本發(fā)明屬于核材料研究及制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高熱導(dǎo)燃料芯塊及其制備方法。
背景技術(shù)：
核能是清潔高效的新型能源，人類利用核能的主要方法是通過核反應(yīng)堆將核燃料中的核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而?yīng)用于社會生產(chǎn)和生活。新一代更安全、更經(jīng)濟的核電技術(shù)，契合了人類尋找更安全、清潔、高效能源的理念與需求，成為發(fā)展低碳經(jīng)濟、應(yīng)對氣候變化的一個理性選擇。燃料元件是核燃料進入反應(yīng)堆之前的最后一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以uo2和beo為原料制成的高熱導(dǎo)芯塊將用于未來的燃料元件之中。相比于傳統(tǒng)核燃料芯塊，uo2-beo高熱導(dǎo)芯塊在效率和安全性上都有所提高。uo2-beo高熱導(dǎo)芯塊的誕生為解決傳統(tǒng)核燃料熱導(dǎo)性差引起的缺陷帶來了曙光。uo2-beo高熱導(dǎo)芯塊相比于傳統(tǒng)核燃料擁有高熱導(dǎo)率、高效率、長周期以及低回收費用的特點。如今的核燃料因為溫度而造成的降級導(dǎo)致每三年必須更換一次，假設(shè)be只回收一次，當燃耗為60wmd/kg和75mwd/kg時，uo2-beo高熱導(dǎo)芯塊的回收費用約為4.47mills/kwh和3.7mills/kwh，加上它的高燃耗和較長的回收周期的特點，綜合起來比現(xiàn)有輕水堆燃耗為60wmd/kg時更經(jīng)濟實惠。在現(xiàn)有uo2-beo芯塊高熱導(dǎo)率的基礎(chǔ)上，進一步提高其密度，是高熱導(dǎo)芯塊未來發(fā)展的方向。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種高熱導(dǎo)燃料芯塊及其制備方法，通過配比設(shè)計、粉末球化、混料、成型、燒結(jié)的方法制備出內(nèi)含beo連續(xù)相的高熱導(dǎo)芯塊。
為達到上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：
一種高熱導(dǎo)燃料芯塊，為uo2與beo的混合圓柱形結(jié)構(gòu)，beo的含量為1wt％～5wt％。
一種高熱導(dǎo)燃料芯塊制備方法，包括以下步驟：
準備uo2粉末和beo粉末原料；將uo2粉末壓制成圓柱形塊體；利用叉篩機破碎制粒，再利用細篩篩分，獲得50～100μm粒度的uo2粉末；將50～100μm粒度的uo2粉末裝入球磨罐密封；將球磨罐在星型球磨機上自研磨運行，研磨后取出待用；取出uo2粉末與beo粉末一起放入混料罐內(nèi)密封，beo按重量比1wt％～5wt％配制；將混料后的粉末壓制成型為圓柱形坯體；將壓制的芯塊放在坩堝內(nèi)，將坩堝放置在高溫氣氛燒結(jié)爐的均溫區(qū)內(nèi)；燒結(jié)爐抽真空至103pa，然后向爐內(nèi)通高純氫氣；開始加熱燒結(jié)，溫度升至800℃時保溫1小時；溫度升至1200℃時保溫1小時，繼續(xù)升溫至1750℃時保溫4小時，然后隨爐冷卻后芯塊出爐。
所述的beo粉末原料純度為99.9％，粒度平均值為4.851μm。
將uo2粉末壓制成圓柱形塊體的壓強為25mpa。
將50～100μm粒度的uo2粉末裝入球磨罐，裝入量為球磨罐容積的1/2。
將球磨罐在星型球磨機上自研磨運行，研磨轉(zhuǎn)速300r/min，研磨時間4小時。
混料罐利用三維混料機進行混料。
將混料后的粉末壓制成型為圓柱形坯體，壓機為5t～50t規(guī)格的壓機，壓制壓力為1.8kn，保壓時間為10s。
所用高溫氣氛燒結(jié)爐為真空爐，真空度達10-3pa，最高溫度達2200℃。
高純氫氣純度為99.99％，流量為3l/min，壓力為0.03mpa。
本發(fā)明所取得的有益效果為：
本發(fā)明制備uo2-beo燃料芯塊相對于傳統(tǒng)燃料芯塊熱導(dǎo)率可提升50％以上，能夠大幅度提高使用壽命和熱效率。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
一種高熱導(dǎo)燃料芯塊及其制備方法，該高熱導(dǎo)燃料芯塊為uo2與beo的混合圓柱形結(jié)構(gòu)，包括以下步驟：
步驟1，配方設(shè)計，該高熱導(dǎo)芯塊為uo2與beo的混合燃料，beo的含量為1wt％～5wt％；
步驟2，物料準備，準備好uo2粉末原料；準備beo粉末原料，beo粉末純度為99.9％，粒度平均值為4.851μm。
步驟3，uo2粉末球化處理
步驟3.1，準備好內(nèi)部直徑為ф50mm的壓塊模具；
步驟3.2，將uo2粉末壓制成圓柱形塊體，壓制壓強為25mpa；
步驟3.3，然后利用叉篩機破碎制粒，再利用細篩篩分，獲得50～100μm粒度的uo2粉末；
步驟3.4，將50～100μm粒度的uo2粉末裝入球磨罐，裝入量為球磨罐容積的1/2，密封。
步驟3.5，將球磨罐在星型球磨機上自研磨運行，研磨轉(zhuǎn)速300r/min，研磨時間4小時，研磨后取出待用。
步驟4，混料
步驟4.1，取出的uo2粉末與beo粉末一起放入混料罐內(nèi)，密封，beo按重量比1wt％～5wt％配制。
步驟4.2，混料罐利用三維混料機進行混料。
步驟5，芯塊成型，對混料后粉末壓制成型，成型為圓柱形坯體。
步驟5.1，準備模具，成形壓機，壓機為5t～50t規(guī)格的壓機；
步驟5.2，將混合后的粉末物料利用稱量精度為0.001g的電子天平稱量(重量)。
步驟5.3，稱重后的物料放在模具內(nèi)，利用壓機壓制成形，壓制壓力為1.8kn，保壓時間為10s。
步驟6，芯塊燒結(jié)
步驟6.1，將壓制的芯塊放在耐高溫坩堝內(nèi)，所用高溫氣氛燒結(jié)爐為真空爐，真空度可達10-3pa，可用于真空燒結(jié)和氫氣氛燒結(jié)，最高溫度可達2200℃；
步驟6.2，將坩堝放置在高溫氣氛燒結(jié)爐的均溫區(qū)內(nèi)；
步驟6.3，燒結(jié)爐抽真空至103pa，然后向爐內(nèi)通高純氫氣，壓力為0.03mpa；
步驟6.4，然后向爐內(nèi)通高純氫氣，純度為99.99％，流量為3l/min。
步驟6.5，通氫后，開始加熱燒結(jié)，溫度升至800℃時，保溫1小時；溫度升至1200℃時，保溫1小時繼續(xù)升溫至1750℃時，保溫4小時，然后隨爐冷卻。
步驟6.6，冷卻后芯塊出爐。
通過上述方法制備的高熱導(dǎo)芯塊，beo含量1％wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％4種芯塊的熱導(dǎo)率與純uo2芯塊分別有不同程度的提高。
表1不同配方高熱導(dǎo)芯塊的熱擴散系數(shù)