CN110993134B - 一种U3Si2合金燃料的制备方法 - Google Patents

一种U3Si2合金燃料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种U3Si2合金燃料的制备方法，以铀氢化物和硅粉末为原料，采用反应烧结法直接制备U3Si2合金燃料，本发明省去了高温熔炼法制备U3Si2燃料的工艺过程需要熔炼、制粉的工序，简化了其制备工艺流程，降低了制备周期，从而提高U3Si2合金燃料的制备效率，减低了成本，有效促进U3Si2合金燃料的批量化生产和应用。同时本发明直接用氢化物代替金属铀作为反应烧结的原材料，避免高活性金属铀长期暴露在有氧气氛中发生氧化导致铀硅燃料芯块烧结坯中氧含量超标，从而提高U3Si2合金燃料相纯度。

Description

一种U3Si2合金燃料的制备方法
技术领域
本发明属于核燃料技术领域，具体地说，是涉及一种U3Si2合金燃料的制备方法。
背景技术
2011年福岛核事故发生后，世界各国对核能安全又有了新的认识，核燃料及其包壳材料在超基准事故条件下的本质安全性要求使得核燃料材料有了升级换代的强烈驱动。在此背景下，事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel，ATF) 的概念应运而生，其具体是指与目前的燃料体系相比，能够在较长时间内抵抗冷却剂丧失事故，同时还能保持或提高其在正常工况下性能的燃料系统。
在高密度燃料中，二硅化三铀(U3Si2)由于其各项优异的性能而受到核能研究者的广泛关注。与目前商用核反应堆应用最广泛的核燃料二氧化铀(UO2) 相比，U3Si2的铀密度相对于UO2提高了约17.2％，能够预期获得更好的经济性和更深的燃耗，U3Si2作为金属键化合物，依靠电子传热，热导率随温度升高而提高，辐照环境对其热导率影响也很小，在400-1200℃范围内U3Si2的热导率相对于UO2提高了5-7倍。这也有利于其燃耗的加深和降低工作条件下芯块内部温度梯度，有利于热量导出，从而增强安全性能。相对于现有UO2燃料，U3Si2虽然存在熔点较低的问题，但由于铀装量和热导率的显著优势，仍然被认为是A TF燃料的重要的材料体系。另一方面，FeCrAl、SiC、Mo等ATF包壳、结构候选材料的中子吸收界面都比Zr高，为提高中子经济性，延长反应堆换料周期，需使用高铀密度的核燃料替换传统的UO2或提高UO2燃料中235U丰度。但是考虑到民用UO2核燃料中235U丰度严格受限的实际情况(5％)，采用高铀密度的燃料替换传统UO2燃料，并结合先进的ATF包壳材料，是ATF燃料系统的重要发展方向。
目前U3Si2燃料的制备方法普遍采用高温熔炼法制备U-Si合金锭，再通过制粉、成形、烧结、机加工等工序得到具有一定外形尺寸和密度的碟形燃料芯块产品。还有先采用高温熔炼法制备U-Si合金锭，再将其制粉并弥散分布于合金基体中，得到弥散型燃料。然而，由于U-Si化合物众多，只有U3Si2各项性能优异，可用于核燃料的制备，其他化合物均存在较大的缺陷，熔炼法难以得到相纯度较高的U3Si2合金，随着单批次熔炼量的增加，该问题也越突出。此外，采用熔炼法制备碟形或弥散型燃料工艺周期长，工序复杂，成本较高，不确定因素多，质量稳定性难控制，难以实现低成本批量稳定制备。
发明内容
本发明针对现有U3Si2制备工艺工序复杂、制备周期长、成本较高、质量稳定性难控制以及相对纯度低的问题，提出了一种利用铀氢化物粉末和硅粉末为原料，采用反应烧结制U3Si2合金燃料，不仅简化其生产工艺，在降低成本的同时还提供了U3Si2合金的相纯度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种U3Si2合金燃料的制备方法，体包括以下步骤：
步骤A1：将致密度为50～70％的铀氢化物和硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉，对炉进行抽真空后升温，使铀氢化物发生还原反应转化为金属铀；在所述还原反应的基础上继续以0.5～5℃/min升温速率升温至1100～1600℃并保温0.5～8小时，发生第一次合金化反应使金属铀与硅反应生成铀硅化合物，冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯；
步骤A2：将所述铀硅合金燃料芯块烧结坯放入真空热处理炉，然后对炉进行抽真空，以0.5～10℃/min升温速率升温至1000～1400℃并保温2～18小时，发生第二次合金化反应使坯体内多组元的铀硅合金转化为U3Si2相，冷却得到高相纯度的U3Si2合金燃料。
进一步地，所述步骤A1中的还原反应的升温速率为0.5～20℃/min，反应温度为300～600℃，保温时间为0.5～12小时。
进一步地，所述铀氢化物和硅混合物坯体制备包括以下步骤：
步骤B1：将铀氢化物粉末、质量为铀氢化物的6～10wt.％的硅粉末、质量为铀氢化物的0.1～6wt.％的造孔剂、质量为铀氢化物的0.1～0.5wt.％的粘结剂进行混合，混合均匀后获得铀氢化物与硅的混合物粉末；
步骤B2：将所述铀氢化物与硅的混合粉末压制成预压坯，然后将预压坯破碎成混合物颗粒，加入球化设备中，再向球化设备中加入润滑剂，然后进行自研磨球化混合，获得铀氢化物与硅混合物小球；
步骤B3：将所述铀氢化物与硅混合物小球制成芯块素坯，放置于真空气氛脱脂炉，升温后在惰性气体的保护中进行预烧，获得致密的铀氢化物与硅混合物坯体。
进一步地，所述步骤B1中，造孔剂为草酸铵、碳酸氢铵、石蜡、淀粉中的一种或多种，所述粘接剂为硬脂酸锌或阿克蜡。
进一步地，所述步骤B1中，铀氢化物粉末的粒径为5～200μm，所述硅粉末的粒径为100nm～200μm，所述混合时间为6～24小时。
进一步地，所述步骤B2中，预压坯的密度为3.2～5.8g/cm3，混合物颗粒的粒径为0.5～2mm，润滑剂为硬脂酸锌，其质量为铀氢化物的0.1～0.5wt.％，自研磨球化混合时间为0.5～6小时。
进一步地，所述步骤B3中，芯块素坯的密度为3.8～6.2g/cm3，惰性气体为氩气或氦气，预烧温度为400～800℃，保温时间为0.5～6小时，铀氢化物与硅混合物坯体的致密度为50～70％。
进一步地，所述铀氢化物的结构通式为UHx，其中0.1≤x≤3。
与现有技术相比，本发明新型具有以下有益效果：
(1)本发明采用反应烧结法以铀氢化物和硅粉末为原料直接制备U3Si2合金燃料，通常采用的高温熔炼法制备U3Si2燃料的工艺是先制备U-Si合金锭，再通过制粉、成形、烧结、机加工等工序得到具有一定外形尺寸和密度的碟形燃料芯块产品或者弥散性燃料，而反应烧结法省去了高温熔炼法制备U3Si2燃料制备过程需要进行熔炼、制粉的工序，简化了其制备工艺流程，降低了制备周期，从而提高U3Si2合金燃料的制备效率，降低了成本，有效促进U3Si2合金燃料的批量化生产和应用。
(2)本发明用铀氢化物代替金属铀作为反应烧结的原材料，解决了高活性金属铀长期暴露在有氧气氛中发生氧化导致铀硅燃料芯块烧结坯中氧含量超标，引起烧结反应不充分、烧结不致密的问题，导致获得U3Si2合金燃料中杂质和杂相含量增多，致密度降低而无法满足技术要求，用铀氢化物代替金属铀作为反应烧结的原材料降低U3Si2燃料芯块烧结坯中氧含量，提高了U3Si2合金燃料相纯度、促进燃料芯块致密化烧结，推动U3Si2合金燃料市场化。
具体实施方式
本发明提供一种U3Si2合金燃料的制备方法，用于解决现有技术中的技术缺陷。
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
