一種全陶瓷型包覆燃料顆粒及其制備方法、燃料元件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及核燃料元件領域，具體涉及一種新型碳化硅基全陶瓷型包覆燃料顆粒及其制備方法、由其制得的核燃料元件。
【背景技術】
[0002]目前，以高溫氣冷堆為代表的第四代反應堆采用包覆燃料顆粒為燃料元件的主要組成部分，包覆燃料顆粒彌散分布在石墨基體中組成燃料元件。包覆燃料顆粒的包覆層由內而外依次為疏松熱解炭層，內致密熱解炭層，碳化硅層，外致密熱解炭層。由于碳化硅優異的高溫力學性能，這種包覆結構可以有效的將裂變產物束縛在包覆顆粒內部，保障反應堆在正常工況尤其是事故條件下的安全性。
[0003]但由于這種燃料元件采用了大量的碳包覆層及石墨基體，在事故條件下空氣和水注入時，石墨材料會發生氧化和腐蝕，直接將碳化硅材料暴露出來，增加了裂變產物釋放的風險。因此，需要進一步優化燃料元件結構，使其能夠在更嚴苛的條件下保證反應堆的固有安全性。此外，用于高溫氣冷堆的燃料元件形式正逐步用于氣冷快堆，熔鹽堆，空間反應堆，壓水堆等新的堆型，這也需要對現有的包覆燃料顆粒的結構及其構成的燃料元件做出進一行優化。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種全陶瓷型包覆燃料顆粒及其制備方法、由其制得的燃料元件，以解決現有包覆燃料顆粒及燃料元件在事故情況空氣和水注入時會發生氧化和腐蝕的問題。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0006]—種包覆燃料顆粒，包括核燃料核芯及在所述核芯外依次包覆的疏松碳化硅層、碳化硅過渡層和致密碳化硅層。
[0007]本發明所述的包覆燃料顆粒中，所述疏松碳化硅層的密度為0.80?2.40g/cm3，優選1.00?2.00g/cm3，厚度為20?150 μπι，優選50?120 μ mD所述碳化娃過渡層的密度為2.60?3.1Og/cm3，優選2.60?2.80g/cm3，厚度為10?50 μ m，優選10?30 μ m。所述致密碳化娃層的密度為3.18?3.20g/cm3，優選3.18?3.20g/cm3，厚度為20?150 μ m,優選30?90 μπι。通過對各碳化硅層密度及厚度的設置，可以有效儲存核裂變產生的氣體產物，并有效阻擋裂變產物，降低包覆層出現壓力殼式破損幾率，同時還保證了疏松碳化硅層和致密碳化硅層的良好過渡，防止出現界面脫附。
[0008]本發明所述的包覆燃料顆粒中，所述各碳化硅層是通過流化床化學氣相沉積方法制得的。具體地說，所述各碳化硅層制備方法為:前驅體原料選擇氯化硅烷、甲基硅烷或六甲基二硅烷中的一種，并以氬氣或氫氣為載帶氣體，以氫氣、氬氣、氮氣或它們的混合氣為流化氣體，在溫度950°C?1580°C的條件下對核芯進行包覆，包覆時間為5?240min。通過流化氣體和載帶氣體的比例來調節包覆層的密度，高的載帶氣體量可以增大前驅體的濃度，促進碳化娃快速形核，得到疏松多孔結構，低的載帶氣體量可形成致密結構。
[0009]本發明所述的包覆燃料顆粒中，所述核芯是由氧化鈾、氧化釷、碳化鈾、氮化鈾中的一種或多種材料制得；所述核芯直徑為100?1200 μm，優選300?800 μπι。
[0010]本發明還提供上述包覆燃料顆粒的制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)在氬氣或氮氣氣氛下將流化床反應器加熱至900?1100°C，放入核芯顆粒；
[0012]2)前驅體通過氣體載帶方式進入反應器，并通入流化氣體，在溫度1200°C?1580°C的條件下對核芯進行包覆，在其表面制得疏松碳化硅層；
[0013]其中，所述載帶氣體與所述流化氣體的流量比為2?5:1 ;包覆時間為5?60min ；
[0014]3)調整所述載帶氣體與所述流化氣體的流量比為0.3?1.8:1，在溫度1100°C?1500°C的條件下對步驟2)所得核芯包覆5?40min，在其表面形成碳化硅過渡層；
[0015]4)進一步調整所述載帶氣體與流化氣體的流量比為0.01?0.2:1，在溫度950?1580°C的條件下對步驟3)所得核芯包覆I?4h，在其表面形成致密碳化硅層。
