本發(fā)明涉及一種故容錯(cuò)核燃料，具體涉及一種仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊的制備方法。

背景技術(shù)：

2011年福島核電站事故發(fā)生后，核電安全問(wèn)題成為了廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，高性能事故容錯(cuò)核燃料的研究被推上了一個(gè)新的高度?，F(xiàn)階段商業(yè)核電站中廣泛應(yīng)用的核燃料芯塊是uo2。uo2具有高熔點(diǎn)、各向同性、輻照穩(wěn)定性好，對(duì)水的抗腐蝕性好以及與包殼材料相容性好等優(yōu)點(diǎn)。其不足之處在于熱導(dǎo)率低，燃料芯塊內(nèi)部溫度梯度陡峭，易導(dǎo)致芯塊內(nèi)部熱應(yīng)力大以及裂變氣體釋放等問(wèn)題，對(duì)核電站的安全造成隱患。目前各國(guó)研究者正在積極開(kāi)發(fā)高導(dǎo)熱un和uc芯塊。un具有高鈾密度、高導(dǎo)熱、高熔點(diǎn)、與包殼材料的兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。然而un高溫下易分解，需要添加zr、ti等元素進(jìn)行高溫穩(wěn)定化處理。此外，un還會(huì)通過(guò)(n,p)反應(yīng)生成14c，因此需要將14n轉(zhuǎn)化為15n，導(dǎo)致成本顯著提高。uc具有高鈾密度、高導(dǎo)熱、低膨脹、高熔點(diǎn)、高燃耗(~20%)等優(yōu)點(diǎn)，并且其高溫穩(wěn)定性優(yōu)于un。其不足之處主要在于輻照腫脹較為嚴(yán)重，抗氧化性能不足，塑性遠(yuǎn)低于uo2，制備工藝復(fù)雜。

可見(jiàn)，現(xiàn)有核燃料設(shè)計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，均有一定的改進(jìn)空間?？傮w來(lái)說(shuō)提高核燃料容錯(cuò)性能需主要從以下三個(gè)方面考慮：熱導(dǎo)率、裂變氣體包容性和抗輻照性能。納米層狀三元化合物(max相)具有優(yōu)異的抗輻照性能、良好的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、抗氧化性、抗熱震和蠕變性等，與事故容錯(cuò)核燃料所應(yīng)具備的性能相契合。max相中的m為過(guò)渡族金屬元素，a主要為iii或iv族元素(如al、si、ga、in、sn等)，x為c或n元素。max相由八面體m6x和a原子層按一定方式堆垛而成，其良好的抗輻照性能主要?dú)w因于其晶體結(jié)構(gòu)中含有a原子層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是我為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊的制備方法，該制備方法是將u原子替代max相中的m原子，來(lái)制備仿max相結(jié)構(gòu)的u3si2c2作為事故容錯(cuò)核燃料，制備而成的u3si2c2具有抗輻照性能好、高導(dǎo)熱的特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：

（1）取以下質(zhì)量百分比的原料：70~85wt.%的二氧化鈾，7~12wt.%的含硅相，7~12wt.%的碳粉，0.1wt.%的粘接劑，0.9~5.9wt.%的燒結(jié)助劑；然后將取得的原料以乙醇作為濕混溶劑進(jìn)行濕混混合，混合12~24h后烘干并取出烘干后的粉末；

（2）熱壓燒結(jié)：將步驟（1）得到的粉末在真空度為0.9×10^-3~1.1×10^-3pa的條件下，以5~20℃/min的升溫速率升溫到1300~1600℃，然后施加20~100mpa的壓力后，保溫1~4h，即可得到仿max相事故容錯(cuò)核燃料；

（3）加工成形：待事故故容錯(cuò)核燃料冷卻后將其取出，加工至所需形狀尺寸。

作為另一種方案，可將步驟（2）的熱壓燒結(jié)改成放電等離子燒結(jié)，具體的放電等離子燒結(jié)步驟為：將步驟（1）得到的粉末進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，在真空度為0.9×10^-3~1.1×10^-3pa的條件下，以5~100℃/min的升溫速率升溫到1300~1600℃，然后施加20~100mpa的壓力后，保溫5~60min，即可得到仿max相事故容錯(cuò)核燃料；

