一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件的制作方法

1.本发明属于球床式高温气冷堆燃料元件设计技术领域，具体地，本发明涉及一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件。


背景技术：

2.球床式高温气冷堆指使用氦气作为冷却剂、石墨作为中子慢化剂的核反应堆，是第四代先进反应堆堆型之一，其显著特征是固有安全性。球床式高温气冷堆包括一个堆芯，该堆芯由装在反应堆压力容器内的球形燃料元件堆积而成。球形燃料元件由燃料区和无燃料区构成。燃料区是包覆燃料颗粒弥散在石墨基体里的球体。无燃料区是围绕燃料区的具有一定厚度、和燃料区相同的石墨基体材料的球壳。燃料区和无燃料区间无物理上分界面。包覆燃料颗粒是全陶瓷三重各向同性包覆(triso)型的，其中心是燃料核芯。在燃料核芯的表面有四层包覆层。从里往外第一层是低密度热解炭，第二层是高密度各向同性热解炭，第三层是碳化硅，第四层是高密度各向同性热解炭。
3.目前，球床式高温气冷堆燃料元件中的燃料核芯为低富集度(
235
u一般不超过10％)二氧化铀(uo2)，为实现堆芯功率分布展平和卸料燃耗均匀，采用球形燃料元件多次通过堆芯的燃料循环方式；如果球形燃料元件通过堆芯次数较少，功率峰值则会偏高，且位于堆芯活性区顶部，对于球床式高温气冷堆不利，因此，需要对现有的高温气冷堆中的燃料元件做出进一步优化。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件。
5.本发明实施例一方面提出一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该含硼球形燃料元件从内到外依次包括燃料区和无燃料区；
6.所述燃料区包括包覆燃料颗粒和石墨基体；
7.所述包覆燃料颗粒，从内到外依次是同心的uo2核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、sic层、zrb2层和外致密热解炭层；其中，zrb2层的厚度为5～20μm；
8.所述包覆燃料颗粒弥散分布在所述石墨基体中。
9.本发明实施例高温气冷堆用含硼球形燃料元件中，通过在包覆燃料颗粒中的sic层上涂覆一定厚度的zrb2涂层，zrb2材料具有很大的热中子吸收截面(
10
b热中子微观吸收截面3840靶恩，1靶恩＝10-24
cm2)，在球床式高温气冷堆初装堆时能够补偿新燃料的反应性，而且随着燃料燃耗过程将优先地被消耗掉，以保证球床式高温气冷堆在过渡循环和平衡循环时的燃料后备反应性，满足球床式高温气冷堆的连续运行。
10.在本发明的一些实施例中，所述zrb2层的厚度优选为10～15μm。
11.在本发明的一些实施例中，所述zrb2层中的硼元素可以采用天然硼(
10
b丰度为20％)，也可以采用富集硼。
12.在本发明的一些实施例中，每个所述高温气冷堆用含硼球形燃料元件中，所述包覆燃料颗粒的数量为10000～15000个。
13.在本发明的一些实施例中，所述uo2核芯为直径0.5mm的圆球。
14.在本发明的一些实施例中，所述包覆燃料颗粒的直径为0.8mm、0.92mm、或1.0mm中的任一种。
15.本发明另一方面还提出上述高温气冷堆用含硼球形燃料元件的制备方法，包括以下步骤：
16.(1)采用溶胶凝胶工艺制备uo2核芯：首先采用硝酸溶解u3o8原料粉，然后加入有机粘结剂获得胶体，并分散到氨水中获得凝胶颗粒；然后再经过陈化、洗涤、干燥、焙烧，得到uo3颗粒；最后再经过还原、烧结，获得致密的uo2陶瓷颗粒；
17.(2)制备包覆燃料颗粒：采用化学气相沉积法在燃料核芯外依次沉积疏松热解炭层、内致密热解炭层、sic层、zrb2层和外致密热解炭层；
18.(3)制备含硼球形燃料元件：首先在包覆燃料颗粒表面包裹一层石墨粉，压制得到燃料区芯球；然后在燃料区芯球表面再压制一层石墨粉作为无燃料区；再经炭化、车削、高温纯化后得到含硼球形燃料元件。
19.本发明实施例高温气冷堆用含硼球形燃料元件的制备方法中通过在燃料元件中添加可燃毒物zrb2涂层，其中，zrb2涂层中含有的
10
b同位素是具有较大热中子吸收截面的天然同位素，可以使燃料元件存在较大的过剩反应性，随着可燃毒物的消耗，过剩反应性逐步释放，达到延缓功率峰值和展平功率分布的效果，且仅需加进少量的zrb2便可以满足反应性控制要求。
20.在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述有机粘结剂为酯类化合物或为金属醇盐溶于甲醇、乙醇、丙醇或丁醇等有机溶剂中制得的混合溶液。
21.在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述焙烧的温度为500～600℃，时间为1.5～2h；所述烧结的温度为1550～1650℃，时间为16～32h。
