碳化铀芯块及其制备方法、燃料棒技术

本发明专利技术公开了一种碳化铀芯块及其制备方法、燃料棒。碳化铀芯块的制备方法，包括以下步骤：S1、按照摩尔比1：0.8‑1.5称取氮化铀粉体和碳源并加到溶剂中，混合均匀后形成浆料；S2、将所述浆料烘干，获得混合粉体；S3、将所述混合粉体压制成密度50％以上的坯体；S4、高温无压烧结，获得致密度≥95％的碳化铀芯块。本发明专利技术中，通过氮化铀和碳源作为原料，在高温无压烧结下实现碳热还原反应和致密化烧结两个过程，不需要采用生产效率低下的热压烧结工艺，不需要引入烧结助剂，避免降低芯块熔点的问题，可以实现批量烧结，耗能低，适用于燃料芯块的工业化生产。

Uranium carbide core block and its preparation method and fuel rod

The invention discloses a uranium carbide core block, a preparation method and a fuel rod. The preparation method of uranium carbide pellets, which comprises the following steps: S1, 1:0.8 weighed 1.5 in accordance with the molar ratio of uranium nitride powder and carbon sources and added to the solvent, mixing to form slurry; the slurry S2, drying, mixed powder; S3, the mixed powder is pressed into a dense 50% degrees above the blank; S4, high temperature sintering, obtain uranium carbide pellets density more than 95%. In the invention, the uranium nitride and carbon source as raw materials in high temperature pressureless sintering under carbothermal reduction reaction and sintering process of two, without the use of hot pressing sintering process and low production efficiency, does not require the introduction of sintering aids, avoid reducing the melting point of the core block, can realize batch sintering, low energy consumption that is suitable for industrial production of fuel pellets.