[0016]本發明還提供一種全陶瓷型燃料元件，由包覆燃料顆粒彌散分布在碳化硅基體中所形成。
[0017]本發明所述的全陶瓷型燃料元件為球形或者柱形；當全陶瓷型燃料元件為球形時，由作為芯體的燃料區和包覆在芯體外的無燃料區組成；球形燃料元件的直徑為I?10cm，無燃料區厚度為0.3?2cm ;當全陶瓷型燃料元件為柱形時，可由作為芯體的燃料區單獨組成，或者由作為芯體的燃料區和包覆在芯體外的無燃料區組成；柱形燃料元件的直徑或對角線長度為0.5?10cm，無燃料區厚度為不超過2cm。
[0018]所述包覆燃料顆粒與碳化硅基體的體積比為0.1?1.0:1，優選0.3?0.8:1。
[0019]本發明還提供上述全陶瓷型燃料元件的制備方法，包括以下步驟:
[0020]I)通過噴涂或粘附方式，將碳化硅基體粉涂敷在包覆燃料顆粒外表面形成穿衣層，穿衣層厚度為100?800 μ m，優選300?700 μ m ;該穿衣層作為后續壓制工藝的緩沖層，可防止包覆顆粒外部的碳化硅層在壓制過程中因直接接觸而破損。
[0021]2)將覆有穿衣層的包覆燃料顆粒彌散分布在碳化硅基體中，所得混合物進一步壓制成型，得到作為芯體的燃料區，燃料區芯體經涂覆碳化硅粉體二次壓制，在芯體外表面形成無燃料區，所得胚體經燒結，得到全陶瓷型燃料元件；
[0022]其中，所述燒結為常壓燒結、熱壓燒結或放電等離子燒結；燒結溫度為1600?1950°C，優選1700?1900°C，燒結時間為20min?6h，優選30min?4h。
[0023]本發明還提供上述包覆顆粒及燃料元件在高溫氣冷堆、氣冷快堆、熔鹽堆、空間反應堆、壓水堆中的應用。
[0024]本發明所述方案的有益效果如下:
[0025]本發明提出了一種新型的核燃料元件，特別的，本發明設計了一種全碳化硅包覆的包覆燃料顆粒，包覆燃料顆粒彌散分布在碳化硅基體中形成核燃料元件。疏松碳化硅層可以儲存氣體裂變產物，并阻擋一部分固體裂變產物，為致密碳化硅層提供緩沖。致密碳化硅層可以阻擋大部分氣體及固體裂變產物，保證燃料顆粒在高輻射，高溫條件下的結構穩定。碳化硅過渡層可以防止疏松碳化硅和致密碳化硅層因密度差異過大引起脫附。碳化硅基體可以防止事故條件下的氧化及水汽腐蝕，保證核燃料元件的安全性。同時，該燃料元件可以滿足更高的運行溫度和更高燃耗，能夠在更嚴苛的條件下工作，保證燃料元件的固有安全性。此外，該燃料元件還可應用于高溫氣冷堆，氣冷快堆，熔鹽堆，空間反應堆，壓水堆等堆型。
[0026]本發明工藝流程簡單，工藝操作便捷，成本低，包覆工序可以在垂直流化床中連續實現多層包覆，元件制備工序采用常規陶瓷制備方法，有利于實現工業化大批量生產。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明實施例5所得球形燃料元件的結構示意圖。
[0028]圖2為本發明實施例5所得球形燃料元件整體及斷面照片。
[0029]圖3為本發明實施例7所得圓柱形燃料元件磨拋截面照片。
[0030]圖4為本發明實施例13所得包覆顆粒截面掃描電鏡照片。
[0031]圖5為本發明實施例13所得包覆顆粒內層碳化硅掃描電鏡照片。
[0032]圖6為發明實施例13所得大批量包覆顆粒的照片。
[0033]圖中:1、核芯；2、疏松碳化娃層；3、碳化娃過渡層；4、致密碳化娃層；5、碳化娃基體；6、無燃料區。
【具體實施方式】
[0034]以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0035]實施例1
[0036]本實施例涉及一種包覆燃料顆粒，其是以陶瓷燃料為核芯，在所述核芯外依次包覆疏松碳化硅層、碳化硅過渡層和致密碳化硅層。
[0037]所述陶瓷燃料核心的物質組成為二氧化鈾，直徑為500?600 μπι。
[0038]所述疏松碳化硅層由甲基三氯硅烷制得，其密度為1.40g/cm3，厚度為90?100 μ mD
[0039]所述碳化硅過渡層由甲基三氯硅烷制得，其密度為2.60g/cm3，厚度為10?15 μ mD
[0040]所述致密碳化硅層由甲基三氯硅烷制得，其密度為3.20g/cm3，厚度為40?50 μ mD
[0041]實施例2
[0042]本實施例涉及一種包覆燃料顆粒，以陶瓷燃料為核芯，在所述核芯外依次包覆的疏松碳化娃層、碳化娃過渡層和致密碳