具體的說(shuō)，所述二氧化鈾的粒徑為20~40μm，二氧化鈾的氧鈾比為1.85~2.15，²³⁵u含量為2%~20%。

具體的說(shuō)，所述含硅相的粒徑在5~20μm之間，且所述含硅相為硅或/和碳化硅。

具體的說(shuō)，所述碳粉的粒徑在5~20μm之間，且所述碳粉為石墨粉、鱗片石墨和炭黑中的一種或多種。

具體的說(shuō)，所述粘接劑為粒徑在1~10μm之間的硬脂酸鋅。

更具體的說(shuō)，所述燒結(jié)助劑為粒徑在1~10μm之間的tio2。

進(jìn)一步的，該仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊用于現(xiàn)行水堆以及新一代核反應(yīng)堆。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

（1）本發(fā)明的制備方法是將仿max相結(jié)構(gòu)的u3si2c2作為事故容錯(cuò)核燃料，而u3si2c2是以二氧化鈾、含硅相和碳粉為原料，配合粘接劑和燒結(jié)助劑在高溫下反應(yīng)燒結(jié)而成。相對(duì)于傳統(tǒng)u3si2c2的制備方法，本發(fā)明的制備方法成本顯著降低，工藝穩(wěn)定性也有所提升。

（2）本發(fā)明是將u原子替代max相中的m原子，制備成一種仿max相結(jié)構(gòu)的u3si2c2作為事故容錯(cuò)核燃料，通過(guò)對(duì)u3si2c2的晶體結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)其晶體結(jié)構(gòu)中一個(gè)晶胞中含兩個(gè)a原子面，與max極為近似，具有max相優(yōu)異的耐輻照特性、良好的塑性、導(dǎo)熱性和抗氧化性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明制備方法框圖。

圖2為max相與u3si2c2的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。

傳統(tǒng)u3si2c2的是以u(píng)粉、si粉和c粉為原料，采用電弧熔融配合長(zhǎng)時(shí)間退火來(lái)制備的，該制備方法制造成本高，效率低。因此，本實(shí)施例提出了一種仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊的制備方法，該方法是將仿max相結(jié)構(gòu)的u3si2c2作為事故容錯(cuò)核燃料，而u3si2c2是以二氧化鈾、含硅相和碳粉為原料，配合粘接劑和燒結(jié)助劑在高溫下反應(yīng)燒結(jié)而成。相對(duì)于傳統(tǒng)u3si2c2的制備方法，本實(shí)施例的制備方法成本顯著降低，工藝穩(wěn)定性也有所提升。本實(shí)施例制備而成的仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊（u3si2c2）可用于現(xiàn)行水堆以及新一代核反應(yīng)堆。如圖1所示，本實(shí)施例提供了包括準(zhǔn)備原料→熱壓燒結(jié)/放電等離子燒結(jié)→加工成形這幾個(gè)步驟來(lái)制備仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊的實(shí)例，具體制備方法如下：

實(shí)例1

（1）取以下質(zhì)量百分比的原料：40μm的二氧化鈾70wt.%，20μm的硅12wt.%，20μm的石墨粉12wt.%，硬脂酸鋅0.1wt.%，10μm的tio25.9wt.%；將上述粉末在乙醇中濕混24h后，烘干后取出粉末；

（2）采用熱壓燒結(jié)工藝制備u3si2c2：將粉末置于石墨模具中，抽真空至1.0×10^-3pa，以20℃/min升溫至1300℃，之后施加100mpa的壓力，并保溫4h，即可得到u3si2c2；

（3）加工成形：待u3si2c2冷卻后將其取出，加工至所需形狀尺寸，即為仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊。

按照此方法制備得到的u3si2c2致密度為93.5%。

實(shí)例2

（1）取以下質(zhì)量百分比的原料：20μm的二氧化鈾85wt.%，5μm的碳化硅7wt.%，5μm的鱗片石墨7wt.%，硬脂酸鋅0.1wt.%，1μm的tio20.9wt.%；將上述粉末在乙醇中濕混12h后，烘干后取出粉末；

（2）采用熱壓燒結(jié)工藝制備u3si2c2：將粉末置于石墨模具中，抽真空至1.1×10^-3pa，以5℃/min升溫至1600℃，之后施加20mpa的壓力，并保溫4h，即可得到u3si2c2；

