CN108461162B - 一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法 - Google Patents

一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法，目的在于解决现有的陶瓷型二氧化铀存在导热性能的不足。本发明利用金属钼高熔点、高导热性和低中子吸收截面等优点，在二氧化铀原料粉中添入适量钼粉，并将粉坯在还原气氛下进行预烧结，大幅降低二氧化铀/钼复合燃料中高界面热阻化合物（钼的氧化物）含量，结合放电等离子体烧结方法，显著降低烧结温度，有效调控复合燃料的相界面结构，改善二氧化铀的导热性能。本发明能快速、高效地获得具有良好导热性的高致密二氧化铀/钼复合燃料，该燃料能作为轻水堆中事故容错核燃料，具有较好的应用前景，对于提高反应堆的安全性具有较好的应用价值。

Description

一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料及能源领域，尤其是复合材料领域，具体为一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法。
背景技术
随着国家经济和社会的高速发展，能源需求总量急剧增加。传统能源（如煤、石油等）大量消耗，给生态环境和气候带来诸多影响，成为制约我国社会和经济可持续发展的瓶颈。优化能源结构是中国能源发展面临的新挑战，也是保证中国能源安全、环境安全的重要组成部分。优化能源结构就是减小对石化能源的消费，大力发展新能源。
在众多新能源中，核能经过愈50年的发展，被证实为是具有良好经济性的大型电能的来源。核能作为一种清洁能源，具有环境可持续及良好生态效益（不排放CO2、SO2、NOx）。同规模的核电与煤电相比，核电向环境释放的温室气体只有煤电的百分之一。因此，发展核能是优化能源结构、解决我国现阶段能源与环境相互矛盾问题的重要途径。
在大力发展核能，追求核反应堆高的功率密度（经济性）的同时，其安全性也应备受关注。2011年3月，日本特大地震，海啸导致福岛核电反应堆主冷却系统及应急冷却系统破坏失效，堆芯失水，堆芯余热导致燃料元件熔化、破损，大量放射性产物外泄，形成地震-海啸-核事故的连环灾难，造成极端外部事件叠加引发的多堆共模严重事故。该事故发生后，反应堆的安全性再次引发公众的关注。
目前，商用轻水反应堆中应用最为广泛的核燃料为陶瓷型二氧化铀（UO2），其显著缺点是热导率低（在室温和1000℃分别为7.5 W/m.k和2.8 W/m.k），仅为金属铀的十几分之一。因此，二氧化铀燃料芯块在堆内服役时，内部形成高的径向温度梯度（2000~4000℃/cm），产生较大热应力和裂纹，在高燃耗下易增加裂变气体释放速率；同时，也降低了燃料芯块到冷却剂间的热传输效率（能量输出效率低）。这均制约了二氧化铀燃料的使用效率和寿命，并直接影响核电站失水事故的序列。因此，可以认为，提升二氧化铀燃料芯块导热性能，可降低裂变气体释放和芯块热开裂可能性，使反应堆产生更多热能，同时保持电站的安全性。
为此，迫切需要开发一种新型核燃料，其具备良好的导热性能，以解决上述问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对现有的陶瓷型二氧化铀作为轻水堆核燃料时，其存在导热性能的不足，提供一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法。本发明利用金属钼高熔点、高导热性和低中子吸收截面等优点，在二氧化铀原料粉中添入适量钼粉，并将粉坯在还原气氛下进行预烧结，大幅降低二氧化铀/钼复合燃料中高界面热阻化合物（钼的氧化物）含量，结合放电等离子体烧结方法，显著降低烧结温度，有效调控复合燃料的相界面结构，改善二氧化铀的导热性能。本发明能快速、高效地获得具有良好导热性能的高致密二氧化铀/钼复合燃料，该燃料能作为轻水堆中事故容错核燃料，具有较好的应用前景，对于提高反应堆的安全性具有较好的应用价值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料，以二氧化铀粉、高纯钼粉（纯度大于99.9%）为原料制备而成。
所述二氧化铀粉、钼粉的体积比为85~97:3~15。
前述二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备二氧化铀/钼金属陶瓷混合粉末
按配比分别称取二氧化铀粉、钼粉，混合，得到第一混合物；将第一混合物与二氧化锆磨球、研磨介质混合后，装入尼龙球磨罐中，并向球磨罐中充入氩气保护，进行湿法球磨，湿法球磨后的浆料依次经沉淀、干燥后，过筛，得到二氧化铀/钼混合粉末；
（2）混粉成形
将步骤（1）制备的二氧化铀/钼混合粉末装入粉末冶金模具中，进行模压成型，制得冷压坯；
（3）还原气氛预烧结
将步骤（2）制备的冷压坯进行还原气氛预烧结，得到二氧化铀/钼预烧结体；
（4）放电等离子体烧结成型
将步骤（3）制备的二氧化铀/钼预烧结体装入石墨模具中，进行放电等离子体烧结成型；
（5）后处理