【技术实现步骤摘要】
碳化铀芯块及其制备方法、燃料棒
本专利技术涉及核反应堆
，尤其涉及一种碳化铀芯块及其制备方法、燃料棒。
技术介绍
现有商用压水堆核燃料主要为二氧化铀(UO2)芯块，但UO2芯块热导率低，中心线温度高，在发生事故的时候即使已经安全停堆，芯块内依然贮存大量衰变热，冷却剂丧失的情况下余热导出困难，使燃料棒包壳温度迅速升高至危险水平。现有锆合金材料由于本身化学性质，在650℃以上开始发生明显的锆-水反应，此反应为放热反应，并释放大量氢气，严重恶化燃料组件安全性，可导致堆芯融化以及剧烈氢爆等灾难性后果。如果采用碳化铀(UC)芯块，则热导率较高，铀密度也有所提升，从经济型和安全性角度来看，都有明显的优势。现有碳化铀芯块的制备主要分为两个步骤，一是碳化铀粉体合成，通常采用二氧化铀在高温下碳热还原的方法合成碳化铀粉体；二是芯块致密化烧结，通常采用添加烧结助剂的无压烧结或采用外场辅助的热压烧结。现有碳化铀芯块的制备存在以下几点问题：1、碳化铀粉体中极易溶入氧原子，氧原子的溶入会使UC2稳定化，使U2C3分解。碳化铀中固溶氧的浓度可达12.5at％，将造成碳化铀热导率降低。碳化铀在温度超过200℃或氧分压超过20kPa时，很容易被氧化成UO2或其它铀的氧化物。因此，碳化铀的制粉和混料均需在充氩的环境中进行，对氩的纯度也有较高要求。2、添加烧结助剂进行碳化铀芯块烧结时，虽然对致密化有利，但会使芯块的熔点发生明显的降低，安全性下降。3、采用外场辅助的热压烧结，容易实现碳化铀芯块的致密化。但这类方法每炉一次只能烧结一个芯块，效率极低、耗能大、设备要求高，不适用于工业化批量生产。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种反应合成与烧结致密化一步完成、可工业化批量生产的碳化铀芯块的制备方法以及制得的碳化铀芯块、具有该碳化铀芯块的燃料棒。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种碳化铀芯块的制备方法，包括以下步骤：S1、按照摩尔比1：0.8-1.5称取氮化铀粉体和碳源并加到溶剂中，混合均匀后形成浆料；S2、将所述浆料烘干，获得混合粉体；S3、将所述混合粉体压制成密度50％以上的坯体；S4、高温无压烧结，获得致密度≥95％的碳化铀芯块。在本专利技术的制备方法中，步骤S1中，所述氮化铀粉体纯度大于95％，粒径为0.1-50μm；所述碳源为炭黑和/或石墨，纯度大于95％，粒径为0.1-50μm。在本专利技术的制备方法中，步骤S1中，所述溶剂为乙醇或丙酮。在本专利技术的制备方法中，步骤S3包括以下步骤：S3.1、将所述混合粉体在5-30Mpa的压力下预压成型；S3.2、将预压成型的坯体真空密封，以150-300Mpa的压力对密封的坯体进行高压压制，保压后获得密度50％以上的坯体。在本专利技术的制备方法中，步骤S3.1中，将所述混合粉体放入芯块钢模具中进行预压成型；步骤S3.2中，将预压成型的坯体用油纸真空密封，使用冷等静压机对密封的坯体进行高压压制。在本专利技术的制备方法中，步骤S4包括以下步骤：S4.1、将步骤S3获得的坯体放入高温无压炉中，在真空环境下，以5-30℃/min的速率升温至1300℃-1600℃并保温0.5-4h；S4.2、在惰性气氛下，以5-30℃/min的速率升温至1700℃-2000℃并保温1-14h，获得碳化铀芯块。在本专利技术的制备方法中，步骤S4.2中，往所述高温无压炉通入氩气并保持一个大气压，形成惰性气氛。在本专利技术的制备方法中，获得的碳化铀芯块中，铀、碳、氮原子比例为1：(0.8-1.5)：(0-0.2)。本专利技术还提供一种碳化铀芯块，采用以上任一项所述的制备方法制得。本专利技术还提供一种燃料棒，包括上述的碳化铀芯块。本专利技术的有益效果：通过氮化铀和碳源作为原料，在高温无压烧结下实现碳热还原反应和致密化烧结两个过程，不需要采用生产效率低下的热压烧结工艺，不需要引入烧结助剂，避免降低芯块熔点的问题，可以实现批量烧结，耗能低，适用于燃料芯块的工业化生产。具体实施方式本专利技术的碳化铀芯块的制备方法，包括以下步骤：S1、按照摩尔比1：0.8-1.5称取氮化铀粉体和碳源并加到溶剂中，混合均匀后形成浆料。其中，氮化铀(UN)粉体纯度大于95％，粒径为0.1-50μm。碳源(C)为炭黑和/或石墨，纯度大于95％，粒径为0.1-50μm。溶剂可为乙醇或丙酮。将氮化铀粉体和碳源加到溶剂中，目的是使两者充分混合并分布均匀。S2、将浆料烘干，获得混合粉体。所得浆料可通过旋转蒸发烘干，得到干燥的混合粉体。蒸发烘干时间根据实际情况调控。S3、将混合粉体压制成密度50％以上的坯体。该步骤S3进一步可包括以下步骤：S3.1、将混合粉体在5-30Mpa的压力下预压成型。S3.2、将预压成型的坯体真空密封，以150-300Mpa的压力对密封的坯体进行高压压制，保压后获得密度50％以上的坯体。保压时间可根据情况而定，例如5min，主要目的是稳定压制后的坯体形状。具体地，步骤S3.1中，将混合粉体放入芯块钢模具中，可施加10Mpa压力进行预压成型。步骤S3.2中，将预压成型的坯体用油纸真空密封，使用冷等静压机对密封的坯体进行如200Mpa的高压压制。S4、高温无压烧结，获得致密度≥95％的碳化铀芯块。步骤S4进一步可包括以下步骤：S4.1、将步骤S3获得的坯体放入高温无压炉中，在真空环境下，以5-30℃/min的速率升温至1300℃-1600℃并保温0.5-4h；该整个阶段保持真空。该步骤主要实现坯体的碳热还原反应，通过保温使反应充分进行并完成，以形成碳化铀。S4.2、在惰性气氛下，以5-30℃/min的速率升温至1700℃-2000℃并保温1-14h，获得碳化铀芯块。保温结束后，冷却到室温，即可取出碳化铀芯块。该步骤主要实现坯体的致密化，形成具有预定的致密度的芯块。作为选择，在步骤S4.2中，可往高温无压炉通入氩气并保持一个大气压，形成惰性气氛。本专利技术的制备方法中，通过氮化铀和碳源的原位反应无压烧结，通过固溶和碳氮空位缺陷迁移传质实现致密化。本专利技术获得的碳化铀芯块中，铀、碳、氮原子比例为1：(0.8-1.5)：(0-0.2)，上述比例可调。铀碳原子比和固溶氮的调节方式包括改变原料粒径和组分配比、改变反应温度和反应保温时间、改变烧结温度和烧结保温时间和改变烧结气氛等。本专利技术的碳化铀芯块，采用上述的制备方法制得。本专利技术的燃料棒，包括上述的碳化铀芯块。以下通过具体实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1制备致密度98％的碳化铀芯块，按照UN：C的摩尔比为1：1.2称量：UN粉249克，炭黑14.4克。以乙醇为溶剂，以120转/分钟的速度，用Si3N4球辊式混料24小时，所得浆料通过旋转蒸发烘干后得到混合均匀的混合粉体。将混合粉体放进芯块钢模具中，先施加10MPa的压力进行预压，然后将预成型的坯体用油纸真空密封，再使用冷等静压机对油纸真空密封的坯体施加200MPa的等压载荷，在200MPa保压5分钟，使芯块坯体初始密度达到50％以上。取出坯体，放入高温无压炉中进行反应烧结。采用无压烧结，在第一步反应阶段，升温速率为10℃/min，升温至1400℃并保温1小时，该阶段必须保持真空环境。保温结束后，停止抽真空，往炉内通入高纯氩气并保持为一个大气压，再以10℃/min的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化铀芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按照摩尔比1：0.8‑1.5称取氮化铀粉体和碳源并加到溶剂中，混合均匀后形成浆料；S2、将所述浆料烘干，获得混合粉体；S3、将所述混合粉体压制成密度50%以上的坯体；S4、高温无压烧结，获得致密度≥95%的碳化铀芯块。