（3）加工成形：待u3si2c2冷卻后將其取出，加工至所需形狀尺寸，即為仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊。

按照此方法制備得到的u3si2c2致密度為97.3%。

實(shí)例3

（1）取以下質(zhì)量百分比的原料：30μm的二氧化鈾80wt.%，10μm的碳化硅8wt.%，10μm的炭黑8wt.%，硬脂酸鋅0.1wt.%，5μm的tio23.9wt.%；將上述粉末在乙醇中濕混18h后，烘干后取出粉末；

（2）采用熱壓燒結(jié)工藝制備u3si2c2：將粉末置于石墨模具中，抽真空至0.9×10^-3pa，以10℃/min升溫至1450℃，之后施加60mpa的壓力，并保溫2h，即可得到u3si2c2；

（3）加工成形：待u3si2c2冷卻后將其取出，加工至所需形狀尺寸，即為仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊。

按照此方法制備得到的u3si2c2致密度為95.1%。

實(shí)例4

（1）取以下質(zhì)量百分比的原料：40μm的二氧化鈾70wt.%，20μm的碳化硅12wt.%，20μm的石墨粉12wt.%，硬脂酸鋅0.1wt.%，10μm的tio25.9wt.%；將上述粉末在乙醇中濕混24h后，烘干后取出粉末；

（2）采用放電等離子燒結(jié)工藝制備u3si2c2：將粉末置于石墨模具中，抽真空至1.0×10^-3pa，以100℃/min升溫至1600℃，之后施加100mpa的壓力，并保溫5min，即可得到u3si2c2；

（3）加工成形：待u3si2c2冷卻后將其取出，加工至所需形狀尺寸，即為仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊。

按照此方法制備得到的u3si2c2致密度為97.7%。

實(shí)例5

（1）取以下質(zhì)量百分比的原料：20μm的二氧化鈾85wt.%，5μm的硅7wt.%，5μm的鱗片石墨7wt.%，硬脂酸鋅0.1wt.%，1μm的tio20.9wt.%；將上述粉末在乙醇中濕混12h后，烘干后取出粉末；

（2）采用放電等離子燒結(jié)工藝制備u3si2c2：將粉末置于石墨模具中，抽真空至1.1×10^-3pa，以50℃/min升溫至1300℃，之后施加60mpa的壓力，并保溫60min，即可得到u3si2c2；

（3）加工成形：待u3si2c2冷卻后將其取出，加工至所需形狀尺寸，即為仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊。

按照此方法制備得到的u3si2c2致密度為95.8%。

實(shí)例6

（1）取以下質(zhì)量百分比的原料：30μm的二氧化鈾80wt.%，10μm的碳化硅8wt.%，10μm的炭黑8wt.%，硬脂酸鋅0.1wt.%，5μm的tio23.9wt.%；將上述粉末在乙醇中濕混18h后，烘干后取出粉末；

（2）采用放電等離子燒結(jié)工藝制備u3si2c2：將粉末置于石墨模具中，抽真空至0.9×10^-3pa，以80℃/min升溫至1450℃，之后施加20mpa的壓力，并保溫60min，即可得到u3si2c2；

（3）加工成形：待u3si2c2冷卻后將其取出，加工至所需形狀尺寸，即為仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊。

按照此方法制備得到的u3si2c2致密度為96.4%。

由上述實(shí)例可知，使用本實(shí)施例的方法制備得到的仿max相事故容錯(cuò)核燃料芯塊（u3si2c2）致密度在93.5~97.7%之間，致密度高，性能優(yōu)異，穩(wěn)定性好；再將上述實(shí)例6制備得到的u3si2c2與ti3si(al)c2（max相）的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，如如圖2所示，可以看出，本實(shí)施例方法制備得到的u3si2c2是采用u原子替代max相中的m原子，且整體結(jié)構(gòu)與max極為近似，因此，具有max相優(yōu)異的耐輻照特性、良好的塑性、導(dǎo)熱性和抗氧化性，而制備方法成本顯著降低，工藝穩(wěn)定性也有所提升。

上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，不應(yīng)當(dāng)用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，但凡在本發(fā)明的主體設(shè)計(jì)思想和精神上作出的毫無(wú)實(shí)質(zhì)意義的改動(dòng)或潤(rùn)色，其所解決的技術(shù)問(wèn)題仍然與本發(fā)明一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。