其中，本发明实施例所用原材料均为市售。
实施例1
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝0.2、粒径20μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的6wt.％、粒径为200μm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.3wt.％的草酸铵，质量为铀氢化物的0.1wt.％硬脂酸锌进行混合12小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为5.2g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为1.5mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.3wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合4小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为5.8g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到50 0℃进行预烧，并在该温度保温4小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为58％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以0.5℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至450℃并在该温度保温10小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从450℃继续以5℃/min的速率升温至1100℃，并在1100℃保温8小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以5℃/min速率从常温升温至1000℃，并在该温度保温18小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约97.7％的U3Si2合金燃料。
实施例2
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝0.2、粒径20μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的6wt.％、粒径为200μm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.3wt.％的石蜡，质量为铀氢化物的0.1wt.％硬脂酸锌进行混合12小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为5.2g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为1.5mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.3wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合4小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为5.8g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到50 0℃进行预烧，并在该温度保温4小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为58％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以0.5℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至450℃并在该温度保温10小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从450℃继续以5℃/min的速率升温至1100℃，并在1100℃保温8小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以5℃/min速率从常温升温至1000℃，并在该温度保温18小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约97.4％的U3Si2合金燃料。
实施例3
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝0.2、粒径20μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的6wt.％、粒径为200μm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.3wt.％的碳酸氢铵，质量为铀氢化物的0.1wt.％阿克蜡进行混合12小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为5.2g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为1.5mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.3wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合4小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为5.8g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到50 0℃进行预烧，并在该温度保温4小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为58％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以0.5℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至450℃并在该温度保温10小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从450℃继续以5℃/min的速率升温至1100℃，并在1100℃保温8小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以5℃/min速率从常温升温至1000℃，并在该温度保温18小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约97.5％的U3Si2合金燃料。
实施例4
