上述矛盾的重要途径。

裂变能虽然已经约占全世界电力总量的17％，但其进一步发展将面对几大难以逾越的问题，包括：核燃料供应，核废料处置，以及防止核扩散等。而这些问题短期内依靠原有的技术手段均得不到很好地解决。混合堆作为裂变和聚变能源利用的中间阶段，它既保证裂变堆的大力发展，也能积极推动纯聚变堆商业化技术的研发。因此，混合堆之于聚变技术，不仅是从核能的纯裂变时代向纯聚变时代过渡的一种中间技术，而且是聚变技术发展到目前阶段的一个可行选择。

混合堆中裂变燃料元件承担着接受聚变中子辐照和裂变放能的任务，是次临界堆的核心部分，因此与传统裂变堆中使用的陶瓷型燃料元件不同，混合堆中次临界堆裂变燃料元件面临一个全新的工作环境，对其性能要求也有所不同。基于对功率密度的要求，要求设计的混合堆裂变燃料元件中单位体积可裂变元素浓度尽量高，因此只有金属型核燃料满足此要求。此外，金属型核燃料的导热性能好，传热效率高且安全，另外还具有后处理工艺简单的优势。但在混合堆严苛的工作环境下，金属型核燃料元件的抗辐照性能面临着巨大的挑战。

核燃料在聚变中子辐照过程中存在辐照肿胀效应，导致核燃料膨胀和开裂。传统的金属型核燃料抗辐照性能不够好，辐照肿胀引起的尺寸变化比较大，对金属型核燃料的性能影响很大。因此，金属型核燃料的辐照肿胀问题亟需解决。

发明内容

基于此，有必要针对传统的金属型核燃料抗辐照性能不够好的问题，提供一种金属型核燃料坯体及其制备方法。

一种金属型核燃料坯体，所述金属型核燃料坯体具有多孔结构。

在其中一个实施例中，所述多孔结构的孔径为10微米至50微米，孔隙率为10％至20％。

一种金属型核燃料坯体的制备方法，包括以下步骤：

将熔融态的金属型核燃料喷射沉积在基底上，制备具有多孔结构的金属型核燃料坯体。

在其中一个实施例中，所述金属型核燃料坯体中的孔径为10微米至50微米，孔隙率为10％至20％。

在其中一个实施例中，所述金属型核燃料包括铀钼合金、铀钼铌合金、铀锆合金以及铀钚锆合金中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述步骤具体包括：

S100，提供喷射沉积装置，所述喷射沉积装置包括雾化喷嘴和基底，所述基底与所述雾化喷嘴相对且间隔设置；以及

S200，将所述熔融态的金属型核燃料通过所述雾化喷嘴喷出，形成金属型核燃料雾化熔滴，所述金属型核燃料雾化熔滴沉积在所述基底表面形成所述金属型核燃料坯体。

在其中一个实施例中，通过控制所述雾化溶滴的尺寸和飞行时间，使至少部分所述雾化熔滴以半固态或全固态颗粒的形式在所述基底上沉积。

在其中一个实施例中，还包括通过控制所述雾化喷嘴的内孔径和喷射角度，使至少部分所述雾化熔滴以半固态或全固态颗粒的形式在所述基底上沉积。

在其中一个实施例中，还包括通过控制所述喷射沉积装置的喷射温度、喷射压力及所述雾化喷嘴与所述基底的间隔距离，使至少部分所述雾化熔滴以半固态或全固态颗粒的形式在所述基底上沉积。

在其中一个实施例中，控制所述喷射沉积装置的喷射温度为高于所述金属型核燃料的熔点50至100摄氏度，喷射压力为0.4MPa至0.8MPa，雾化喷嘴与基底的间隔距离为1.5米至3米。

在其中一个实施例中，所述喷嘴为环缝谐振腔式喷嘴。

在其中一个实施例中，所述喷射沉积装置还包括与所述雾化喷嘴连通的感应熔炼炉，所述步骤S100后，所述步骤S200前，还包括将待熔炼的金属型核燃料置入所述感应熔炼炉中加热熔融，得到所述熔融态的金属型核燃料。

在其中一个实施例中，所述喷射沉积装置中，所述雾化喷嘴设置在所述感应熔炼炉的下方，所述基底设置在所述雾化喷嘴的下方。

本发明提供的金属型核燃料坯体及金属型核燃料坯体的制备方法，通过对熔融态的金属型核燃料进行喷射沉积，得到具有多孔结构的金属型核燃料坯体，能够有效提高金属型核燃料坯体的容错能力。当金属型核燃料坯体经受中子辐照时，多孔结构可以容纳裂变产生的气体，同时还能够缓冲原子位移带来的体积增大，即提供金属型核燃料坯体体积变化的空间，降低金属型核燃料坯体的宏观体积肿胀，从而有效降低金属型核燃料坯体的结构损伤和性能下降，使金属型核燃料坯体具有较高的抗辐照肿胀能力，能够更好地满足混合堆裂变燃料元件中对金属型核燃料元件的要求，提高金属型核燃料元件的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例的金属型核燃料坯体的扫描电镜图；

