CN108417279A - 一种ZrC和UO2复合燃料芯块及其制备方法和应用 - Google Patents

一种ZrC和UO2复合燃料芯块及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ZrC和UO2复合燃料芯块及其制备方法和应用，解决了现有技术中UO2热导率过低导致的燃料组件的安全性能较低的问题。本发明的ZrC和UO2复合燃料芯块，由包括UO2和ZrC的原料经高温烧结而成，其中UO2中235U富集度在1％‑5％，ZrC的用量不超过UO2和ZrC总量的10vol％。本发明的制备方法为：按比例取UO2、ZrC及润滑剂，混合均匀，高温烧结，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。本发明的ZrC和UO2复合燃料芯块，能有效提升UO2热导率，从而提高燃料组件的安全性能。本发明制备方法简单，操作简便。

Description

一种ZrC和UO2复合燃料芯块及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于核燃料技术领域，具体涉及一种ZrC和UO2复合燃料芯块及其制备方法和应用。
背景技术
二氧化铀(UO2)是目前商用核反应堆应用最广泛的核燃料，具有优异的热、化学、辐照稳定性，以及高熔点、滞留固态裂变产物和阻挡气态裂变产物扩散能力强等优点。然而，依靠声子传热的特性导致其在高温和辐照条件下热导率急剧下降，热量导出能力迅速衰退。因此，目前的UO2-Zr核燃料体系的使用温度只有700-1200℃。在事故状态下，反应堆冷却系统失效，堆内热量无法散去，堆芯温度迅速升高，金属Zr包壳在高温下与水蒸气的氧化放热反应和释氢反应加剧，短时间内释放出大量的热量和氢气，氢气在高温下发生爆炸、包壳管由于各种不良反应以及燃料芯块的变形挤压而发生破裂，芯块由于温度过高而熔毁，反应堆压力壳由于内压过大而损毁，最终导致放射性物质泄漏的核事故(R.O.Meyer,Nucl.Technol.,155,2006,293.)。历次核事故中放射性物质的泄漏都与反应堆堆芯温度过高，燃料棒熔毁直接相关。因此UO2热导率过低的本征特性是引发核泄漏事故的关键因素之一。
因此，提供一种燃料芯块，能提升UO2热导率，从而提高燃料组件的安全性能，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种ZrC和UO2复合燃料芯块，解决现有技术中UO2热导率过低导致的燃料组件的安全性能较低的问题。
本发明还提供了该ZrC和UO2复合燃料芯块的制备方法。
本发明又提供了该ZrC和UO2复合燃料芯块的应用。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块，由包括UO2和ZrC的原料经高温烧结而成，其中UO2中235U富集度在1％-5％，ZrC的用量不超过UO2和ZrC总量的10vol％。
进一步地，所述原料还包括润滑剂，其用量为UO2和ZrC总量的0.05vol.％。
进一步地，所述UO2的粒径为5-40μm，所述ZrC的粒径为200nm-40μm。
进一步地，所述润滑剂为阿克蜡。
本发明所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按比例取UO2、ZrC及润滑剂，混合均匀；
步骤2：将混合后的粉末进行高温烧结；
步骤3：随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
进一步地，步骤1中，将UO2、ZrC及润滑剂置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
进一步地，步骤2中，将经步骤1处理后的混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为100-400Mpa，将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结，首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温0.5～2h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa，以1～10℃/min的速率升温至1650～1800℃，保温1～5h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
进一步地，步骤2中，将经步骤1处理后的混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行热压烧结，先抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，以5～20℃/min的速率升至600℃并保温0.5～2h进行脱脂；以1～10℃/min的速率升温至1600-1900℃并保温1-4h，同时施加20-100MPa的烧结压力，保温保压结束后炉冷，烧结气氛为氢气。
进一步地，步骤2中，将经步骤1处理后的混合粉末进行放电等离子烧结，先抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以100～200℃/min升温至1500-1800℃，以50～200℃/min的升温速率升至1600-1900℃并施加20-100MPa的烧结压力，保温5-60min，保温保压结束后炉冷。
本发明所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块在核反应堆中的应用。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
ZrC具有高熔点、高强度、高硬度、热中子吸收截面小、导热率高等特点，并且其热导率在辐照环境中下保持的很好。因此，使用ZrC与UO2复合，能够在保持UO2原有优势性能的基础上进一步提高其热导率，从而改善反应堆燃料组件的安全性能，提高其抵抗事故工况的能力。
本发明的ZrC和UO2复合燃料芯块，能有效提升UO2热导率，当使用优化的ZrC添加量和优化工艺时，芯块热导率相对于UO2芯块在室温下能够提高30％-40％，800℃条件下能够提高40％-50％，从而提高燃料组件的安全性能。
本发明制备方法简单，操作简便，应用范围广，能根据不同反应堆的对燃料芯块的要求，加工成所需尺寸。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例1
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，5～8μm，235U富集度1～5％，99vol％；ZrC，粒径30-40μm，1vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为400Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温0.5h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以1℃/min的速率升温至1650℃，保温1h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例2
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，30-40μm，235U富集度1～5％，99vol％；ZrC，粒径200nm，1vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为300Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温0.5h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以1℃/min的速率升温至1650℃，保温1h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例3
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，30-40μm，235U富集度1～5％，99vol％；ZrC，粒径40μm，1vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为200Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温0.5h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以1℃/min的速率升温至1650℃，保温1h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例4
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，30-40μm，235U富集度1～5％，99vol％；ZrC，粒径40μm，1vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为300Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温0.5h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以2℃/min的速率升温至1700℃，保温1h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例5