将步骤（4）放电等离子体烧结后的复合材料进行脱模，即得二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料；
所述步骤1中，二氧化铀粉、钼粉的体积比为（85~97）:（3~15）。
所述步骤1中，湿法球磨的条件如下：转速为120～280r/min，时间为2～24h。
所述步骤1中，过80~200目金属筛网，得到二氧化铀/钼混合粉末。
所述第一混合物、二氧化锆磨球、研磨介质的质量比为（1～3）∶（4～12）∶（1～6）。
所述二氧化锆磨球的粒径为1~8mm，所述研磨介质为无水乙醇或丙酮。
所述步骤2中，模压成型的条件如下：轴向压力为100MPa～300MPa，时间3min～20min。
所述步骤3中，将步骤2制备的冷压坯在200℃～800℃下还原气氛预烧结30min~300min，所用还原气氛为氢气。
所述步骤4中，放电等离子体烧结的温度为1200℃-1700℃，压力为20MPa~100MPa，真空度为10-2 Pa ～20Pa，时间为1min～30min。
所述步骤5中，将步骤（4）放电等离子体烧结后的复合材料进行脱模，再经表面处理后，即得二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料。
针对前述问题，本发明提供一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料及其制备方法。其制备方法包括如下步骤：二氧化铀/钼混合粉末制备、压制成形、还原气氛预烧结、放电等离子体烧结成型。
本发明中，首先按配比称取二氧化铀粉、钼粉（其中，二氧化铀粉、钼粉的体积比为（85-97）：（3-15）），混合得到第一混合物。将第一混合物与二氧化锆磨球、研磨介质混合后，装入尼龙球磨罐中，并向球磨罐中充入氩气保护，进行湿法球磨，湿法球磨后的浆料依次经沉淀、干燥、过80-200目金属筛网后，得到二氧化铀/铀混合粉末。
其中，磨球采用粒径为1mm～8mm的二氧化锆磨球，研磨介质为无水乙醇或丙酮。二氧化铀/钼金属陶瓷粉末、二氧化锆磨球及研磨介质的按照质量比为（1～3）∶（4～12）∶（1～6）的比例混合。球磨机转速为120r/min～280r/min，研磨时间为2h～24h。
然后，再将研磨后得到的二氧化铀/钼混合粉末装入粉末冶金模具中，进行模压成型，制得冷压坯。再将冷压坯进行还原气氛预烧结，得到二氧化铀/钼预烧结体。然后，将二氧化铀/钼预烧结体试样装入石墨模具中，进行放电等离子体烧结成型。将成型后的复合材料进行脱处理模后（即进行包套脱除处理），表面处理即得二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料。
模压成型压力为100～300MPa，保压时间3～20min；将模压后的坯料进行还原气氛预烧结，200℃～800℃下还原气氛预烧结30min~300min，所用烧结气氛为氢气；放电等离子体烧结的温度为1200℃-1700℃，压力为20MPa~100MPa，真空度为10-2 Pa ～20Pa，时间为1min～30min。
本发明的制备方法设计科学合理，工艺流程快速高效，能够满足工业化、大规模批量生产的需要。利用本发明，能大幅降低二氧化铀/钼复合燃料中的高界面热阻化合物（钼的氧化物）含量，有效控制复合燃料相界面结构，在相对较低的烧结温度下，获得具有良好导热性能的高致密二氧化铀/钼复合燃料。本发明制备的二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料能作为轻水堆中事故容错核燃料，具有较高的应用价值和较好的应用前景。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1 为所制备的二氧化铀/钼燃料样品实物图。
图2 为所制备的二氧化铀/钼燃料样显微结构图。
图3为所制备的二氧化铀/钼燃料样品界面特征图（对应于图4中的界面元素的EDAX图谱）。
图4 为所制备的二氧化铀/钼燃料样品界面元素EDAX图谱。
图5 为所制备的二氧化铀/钼燃料样品界面微观结构的TEM图谱。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
1）将二氧化铀、钼单质粉按照体积分数百分比97：3进行配料，混合得到第一混合物。将第一混合物与二氧化锆磨球、无水乙醇按1∶3∶1质量比混合后，装入尼龙球磨罐中，并向球磨罐中充入氩气保护；其中，磨球粒径为3mm。将球磨罐密封好后，置入行星式球磨机上进行湿法混料，料罐转速为200r/min，时间为12h。湿法球磨后的浆料依次经沉淀、干燥后，过80目金属筛网，得到二氧化铀/钼混合粉末。
2）将研磨后得到的二氧化铀/钼混合粉末装入粉末冶金模具中，采用模压成型，压力为120MPa，时间18min，制得冷压坯。
3）将制备的冷压坯进行还原气氛预烧结，烧结温度：200℃，保温时间：300min。
4）将预烧结后的二氧化铀/钼预烧结体样品进行放电等离子体烧结，烧结温度为1200℃，保压时间为30min，压力50MPa，真空度为10-1Pa。
5）将步骤4放电等离子体烧结后的材料进行脱模处理后，得到二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料。