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝0.2、粒径20μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的6wt.％、粒径为200μm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.3wt.％的淀粉，质量为铀氢化物的0.1wt.％阿克蜡进行混合12小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为5.2g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为1.5mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.3wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合4小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为5.8g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到50 0℃进行预烧，并在该温度保温4小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为58％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以0.5℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至450℃并在该温度保温10小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从450℃继续以5℃/min的速率升温至1100℃，并在1100℃保温8小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以5℃/min速率从常温升温至1000℃，并在该温度保温18小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约97.3％的U3Si2合金燃料。
实施例5
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝0.2、粒径100μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的6wt.％、粒径为50μm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.3wt.％的草酸铵，质量为铀氢化物的0.1wt.％硬脂酸锌进行混合12小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为5.2g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为1.5mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.3wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合4小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为5.8g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到50 0℃进行预烧，并在该温度保温4小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为58％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以0.5℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至450℃并在该温度保温10小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从450℃继续以5℃/min的速率升温至1100℃，并在1100℃保温8小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以5℃/min速率从常温升温至1000℃，并在该温度保温18小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约97.1％的U3Si2合金燃料。
实施例6
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝0.5、粒径5μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的7.5wt.％、粒径为20μm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.1wt.％的淀粉，质量为铀氢化物的0.5wt.％硬脂酸锌进行混合18小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为4.5g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为0.8mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.25wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合2小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为5.3g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到40 0℃进行预烧，并在该温度保温6小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为50％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以10℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至300℃并在该温度保温12小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从300℃继续以0.5℃/min的速率升温至1600℃，并在1600℃保温0.5小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以0.5℃/min速率从常温升温至1400℃，并在该温度保温2小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约98.9％的U3Si2合金燃料。
实施例7