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，30-40μm，235U富集度1～5％，90vol％；ZrC，粒径40μm，10vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为400Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温0.5h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以1℃/min的速率升温至1750℃，保温1h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例6
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，5μm，235U富集度1～5％，90vol％；ZrC，粒径200nm，10vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为300Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温2h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以1℃/min的速率升温至1700℃，保温1h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例7
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，90vol％；ZrC，粒径200nm，10vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为300Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温1.5h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以1℃/min的速率升温至1800℃，保温5h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例8
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，5μm，235U富集度1～5％，95vol％；ZrC，粒径40μm，5vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为300Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温2h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以1℃/min的速率升温至1750℃，保温4h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例9
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，20μm，235U富集度1～5％，95vol％；ZrC，粒径40μm，5vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为300Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温1.5h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以5℃/min的速率升温至1750℃，保温5h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例10
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，5μm，235U富集度1～5％，95vol％；ZrC，粒径40μm，5vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为300Mpa
将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结。首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温2h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa。以10℃/min的速率升温至1650℃，保温5h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例11
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，99vol％；ZrC，粒径40μm，1vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行热压烧结。烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，以5℃/min的速率升至600℃并保温0.5h进行脱脂；以1℃/min的速率升温至1600℃并保温1h，同时施加20MPa的烧结压力，保温保压结束后炉冷，烧结气氛为氢气。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例12
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，99vol％；ZrC，粒径40μm，1vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行热压烧结。烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，以5℃/min的速率升至600℃并保温2h进行脱脂；以10℃/min的速率升温至1900℃并保温2h，同时施加100MPa的烧结压力，保温保压结束后炉冷，烧结气氛为氢气。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例13
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，90vol％；ZrC，粒径40μm，10vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行热压烧结。烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，以5℃/min的速率升至600℃并保温0.5h进行脱脂；以1℃/min的速率升温至1600℃并保温1h，同时施加20MPa的烧结压力，保温保压结束后炉冷，烧结气氛为氢气。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例14
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，90vol％；ZrC，粒径10μm，10vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行热压烧结。烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，以5℃/min的速率升至600℃并保温0.5h进行脱脂；以1℃/min的速率升温至1600℃并保温1h，同时施加20MPa的烧结压力，保温保压结束后炉冷，烧结气氛为氢气。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例15
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，5μm，235U富集度1～5％，95vol％；ZrC，粒径200nm，5vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行热压烧结。烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，以5℃/min的速率升至600℃并保温1h进行脱脂；以2℃/min的速率升温至1600℃并保温1h，同时施加50MPa的烧结压力，保温保压结束后炉冷，烧结气氛为氢气。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例16
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，95vol％；ZrC，粒径40μm，5vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行热压烧结。烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，以5℃/min的速率升至600℃并保温2h进行脱脂；以1℃/min的速率升温至1900℃并保温4h，同时施加60MPa的烧结压力，保温保压结束后炉冷，烧结气氛为氢气。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例17
