一种事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块及其制备方法

本发明涉及核燃料，具体涉及一种事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块及其制备方法。

背景技术：

1、二氧化铀燃料芯块，具有高熔点、良好的高温热稳定性、与金属包壳化学相容性好、优异的抗辐照性能等优点，是目前商用反应堆使用最广泛的核燃料芯块。然而，目前核电站反应堆在uo2燃料达到一定燃耗后，裂变产物释放导致燃料芯块肿胀，芯块-包壳机械相互作用引起包壳管的径向变形和轴向变形。为了防止包壳破裂，裂变产物释放到一回路，只能在u235利用率很低的情况下就更换新的燃料组件。

2、为降低反应堆维护和核燃料后处理产生的费用，提高uo2燃料燃耗、延长燃料组件换料周期，同时提升反应堆的安全裕量，核工业界提出了事故容错燃料的概念。大晶粒uo2芯块作为一种事故容错燃料，相较于常规晶粒燃料具有热导率增大、机械性能提高、抗辐照性能提高、晶格氧化还原性改善等优点。因此，大晶粒uo2燃料可以加深反应堆燃料燃耗，延长核反应堆燃料组件的换料周期，并提高燃料的安全性，作为事故容错燃料候选燃料之一，具有广阔的应用前景。

3、目前，大晶粒uo2燃料主要通过掺杂助长剂来制备，例如，马勇哲等研究了大晶粒uo2燃料芯块和试验燃料组件的设计与制造，其中在uo2粉末中通过添加al2o3/sio2粉末或cr2o3粉末，制造出两种大晶粒芯块，其平均晶粒尺寸分别为37.4和42.1μm。然而，非u元素的引入会提高乏燃料后处理的难度。因此，不引入非u元素直接制备大晶粒uo2燃料具有非常重要的意义。

4、常用的核燃料是具有f电子的金属的强关联系统，但核燃料的强放射性与化学毒性，给实验研究带来了诸多限制。因此，本发明采用与uo2具有相似性质的模拟燃料芯块，以制备不含助长剂的大晶粒模拟燃料芯块。

技术实现思路

1、为了解决非u元素的引入所带来的乏燃料后处理问题，以及核燃料自身的强放射性与化学毒性为实验研究所带来的问题，本发明的目的在于提供一种用于事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

3、本发明的第一方面提供一种事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：

4、将ceo2粉末预先烧结以制备ceo2胚料，将ceo2胚料置于填充有氧化锆粉末的模具中，然后在1500～1550℃烧结，得到大晶粒ceo2模拟燃料芯块。

5、在一些优选的实施例中，在750℃烧结过程中，模具两端的压力设置为120mpa。

6、在一些优选的实施例中，在1500～1550℃烧结过程中，模具两端的压力设置为40mpa。

7、在一些优选的实施例中，在1500～1550℃烧结的时间为10～30min。

8、在一些优选的实施例中，制备ceo2胚料的过程中，预先烧结的温度为750℃。

9、在一些优选的实施例中，ceo2粉末的纯度为≥99.95％。

10、在一些优选的实施例中，所述烧结采用真空烧结。

11、在一些优选的实施例中，烧结完成后，还包括：以40～50℃/min的速率冷却至室温。降温速率过快会造成热应力开裂。

12、本发明的第二方面提供一种事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块，采用第一方面所述的制备方法制备得到。

13、在一些优选的实施例中，所述大晶粒模拟燃料芯块的平均晶粒尺寸101.3μm～165.4μm，致密度为92.9％～93.8％，维氏硬度为6.62gpa～6.89gpa。

14、本发明的有益效果：

15、1、本发明在无添加剂不引入额外元素的情况下，通过将ceo2粉末预先烧结制备ceo2胚料，然后将获得的ceo2胚料放入大尺寸模具中，胚块周围填充氧化锆粉末，再进行高温烧结，使ceo2芯块晶粒长大同时避免被石墨还原为ce2o3，最终得到所设计的事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块，制备方法简单。

16、2、本发明制备得到的大晶粒模拟燃料芯块为大晶粒ceo2模拟燃料芯块，具有稳定的单相组织、成分分布均匀，具有良好的力学性能，能满足模拟大晶粒事故容错燃料的使用需求。

17、3、本发明制备得到的大晶粒模拟燃料芯块致密度高，平均晶粒尺寸101.3μm～165.4μm，具有良好的组织和力学性能，其致密度为92.9％～93.8％，维氏硬度为6.62gpa～6.89gpa。

技术特征：

1.一种事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块的制备方法，其特征在于，在750℃烧结过程中，模具两端的压力设置为120mpa。

3.根据权利要求2所述的事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块的制备方法，其特征在于，在1500～1550℃烧结过程中，模具两端的压力设置为40mpa。

4.根据权利要求1所述的事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块的制备方法，其特征在于，在1500～1550℃烧结的时间为10～30min。

5.根据权利要求1所述的事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块的制备方法，其特征在于，制备ceo2胚料的过程中，预先烧结的温度为750℃。

6.根据权利要求5所述的事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块的制备方法，其特征在于，ceo2粉末的纯度为≥99.95％。

7.根据权利要求1所述的事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块的制备方法，其特征在于，所述烧结采用真空烧结。

8.根据权利要求1所述的事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块的制备方法，其特征在于，烧结完成后，还包括：以40～50℃/min的速率冷却至室温。

9.一种事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块，其特征在于，采用权利要求1～8中任意一项所述的制备方法制备得到。

10.根据权利要求9所述的事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块，其特征在于，所述大晶粒模拟燃料芯块的平均晶粒尺寸101.3μm～165.4μm，致密度为92.9％～93.8％，维氏硬度为6.62gpa～6.89gpa。

技术总结本发明涉及核燃料技术领域，具体涉及一种事故容错燃料的大晶粒模拟燃料芯块及其制备方法，该方法包括以下步骤：将CeO<subgt;2</subgt;粉末预先烧结以制备CeO<subgt;2</subgt;胚料，将CeO<subgt;2</subgt;胚料置于填充有氧化锆粉末的模具中，然后在1500～1550℃烧结，使CeO<subgt;2</subgt;芯块晶粒长大同时避免被石墨还原为Ce<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，得到大晶粒CeO<subgt;2</subgt;模拟燃料芯块。本发明的方法得到的大晶粒模拟燃料芯块，致密度高，平均晶粒尺寸101.3μm～165.4μm，具有良好的组织和力学性能，其致密度为92.9％～93.8％，维氏硬度为6.62GPa～6.89GPa。技术研发人员：雷鹏辉,唐传宝,吴璐,纪晓宇,斯嘉轩,闫旭,卢晨阳,滕常青,谢东升,方忠强,杜思佳受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29