22.在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，在温度1100～1300℃的条件下，进行化学气相沉积疏松热解炭层10～30min；在温度1250～1500℃的条件下，进行化学气相沉积内致密热解炭层15～45min；在温度1450～1650℃的条件下，进行化学气相沉积sic层2～5h；在温度1450～1650℃的条件下，进行化学气相沉积zrb2层1～2h；在温度1250～1500℃的条件下，进行化学气相沉积外致密热解炭层15～45min。
23.在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，所述炭化的温度为750～850℃，时间为30～50h；所述高温纯化的温度为1150～1250℃，时间为10～20h。
24.本发明具有如下优点和有益效果：
25.(1)本发明实施例高温气冷堆用含硼球形燃料元件通过在包覆燃料颗粒中的sic层表面包覆zrb2涂层，避免了sic涂层的失效风险，且可以提高球形燃料元件中
235
u富集度，在同等反应堆功率水平下，可以减少燃料元件装载数量，并提高燃料燃耗深度，提升高温气冷堆的经济价值。
26.(2)采用本发明实施例高温气冷堆用含硼球形燃料元件可以减少球形燃料元件在球床式高温气冷堆内的循环次数，减少燃料装卸料系统动作次数，提高可靠性。
具体实施方式
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
28.除非另作定义，本发明所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内有一般技能的人士所理解的通常意义。
29.本发明实施例一方面提出一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该含硼球形燃料元件从内到外依次包括燃料区和无燃料区；
30.其中，燃料区包括包覆燃料颗粒和石墨基体；
31.包覆燃料颗粒从内到外依次是同心的uo2核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、sic层、zrb2层和外致密热解炭层；其中，zrb2层的厚度为5～20μm；
32.包覆燃料颗粒弥散分布在石墨基体中。
33.本发明实施例高温气冷堆用含硼球形燃料元件中，通过在包覆燃料颗粒中的sic层上涂覆一定厚度的zrb2涂层，zrb2材料具有很大的热中子吸收截面(
10
b热中子微观吸收截面3840靶恩，1靶恩＝10-24
cm2)，在球床式高温气冷堆初装堆时能够补偿新燃料的反应性，而且随着燃料燃耗过程将优先地被消耗掉，以保证球床式高温气冷堆在过渡循环和平衡循环时的燃料后备反应性，满足球床式高温气冷堆的连续运行；且本发明实施例高温气冷堆用含硼球形燃料元件可以提高球形燃料元件中
235
u富集度，达到提高燃耗的目的，改善球床式高温气冷堆的经济性；且在商用压水反应堆也普遍采用硼化锆(zrb2)作为中子可燃毒物，具有丰富的应用经验。
34.本发明通过合理设计，优选在sic层表面包覆可燃毒物zrb2涂层，而非直接将uo2和zrb2混合作为包覆燃料颗粒的燃料核芯，主要是由于zrb2受中子辐照会产生氦气(如式(1)所示：
10
b吸收中子发生(n，α)反应，产生锂和氦)，若是将uo2和zrb2混合作为包覆燃料颗粒的燃料核芯，再在燃料核芯外依次沉积疏松热解炭层、内致密热解炭层、sic层和外致密热解炭层，则会由于sic涂层的致密性，产生的氦气会导致包覆燃料颗粒内压增加，对sic涂层带来失效风险。而本发明实施例在sic包覆层表面增加zrb2涂层，受中子辐照后产生的氦气可以释放到外致密热解炭包覆层中，也可以进一步释放到球形燃料元件中的石墨基体和释放到球形燃料元件外。由于高温气冷堆本身就是采用氦气作为冷却剂，由球形燃料元件释放产生的少量氦气并不会对整个高温气冷堆一回路冷却剂系统产生影响。
35.b n
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(1)
36.在本发明的一些实施例中，zrb2层的厚度优选为10～15μm，例如可以为10μm、11μm、12μm、12.5μm、14μm、15μm等。
37.在本发明的一些实施例中，zrb2层中的硼元素可以采用天然硼(
10
b丰度为20％)，也可以采用富集硼。
38.在本发明的一些实施例中，每个高温气冷堆用含硼球形燃料元件中，包覆燃料颗粒的数量为10000～15000个。
39.在本发明的一些实施例中，uo2核芯为直径0.5mm的圆球。
40.在本发明的一些实施例中，包覆燃料颗粒的直径为0.8mm、0.92mm、或1.0mm中的任
一种。
41.本发明另一方面还提出上述高温气冷堆用含硼球形燃料元件的制备方法，包括以下步骤：