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，99vol％；ZrC，粒径40μm，1vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以100℃/min升温至1500℃，以50℃/min的升温速率升至1600℃并施加20MPa的烧结压力，保温5min，保温保压结束后炉冷。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例18
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，99vol％；ZrC，粒径40μm，1vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以200℃/min升温至1800℃，以200℃/min的升温速率升至1900℃并施加100MPa的烧结压力，保温60min，保温保压结束后炉冷。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例19
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，90vol％；ZrC，粒径40μm，10vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以100℃/min升温至1500℃，以50℃/min的升温速率升至1600℃并施加20MPa的烧结压力，保温5min，保温保压结束后炉冷。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例20
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，90vol％；ZrC，粒径40μm，10vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以200℃/min升温至1800℃，以200℃/min的升温速率升至1900℃并施加100MPa的烧结压力，保温60min，保温保压结束后炉冷。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例21
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，5μm，235U富集度1～5％，99vol％；ZrC，粒径200nm，1vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以100℃/min升温至1800℃，以200℃/min的升温速率升至1900℃并施加100MPa的烧结压力，保温60min，保温保压结束后炉冷。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例22
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，95vol％；ZrC，粒径40μm，5vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以200℃/min升温至1700℃，以100℃/min的升温速率升至1800℃并施加50MPa的烧结压力，保温10min，保温保压结束后炉冷。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例23
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，97vol％；ZrC，粒径40μm，3vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行放电等离子烧结，烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以100℃/min升温至1650℃，以200℃/min的升温速率升至1750℃并施加50MPa的烧结压力，保温20min，保温保压结束后炉冷。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
实施例24
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，97vol％；ZrC，粒径40μm，3vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨或金属模具中，进行闪烧烧结，烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以2000℃/min的升温速率升至1600℃并施加50MPa的烧结压力，保温20min，保温保压结束后炉冷。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
步骤一，按照如下方式配比原料：
UO2，40μm，235U富集度1～5％，97vol％；ZrC，粒径40μm，3vol％；阿克蜡(Acrawax)，UO2和ZrC总量的0.05vol.％。将上述粉末置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
步骤二，按照如下方式开展烧结：
将混合粉末置于设计好的石墨或金属模具中，进行闪烧烧结，烧结工艺如下：抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以1000℃/min的升温速率升至1700℃并施加30MPa的烧结压力，保温20min，保温保压结束后炉冷。
步骤三，随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种ZrC和UO2复合燃料芯块，其特征在于，由包括UO2和ZrC的原料经高温烧结而成，其中UO2中235U富集度在1％-5％，ZrC的用量不超过UO2和ZrC总量的10vol％。
2.根据权利要求1所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块，其特征在于，所述原料还包括润滑剂，其用量为UO2和ZrC总量的0.05vol.％。
3.根据权利要求1或2所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块，其特征在于，所述UO2的粒径为5-40μm，所述ZrC的粒径为200nm-40μm。
4.根据权利要求3所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块，其特征在于，所述润滑剂为阿克蜡。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：按比例取UO2、ZrC及润滑剂，混合均匀；
步骤2：将混合后的粉末进行高温烧结；
步骤3：随炉冷却后将试样取出，加工至所需形状尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤1中，将UO2、ZrC及润滑剂置于尼龙球磨罐中，添加1～2倍质量的酒精以及3倍质量的氧化锆研磨球，湿混24h，之后在70～100℃烘干24h。
7.根据权利要求6所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤2中，将经步骤1处理后的混合粉末模压成形，得到燃料芯块素坯，成形压力为100-400Mpa，将素坯置于气氛烧结炉中进行无压烧结，首先以5～10℃/min的速率升温至600℃左右并保温0.5～2h，进行脱脂处理，真空度10-2～10Pa，以1～10℃/min的速率升温至1650～1800℃，保温1～5h，炉冷，气氛为氢气保护，压强10～50kPa。
8.根据权利要求6所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤2中，将经步骤1处理后的混合粉末置于设计好的石墨模具中，进行热压烧结，先抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，以5～20℃/min的速率升至600℃并保温0.5～2h进行脱脂；以1～10℃/min的速率升温至1600-1900℃并保温1-4h，同时施加20-100MPa的烧结压力，保温保压结束后炉冷，烧结气氛为氢气。
9.根据权利要求6所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤2中，将经步骤1处理后的混合粉末进行放电等离子烧结，先抽真空至5×10-2～5×10-1Pa，之后充氩气至10～60kPa；以100～200℃/min升温至1500-1800℃，以50～200℃/min的升温速率升至1600-1900℃并施加20-100MPa的烧结压力，保温5-60min，保温保压结束后炉冷。
10.权利要求1-9任意一项所述的一种ZrC和UO2复合燃料芯块在核反应堆中的应用。
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