【技术特征摘要】
1.一种碳化铀芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按照摩尔比1：0.8-1.5称取氮化铀粉体和碳源并加到溶剂中，混合均匀后形成浆料；S2、将所述浆料烘干，获得混合粉体；S3、将所述混合粉体压制成密度50%以上的坯体；S4、高温无压烧结，获得致密度≥95%的碳化铀芯块。2.根据权利要求1所述的碳化铀芯块的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述氮化铀粉体纯度大于95%，粒径为0.1-50μm；所述碳源为炭黑和/或石墨，纯度大于95%，粒径为0.1-50μm。3.根据权利要求1所述的碳化铀芯块的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述溶剂为乙醇或丙酮。4.根据权利要求1所述的碳化铀芯块的制备方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：S3.1、将所述混合粉体在5-30Mpa的压力下预压成型；S3.2、将预压成型的坯体真空密封，以150-300Mpa的压力对密封的坯体进行高压压制，保压后获得密度50%以上的坯体。5.根据权利要求4所述的碳化铀芯块的制备方法，其特征在于，步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛佳祥，张显生，刘彤，李锐，严岩，李思功，黄华伟，龚星，任啟森，严俊，卢志威，
申请(专利权)人：中广核研究院有限公司，中国广核集团有限公司，中国广核电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44