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝0.1、粒径5μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的7.5wt.％、粒径为20μm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.1wt.％的淀粉，质量为铀氢化物的0.5wt.％硬脂酸锌进行混合18小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为4.5g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为0.8mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.25wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合2小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为5.3g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到40 0℃进行预烧，并在该温度保温6小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为50％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以10℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至300℃并在该温度保温12小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从300℃继续以0.5℃/min的速率升温至1600℃，并在1600℃保温0.5小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以0.5℃/min速率从常温升温至1400℃，并在该温度保温2小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约97.9％的U3Si2合金燃料。
实施例8
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝3、粒径100μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的9wt.％、粒径为100nm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.6wt.％的草酸铵，质量为铀氢化物的0.25wt.％硬脂酸锌进行混合24小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为3.2g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为2mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.1wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合0.5小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为3.8g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到50 0℃进行预烧，并在该温度保温2小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为62％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以10℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至600℃并在该温度保温1.5小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从600℃继续以2.5℃/min的速率升温至1200℃，并在1200℃保温6小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以10℃/min速率从常温升温至1200℃，并在该温度保温10小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约99.1％的U3Si2合金燃料。
实施例9
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝3、粒径100μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的9wt.％、粒径为100nm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.6wt.％的草酸铵，质量为铀氢化物的0.25wt.％硬脂酸锌进行混合24小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为3.2g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为2mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.1wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合0.5小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为3.8g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到50 0℃进行预烧，并在该温度保温2小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为62％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以20℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至500℃并在该温度保温2小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从500℃继续以2.5℃/min的速率升温至1200℃，并在1200℃保温6小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以10℃/min速率从常温升温至1200℃，并在该温度保温10小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约98.2％的U3Si2合金燃料。
实施例10
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝0.25、粒径为200μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的10wt.％、粒径为100μm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.4wt.％的石蜡，质量为铀氢化物的0.15wt.％硬脂酸锌进行混合6小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为5.8g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为0.5mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.5wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合6小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为6.2g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到60 0℃进行预烧，并在该温度保温0.5小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为70％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以2℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至600℃并在该温度保温0.5小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从600℃继续以10℃/min的速率升温至1350℃，并在1350℃保温5小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以1℃/min速率从常温升温至1200℃，并在该温度保温6小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约98.5％的U3Si2合金燃料。