经测定，本实施例制备的样品较标准二氧化铀燃料芯块热导率提升26%（450℃）。
实施例2
1）将二氧化铀、高纯钼粉按照体积分数百分比90：10进行配料，混合得到第一混合物。将第一混合物与二氧化锆磨球、无水乙醇按1∶2.5∶1.5质量比混合后，装入尼龙球磨罐中，并向球磨罐中充入氩气保护；其中，磨球粒径为2mm。将球磨罐密封好后，置入行星式球磨机上进行湿法混料，料罐转速为250r/min，时间为8h。湿法球磨后的浆料依次经沉淀、干燥后，过150目金属筛网，得到二氧化铀/钼混合粉末。
2）将研磨后得到的二氧化铀/钼混合粉末装入粉末冶金模具中，采用模压成型，压力为280MPa，时间5min，制得冷压坯。
3）将制备的冷压坯进行还原气氛预烧结，烧结温度：800℃，保温时间：30min。
4）将预烧结后的二氧化铀/钼预烧结体样品进行放电等离子体烧结，烧结温度为1700℃，保压时间为1min，压力100MPa，真空度为10-2Pa。
5）将步骤4放电等离子体烧结后的材料进行脱模处理后，得到二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料。
经测定，本实施例制备的样品较标准二氧化铀燃料芯块热导率提升49%（450℃）。
实施例3
1）将二氧化铀、高纯钼粉（纯度大于99.9%）按照体积分数百分比85：15进行配料，混合得到第一混合物。将第一混合物与二氧化锆磨球、无水乙醇按1∶3.5∶2质量比混合后，放入尼龙球磨罐中，并向球磨罐中充入氩气保护；其中，磨球粒径为5mm。将球磨罐密封好后，置入行星式球磨机上进行湿法混料，料罐转速为160r/min，时间为24h；湿法球磨后的浆料依次经沉淀、干燥后，过200目金属筛网，得到二氧化铀/钼混合粉末。
2）将研磨后得到的二氧化铀/钼混合粉末装入粉末冶金模具中，采用模压成型，压力为180MPa，时间20min，制得冷压坯。
3）将制备的冷压坯进行还原气氛预烧结，烧结温度：450℃，保温时间：240min。
4）将预烧结后的二氧化铀/钼预烧结体样品进行放电等离子体烧结，烧结温度为1450℃，保压时间为15min，压力80MPa，真空度为20Pa。
5）将步骤4放电等离子体烧结后的材料进行脱模处理后，得到二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料。
经测定，本实施例制备的样品较标准二氧化铀燃料芯块热导率提升68%（450℃）。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备二氧化铀/钼金属陶瓷混合粉末
按配比分别称取二氧化铀粉、高纯钼粉，混合，得到第一混合物；将第一混合物与二氧化锆磨球、研磨介质混合后，装入尼龙球磨罐中，并向球磨罐中充入氩气保护，进行湿法球磨，湿法球磨后的浆料依次经沉淀、干燥后，过筛，得到二氧化铀/钼混合粉末；
(2)混粉成形
将步骤(1)制备的二氧化铀/钼混合粉末装入粉末冶金模具中，进行模压成型，制得冷压坯；
(3)还原气氛预烧结
将步骤(2)制备的冷压坯进行还原气氛预烧结，得到二氧化铀/钼预烧结体；
(4)放电等离子体烧结成型
将步骤(3)制备的二氧化铀/钼预烧结体装入石墨模具中，进行放电等离子体烧结成型；
(5)后处理
将步骤(4)放电等离子体烧结后的复合材料进行脱模，即得二氧化铀/钼金属陶瓷复合燃料；
所述步骤（ 1） 中，二氧化铀粉、钼粉的体积比为(85～97):(3～15)；
步骤（ 4） 中，放电等离子体烧结的温度为1200℃-1700℃，压力为20MPa～100MPa，真空度为10-2Pa～20Pa，时间为1min～30min。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（ 1） 中，湿法球磨的条件如下：转速为120～280r/min，时间为2～24h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（ 1） 中，过80～200目金属筛网，得到二氧化铀/钼混合粉末。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合物、二氧化锆磨球、研磨介质的质量比为(1～3)∶(4～12)∶(1～6)。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述二氧化锆磨球的粒径为1～8mm，所述研磨介质为无水乙醇或丙酮。
6.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（ 2） 中，模压成型的条件如下：轴向压力为100MPa～300MPa，时间3min～20min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（ 3） 中，将步骤（ 2） 制备的冷压坯在200℃～800℃下还原气氛预烧结30min～300min，所用还原气氛为氢气。
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