42.(1)采用溶胶凝胶工艺制备uo2核芯：首先采用硝酸溶解u3o8原料粉，然后加入有机粘结剂获得胶体，并分散到氨水中获得凝胶颗粒；然后再经过陈化、洗涤、干燥、焙烧，得到uo3颗粒；最后再经过还原、烧结，获得致密的uo2陶瓷颗粒；
43.(2)制备包覆燃料颗粒：采用化学气相沉积法在燃料核芯外依次沉积疏松热解炭层、内致密热解炭层、sic层、zrb2层和外致密热解炭层；
44.(3)制备含硼球形燃料元件：首先在包覆燃料颗粒表面包裹一层石墨粉，压制得到燃料区芯球；然后在燃料区芯球表面再压制一层石墨粉作为无燃料区；再经炭化、车削、高温纯化后得到含硼球形燃料元件。
45.本发明实施例高温气冷堆用含硼球形燃料元件的制备方法中通过在燃料元件中添加可燃毒物zrb2涂层，其中，zrb2涂层中含有的
10
b同位素是具有较大热中子吸收截面的天然同位素，可以使燃料元件存在较大的过剩反应性，随着可燃毒物的消耗，过剩反应性逐步释放，达到延缓功率峰值和展平功率分布的效果，且仅需加进少量的zrb2便可以满足反应性控制要求。
46.在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，有机粘结剂为酯类化合物或为金属醇盐溶于甲醇、乙醇、丙醇或丁醇等有机溶剂中制得的混合溶液。
47.在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，焙烧的温度为500～600℃，例如可以为500℃、520℃、550℃、580℃、600℃等；时间为1.5～2h，例如可以为1.5h、1.6h、1.8h、2h等；
48.烧结的温度为1550～1650℃，例如可以为1550℃、1580℃、1600℃、1620℃、1650℃等；时间为16～32h，例如可以为16h、18h、20h、24h、28h、30h、32h等。
49.在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，在温度1100～1300℃的条件下，进行化学气相沉积疏松热解炭层10～30min；在温度1250～1500℃的条件下，进行化学气相沉积内致密热解炭层15～45min；在温度1450～1650℃的条件下，进行化学气相沉积sic层2～5h；在温度1450～1650℃的条件下，进行化学气相沉积zrb2层1～2h；在温度1250～1500℃的条件下，进行化学气相沉积外致密热解炭层15～45min。
50.在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，炭化的温度为750～850℃，例如可以为750℃、780℃、800℃、820℃、835℃、850℃等；时间为30～50h，例如可以为30h、35h、40h、42h、45h、48h、50h等。
51.在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，高温纯化的温度为1150～1250℃，例如可以为1150℃、1180℃、1200℃、1220℃、1250℃等；时间为10～20h，例如可以为10h、12h、15h、18h、20h等。
52.下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步详细说明，实施例中未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件。
53.实施例1
54.本实施例提供一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该含硼球形燃料元件从内到外依次包括燃料区和无燃料区；
55.所述燃料区包括包覆燃料颗粒和石墨基体；
56.所述包覆燃料颗粒，从内到外依次是同心的uo2核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、sic层、zrb2层和外致密热解炭层；
57.其中，zrb2层中的硼元素采用天然硼，zrb2层的涂层厚度为20μm；
58.所述包覆燃料颗粒弥散分布在所述石墨基体中。
59.该含硼球形燃料元件的制备方法，包括以下步骤：
60.(1)采用溶胶凝胶工艺制备uo2核芯：首先将10g u3o8原料粉与摩尔浓度为16mol/l的硝酸混合，利用硝酸溶解u3o8原料粉；然后加入5g聚乙烯醇混合，获得胶体；将所得胶体分散到10ml 25％的氨水中，获得凝胶颗粒；然后再经过陈化、洗涤、干燥，并于600℃下焙烧1.5h，得到uo3颗粒；最后再经过还原，并于1600℃下烧结24h，获得致密的uo2陶瓷颗粒，该uo2核芯的直径为0.50mm；
61.(2)制备包覆燃料颗粒：采用化学气相沉积法在燃料核芯外，于1250℃下沉积疏松热解炭层15min；再于1350℃下沉积内致密热解炭层30min；再于1600℃下沉积sic层3h；再于1600℃下沉积zrb2层1.5h；最后再于1350℃下沉积外致密热解炭层30min，得到直径为0.92mm的包覆燃料颗粒；