图2本发明实施例的金属型核燃料坯体的制备方法的流程图；

图3为本发明实施例的喷射沉积装置的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供一种金属型核燃料坯体，该金属型核燃料坯体具有多孔结构。

本发明还提供一种金属型核燃料坯体的制备方法，包括以下步骤：

将熔融态的金属型核燃料喷射沉积在基底上，制备具有多孔结构的金属型核燃料坯体。

本发明提供的金属型核燃料坯体及金属型核燃料坯体的制备方法，通过对熔融态的金属型核燃料进行喷射沉积，得到具有多孔结构的金属型核燃料坯体，能够有效提高金属型核燃料坯体的容错能力。当金属型核燃料坯体经受中子辐照时，多孔结构可以容纳裂变产生的气体，同时还能够缓冲原子位移带来的体积增大，即提供金属型核燃料坯体体积变化的空间，降低金属型核燃料坯体的宏观体积膨胀，从而有效降低金属型核燃料坯体的结构损伤和性能下降，使金属型核燃料坯体具有较高的抗辐照肿胀能力，能够更好地满足混合堆裂变燃料元件中对金属型核燃料的要求，提高金属型核燃料元件的使用寿命。

在一实施例中，控制上述坯体中的孔径为10微米至50微米，孔隙率为10％至20％，以使该沉积坯具有更好的抗辐照肿胀的能力。

金属型核燃料坯体优选为具有高活性和高放射性的合金，具体地，金属型核燃料坯体可以包括铀钼合金、铀钼铌合金、铀锆合金以及铀钚锆合金中的至少一种。

请参阅图2，金属型核燃料坯体的制备步骤可以进一步地包括：

S100，提供喷射沉积装置，喷射沉积装置包括雾化喷嘴和基底，基底与雾化喷嘴相对且间隔设置；以及

S200，将熔融态的金属型核燃料通过雾化喷嘴喷出，形成金属型核燃料雾化熔滴，雾化熔滴沉积在基底表面形成多孔结构的金属型核燃料坯体。

优选地，喷射沉积装置还包括与雾化喷嘴连通的感应熔炼炉，在步骤S100后、步骤S200前，还包括将待熔炼的金属型核燃料置入感应熔炼炉中加热熔融，得到熔融态的金属型核燃料。在喷射沉积装置中直接将金属型核燃料熔炼为熔融态，可以进一步简化生产步骤，降低熔融态金属被污染的机率，降低生产成本。

优选地，喷射沉积装置中雾化喷嘴设置在感应熔炼炉的下方，基底设置在雾化喷嘴的下方。

优选地，步骤S200中通过控制雾化熔滴的尺寸和飞行时间，使至少部分雾化熔滴以半固态或全固态颗粒的形式在基底上沉积。

雾化喷嘴优选为环缝谐振腔式喷嘴，以加速熔融态金属的分散、冷却及形成熔滴。步骤S200还可以进一步包括通过控制雾化喷嘴的内孔径、环缝出口的最小直径、环缝宽度及喷射角度，使雾化熔滴具有较小尺寸，以半固态或全固态颗粒的形式在基底上沉积。

在一实施例中，步骤S200还优选地包括通过控制喷射沉积装置的喷射温度、喷射压力及雾化喷嘴与基底的间隔距离，使至少部分雾化熔滴以半固态或全固态颗粒的形式在基底上沉积。

具体地，喷射温度越高，熔融态金属液的粘度越小，雾化熔滴的尺寸越小；喷射压力越高，雾化熔滴的尺寸越小；雾化喷嘴与基底的间隔距离越大，喷射压力越大，雾化熔滴的飞行时间越长。雾化熔滴的尺寸越小，雾化熔滴的飞行时间越长，则雾化熔滴更容易以半固态或全固态颗粒的形式在基底上沉积。由于至少部分雾化熔滴在沉积时为半固态或全固态颗粒，在堆积过程中不能流动，从而获得具有孔隙的沉积坯。

在一实施例中，控制喷射温度为高于所述金属型核燃料的熔点50至100摄氏度，喷射压力为0.4MPa至0.8MPa，雾化喷嘴与基底的间隔距离为1.5米至3米。

更为优选的，为了在获得孔隙的同时使沉积在基底上的金属型核燃料成为一个整体的沉积坯，至少部分雾化熔滴以半固态颗粒的形式在基底上沉积。

优选地，步骤S200还包括，在喷射沉积过程中使基底与雾化喷嘴在竖直方向相对运动，以使所有雾化熔滴的喷射距离相同，从而能够形成厚度方向泡孔结构更加均匀的金属型核燃料坯体。更为优选地，基底在竖直方向运动。

步骤S200还可以进一步包括，在喷射沉积的过程中使基底与雾化喷嘴在水平横向和水平纵向相对运动，以进一步提高金属型核燃料坯体的泡孔分布的均匀性。更为优选地，基底在水平横向和水平纵向运动。