实施例11
一种U3Si2合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：构通式为UHx、其中x＝0.25、粒径为200μm铀氢化物粉末，质量为铀氢化物的10wt.％、粒径为100μm的硅粉末，质量为铀氢化物的0.4wt.％的石蜡，质量为铀氢化物的0.15wt.％硬脂酸锌进行混合6小时，得到铀氢化物与硅的混合物粉末。
步骤2：将步骤1得到混合物粉末压制成密度为5.8g/cm3的预压坯，然后将其破碎成粒径为0.5mm的混合物颗粒，将其装入球化设备中，并向球化设备中添加质量为铀氢化物的0.5wt.％硬脂酸锌，进行自研磨球化混合6小时，得到铀氢化物与硅混合物小球。
步骤3：将步骤2中得到的铀氢化物与硅混合物小球压制成密度为6.2g/cm3的芯块素坯，然后装入真空气氛脱脂炉，并向炉内通入氩气，从常温升温到60 0℃进行预烧，并在该温度保温0.5小时，进行低温脱氢和脱脂处理，冷却后得到致密度为70％的铀氢化物与硅混合物坯体。
步骤4：将步骤3得到的铀氢化物与硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉内，首先对炉进行抽真空，之后以2℃/min的速率将高温真空气氛烧结炉内从常温升温至600℃并在该温度保温0.5小时让铀氢化物发生还原反应，使铀氢化物充分还原成金属铀；在还原反应的基础上进行第一次合金化反应，反应温度从600℃继续以2℃/min的速率升温至1450℃，并在1450℃保温4小时，使金属铀与硅充分反应，生产铀硅化合物，反应结束后自然冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯。
步骤5：将步骤4得到的铀硅合金燃料芯块烧结坯放置于真空热处理炉内，在对炉抽真空后以2.5℃/min速率从常温升温至1250℃，并在该温度保温8小时，进行第二次合金化反应，使坯体内的多组元铀硅合金全部转化为U3Si2相，反应结束后自然冷却获得相纯度约98.8％的U3Si2合金燃料。
对比例1
对比例1采用普遍的高温熔炼法制备U-Si合金锭，再通过制粉、成形、烧结、机加工等工序制备U3Si2合金燃料的工艺。首先是将粒径为200μm金属铀粉末，质量为金属铀粉末的10wt.％、粒径为100μm的硅粉末充分混合后进行高温熔炼，得到U-Si合金锭；其次，将得到的U-Si合金锭制粉末，并通过模具将得到的U-Si合金锭粉末成型得到燃料芯坯；最后，将得到的燃料芯坯进行烧结，冷却后并进行机加工得到相纯度约95.3％的U3Si2合金燃料。
U3Si2合金中U3Si2相纯度，本发明主要通过X射线衍射图谱和原子发射光图谱获得U3Si2合金中U3Si2相纯度，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002269201150000151
Figure BDA0002269201150000161
U3Si2合金制备方法普遍采用高温熔炼法制备U-Si合金锭，再通过制粉、成形、烧结、机加工等工序制备U3Si2合金燃料，本发明采用的反应烧结法来制备 U3Si2合金燃料相对于传统工艺省去了高温熔炼法制备U3Si2燃料芯块需要进行熔炼、制粉的工序，降低了生产成本；此外，采用铀氢化物粉末代替金属铀为反应原料，避免了高活性金属铀长期暴露在有氧气氛中发生氧化导致铀硅燃料芯块烧结坯中氧含量超标，引起反应烧结反应不充分导致U3Si2合金燃料中杂质和杂相含量增多的问题，提高了U3Si2合金的相纯度。

Claims (8)

1.一种U3Si2合金燃料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤A1：将致密度为50～70％的铀氢化物和硅混合物坯体放置于高温真空气氛烧结炉，对炉进行抽真空后升温，使铀氢化物发生还原反应转化为金属铀；在所述还原反应后继续以0.5～5℃/min的升温速率升温至1100～1600℃并保温0.5～8小时，发生第一次合金化反应使金属铀与硅反应生成铀硅化合物，冷却获得铀硅合金燃料芯块烧结坯；
步骤A2：将所述铀硅合金燃料芯块烧结坯放入真空热处理炉，然后对炉进行抽真空，以0.5～10℃/min的升温速率升温至1000～1400℃并保温2～18小时，发生第二次合金化反应使坯体内多组元的铀硅合金转化为U3Si2相，冷却得到高相纯度的U3Si2合金燃料。
2.根据权利要求1所述的一种U3Si2合金燃料的制备方法，其特征在于，所述步骤A1中的还原反应的升温速率为0.5～20℃/min，反应温度为300～600℃，保温时间为0.5～12小时。
3.根据权利要求1所述的一种U3Si2合金燃料的制备方法，其特征在于，所述铀氢化物和硅混合物坯体制备包括以下步骤：
步骤B1：将铀氢化物粉末、质量为铀氢化物6～10wt.％的硅粉末、质量为铀氢化物0.1～6wt.％的造孔剂、质量为铀氢化物0.1～0.5wt.％的粘结剂进行混合，混合均匀后获得铀氢化物与硅的混合物粉末；
步骤B2：将所述铀氢化物与硅的混合粉末压制成预压坯，然后将预压坯破碎成混合物颗粒，加入球化设备中，再向球化设备中加入润滑剂，然后进行自研磨球化混合，获得铀氢化物与硅混合物小球；
步骤B3：将所述铀氢化物与硅混合物小球制成芯块素坯，放置于真空气氛脱脂炉，升温后在惰性气体的保护中进行预烧，获得致密的铀氢化物与硅混合物坯体。
4.根据权利要求3所述的一种U3Si2合金燃料的制备方法，其特征在于，所述步骤B1中，造孔剂为草酸铵、碳酸氢铵、石蜡、淀粉中的一种或多种，所述粘接剂为硬脂酸锌或阿克蜡。
5.根据权利要求4所述的一种U3Si2合金燃料的制备方法，其特征在于，所述步骤B1中，铀氢化物粉末的粒径为5～200μm，所述硅粉末的粒径为100nm～200μm，所述混合时间为6～24小时。
6.根据权利要求5所述的一种U3Si2合金燃料的制备方法，其特征在于，所述步骤B2中，预压坯的密度为3.2～5.8g/cm3，所述混合物颗粒的粒径为0.5～2mm，所述润滑剂为硬脂酸锌，其质量为铀氢化物的0.1～0.5wt.％，所述自研磨球化混合时间为0.5～6小时。
7.根据权利要求6所述的一种U3Si2合金燃料的制备方法，其特征在于，所述步骤B3中，芯块素坯的密度为3.8～6.2g/cm3，所述惰性气体为氩气或氦气，所述预烧温度为400～800℃，保温时间为0.5～6小时，所述铀氢化物与硅混合物坯体的致密度为50～70％。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种U3Si2合金燃料的制备方法，其特征在于，所述铀氢化物的结构通式为UHx，其中0.1≤x≤3。
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