62.(3)制备含硼球形燃料元件：首先在包覆燃料颗粒表面包裹一层石墨粉，压制得到燃料区芯球；然后在燃料区芯球表面再压制一层石墨粉作为无燃料区；再经800℃炭化40h，再进行车削处理，最后再于1200℃高温纯化15h，得到高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该含硼球形燃料元件中包含包覆燃料颗粒12000个。
63.实施例2
64.本实施例提供一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该含硼球形燃料元件从内到外依次包括燃料区和无燃料区；
65.所述燃料区包括包覆燃料颗粒和石墨基体；
66.所述包覆燃料颗粒，从内到外依次是同心的uo2核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、sic层、zrb2层和外致密热解炭层；
67.其中，zrb2层中的硼元素采用
10
b丰度为40％的富集硼，zrb2层的涂层厚度为10μm；
68.所述包覆燃料颗粒弥散分布在所述石墨基体中。
69.该含硼球形燃料元件的制备方法，包括以下步骤：
70.(1)采用溶胶凝胶工艺制备uo2核芯：首先将10g u3o8原料粉与摩尔浓度为16mol/l的硝酸混合，利用硝酸溶解u3o8原料粉；然后加入5g聚乙烯醇混合，获得胶体；将所得胶体分散到10ml 25％的氨水中，获得凝胶颗粒；然后再经过陈化、洗涤、干燥，并于600℃下焙烧1.5h，得到uo3颗粒；最后再经过还原，并于1600℃下烧结24h，获得致密的uo2陶瓷颗粒，该uo2核芯的直径为0.50mm；
71.(2)制备包覆燃料颗粒：采用化学气相沉积法在燃料核芯外，于1250℃下沉积疏松热解炭层10min；再于1350℃下沉积内致密热解炭层15min；再于1600℃下沉积sic层2h；再于1600℃下沉积zrb2层1h；最后再于1350℃下沉积外致密热解炭层15min，得到直径为0.80mm的包覆燃料颗粒；
72.(3)制备含硼球形燃料元件：首先在包覆燃料颗粒表面包裹一层石墨粉，压制得到燃料区芯球；然后在燃料区芯球表面再压制一层石墨粉作为无燃料区；再经800℃炭化40h，再进行车削处理，最后再于1200℃高温纯化15h，得到高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该
含硼球形燃料元件中包含包覆燃料颗粒15000个。
73.实施例3
74.本实施例提供一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该含硼球形燃料元件从内到外依次包括燃料区和无燃料区；
75.所述燃料区包括包覆燃料颗粒和石墨基体；
76.所述包覆燃料颗粒，从内到外依次是同心的uo2核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、sic层、zrb2层和外致密热解炭层；
77.其中，zrb2层中的硼元素采用
10
b丰度为60％的富集硼，zrb2层的涂层厚度为5μm；
78.所述包覆燃料颗粒弥散分布在所述石墨基体中。
79.该含硼球形燃料元件的制备方法，包括以下步骤：
80.(1)采用溶胶凝胶工艺制备uo2核芯：首先将10g u3o8原料粉与摩尔浓度为16mol/l的硝酸混合，利用硝酸溶解u3o8原料粉；然后加入5g聚乙烯醇混合，获得胶体；将所得胶体分散到10ml 25％的氨水中，获得凝胶颗粒；然后再经过陈化、洗涤、干燥，并于600℃下焙烧1.5h，得到uo3颗粒；最后再经过还原，并于1600℃下烧结24h，获得致密的uo2陶瓷颗粒，该uo2核芯的直径为0.50mm；
81.(2)制备包覆燃料颗粒：采用化学气相沉积法在燃料核芯外，于1250℃下沉积疏松热解炭层30min；再于1350℃下沉积内致密热解炭层45min；再于1600℃下沉积sic层5h；再于1600℃下沉积zrb2层2h；最后再于1350℃下沉积外致密热解炭层45min，得到直径为1.0mm的包覆燃料颗粒；
82.(3)制备含硼球形燃料元件：首先在包覆燃料颗粒表面包裹一层石墨粉，压制得到燃料区芯球；然后在燃料区芯球表面再压制一层石墨粉作为无燃料区；再经800℃炭化40h，再进行车削处理，最后再于1200℃高温纯化15h，得到高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该含硼球形燃料元件中包含包覆燃料颗粒10000个。
83.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
84.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。