步骤S200之后还可以包括，对喷射沉积完成后所得的金属型核燃料坯体进行降温凝固处理。

请参阅图3，本发明所用的喷射沉积装置包括保护套1、设置在保护套内的感应熔炼炉3、雾化喷嘴4和基底5。雾化喷嘴4设置在感应熔炼炉3的下方，基底5设置在雾化喷嘴4的下方，待熔炼的金属型核燃料2设置在感应熔炼炉3内。

保护套1的顶部设置有加料盖11、侧部设置有观察窗12和取样口13。感应熔炼炉3包括坩埚31和设置在坩埚31外围的感应线圈32。雾化喷嘴4包括雾化器41和设置在雾化器41内的液流导管42、喷嘴43，液流导管42用于连接坩埚31和喷嘴43，使熔融态金属型核燃料能够进入喷嘴43中。雾化器41上设置有高压气体进口，高压气体能够将熔融金属液破碎，雾化为金属熔滴。

本发明的金属型核燃料坯体的制备方法，先将金属型核燃料置于坩埚31内，熔炼后得熔融态的金属型核燃料。熔融态的金属型核燃料流经导管42，进入雾化器41中，在喷嘴43出口处被高压气体破碎为熔滴，并喷射沉积，以半固态或固态的形式到达基底。在熔滴沉积的过程中，基底同时在竖直方向、水平横向和水平纵向移动，即可得到孔隙率为10％至20％的多孔金属型核燃料坯体，其孔洞分布均匀。

本发明的多孔金属型核燃料坯体的制备方法流程简单且易于操作。通过调节雾化熔滴的尺寸，及雾化熔滴的沉积参数，包括喷射温度、喷射压力及喷射距离，使雾化熔滴到达基底时呈半固态或全固态颗粒的形式，并在基底上堆积，能够得到孔径为10微米至50微米，孔隙率为10％至20％的多孔结构的金属型核燃料坯体。该金属型核燃料坯体的泡孔均匀分布，重现性好，适宜工业化规模生产。多孔结构的金属型核燃料坯体不仅可以在空间上容纳辐照生长所需要的体积占位，而且可以容纳裂变气体产物，从而具有较高的抗辐照肿胀能力，能够更好地满足混合堆裂变燃料元件中对金属型核燃料的要求，提高金属型核燃料元件的使用寿命。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种金属型核燃料坯体，其特征在于，所述金属型核燃料坯体具有多孔结构。

2.根据权利要求1所述的金属型核燃料坯体，其特征在于，所述多孔结构的孔径为10微米至50微米，孔隙率为10％至20％。

3.一种金属型核燃料坯体的制备方法，包括以下步骤：

将熔融态的金属型核燃料喷射沉积在基底上，制备具有多孔结构的金属型核燃料坯体。

4.根据权利要求3所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，所述金属型核燃料坯体中的孔径10微米至50微米，孔隙率为10％至20％。

5.根据权利要求3所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，所述金属型核燃料坯体包括铀钼合金、铀钼铌合金、铀锆合金以及铀钚锆合金中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，所述步骤包括：

S100，提供喷射沉积装置，所述喷射沉积装置包括雾化喷嘴和基底，所述基底与所述雾化喷嘴相对且间隔设置；以及

S200，将所述熔融态的金属型核燃料通过所述雾化喷嘴喷出，形成金属型核燃料雾化熔滴，所述金属型核燃料雾化熔滴沉积在所述基底表面形成所述金属型核燃料坯体。

7.根据权利要求6所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，通过控制所述雾化溶滴的尺寸和飞行时间，使至少部分所述雾化熔滴以半固态或全固态颗粒的形式在所述基底上沉积。

8.根据权利要求6所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，还包括通过控制所述雾化喷嘴的内孔径和喷射角度，使至少部分所述雾化熔滴以半固态或全固态颗粒的形式在所述基底上沉积。

9.根据权利要求6所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，还包括通过控制所述喷射沉积装置的喷射温度、喷射压力及所述雾化喷嘴与所述基底的间隔距离，使至少部分所述雾化熔滴以半固态或全固态颗粒的形式在所述基底上沉积。

10.据权利要求6所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，控制所述喷射沉积装置的喷射温度为高于所述金属型核燃料的熔点50至100摄氏度，喷射压力为0.4MPa至0.8MPa，雾化喷嘴与基底的间隔距离为1.5米至3米。

11.根据权利要求6所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，所述雾化喷嘴为环缝谐振腔式喷嘴。

12.根据权利要求6所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，所述喷射沉积装置还包括与所述雾化喷嘴连通的感应熔炼炉，所述步骤S100后，所述步骤S200前，还包括将待熔炼的金属型核燃料置入所述感应熔炼炉中加热熔融，得到所述熔融态的金属型核燃料。

13.根据权利要求12所述的金属型核燃料坯体的制备方法，其特征在于，所述喷射沉积装置中，所述雾化喷嘴设置在所述感应熔炼炉的下方，所述基底设置在所述雾化喷嘴的下方。