具体实施方式

本发明提供了一种半连续结构增强二氧化铀芯块的制备方法，包括以下步骤：

将二氧化铀进行自球化处理，得到疏松二氧化铀球；

将所述疏松二氧化铀球和热导率增强相进行混合包覆后，进行烧结，得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块(制备流程如图1所示)。

在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。

本发明将二氧化铀进行自球化处理，得到疏松二氧化铀球。

在本发明中，所述二氧化铀中²³⁵U的富集度优选为0.2wt％～19wt％，更优选为2wt％～16wt％，最优选为5wt％～10wt％；氧铀比优选为1.95～2.2，更优选为2.0～2.10；粒径优选为0.5～20μm，更优选为5～15μm。

在本发明中，所述自球化处理的转速优选为150～400r/min，更优选为200～350r/min，最优选为250～300r/min；时间优选为2～8h，更优选为4～6h。

在本发明中，所述自球化处理优选在密封罐中进行。

在本发明中，所述自球化处理的条件可以使二氧化铀粉末呈扭曲状形貌，可相互咬合，形成疏松的二氧化铀球(如图1所示)。

在本发明中，所述疏松二氧化铀球的直径优选为100～400μm。

得到疏松二氧化铀球后，本发明将所述疏松二氧化铀球和热导率增强相进行混合包覆后，进行烧结，得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块。

本发明对所述热导率增强相的种类没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的种类进行即可。在本发明的具体实施例中，所述热导率增强相具体为Ti₃SiC₂、BeO、Mo、SiC、W或金刚石微粉。

在本发明中，所述热导率增强相的粒径优选为2～100μm，更优选为5～20μm。

在本发明中，所述疏松二氧化铀球和热导率增强相的体积比优选为(80～98)：(2～20)，更优选为(83～95)：(5～16)，最优选为(88～92)：(8～12)。

在本发明中，所述混合包覆的转速优选为100～250r/min，更优选为150～200r/min；时间优选为1～30min，更优选为5～25min，最优选为10～20min。

在本发明中，所述混合包覆的过程可以使热导率增强相吸附于所述疏松二氧化铀球的表面。

在本发明中，所述烧结的方式优选包括气氛烧结、热压烧结或放电等离子体烧结。

在本发明中，所述气氛烧结优选包括依次进行的压制成型和在还原气氛下烧结。在本发明中，所述压制成型的压力优选为100～600MPa，更优选为200～500MPa，最优选为200～400MPa。在本发明中，所述压制成型的作用为制备出素坯。

在本发明中，所述还原气氛优选为氢气气氛或含氢气的惰性气氛；当所述还原气氛为含氢气的惰性气氛时，本发明对所述惰性气氛的种类和氢气含量均没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，所述还原气氛的作用是维持二氧化铀的氧铀比。

在本发明中，所述在还原气氛下烧结的温度优选为1500～1900℃；升温至所述在还原气氛下烧结的温度的升温速率优选为1～10℃/min；时间优选为1～6h。在本发明中，所述在还原气氛下烧结的过程优选为：以10℃/min的速率升温至1600℃后，以5℃/min的速率升温至1700℃，保温2h；或以10℃/min的速率升温至1200℃后，以5℃/min的速率升温至1750℃，保温4h；或以10℃/min的速率升温至1400℃后，以2℃/min的速率升温至1780℃，保温8h。

在本发明中，所述在还原气氛下烧结的作用是促进生坯致密化，所述烧结温度、升温速率和时间控制在上述范围内的作用是控制产品的致密度。

在本发明中，所述气氛烧结的具体过程优选为：将所述混合包覆后得到的物料进行压制成型后，得到素坯；将所述素坯在还原气氛中进行烧结。

在本发明中，所述热压烧结优选在还原气氛中进行，所述还原气氛优选为氢气气氛或含氢气的惰性气氛；当所述还原气氛为含氢气的惰性气氛时，本发明对所述惰性气氛的种类和氢气含量均没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的即可。在本发明中，所述还原气氛的作用是保持氧铀比。所述热压烧结的压力优选为30～50MPa；温度优选为1500～1700℃；升温至所述热压烧结的温度的升温速率优选为2～20℃/min；保温时间优选为0.5～4h。在本发明中，所述热压烧结的过程优选为以2～20℃/min的速率升温至1400～1600℃后，以2～5℃/min的速率升温至1500～1700℃，保温0.5～4h；更优选为以20℃/min的速率升温至1400℃后，以5℃/min的速率升温至1650℃，保温0.5h；或以15℃/min的速率升温至1600℃后，以2℃/min的速率升温至1700℃，保温1h。

在本发明中，所述热压烧结优选在热压烧结模具中进行。

在本发明中，所述热压烧结的作用是促进致密化。

在本发明中，所述放电等离子体烧结的温度优选为900～1650℃，更优选为1000～1600℃，最优选为1200～1500℃；升温至所述放电等离子体烧结的升温速率优选为50～400℃/min，更优选为100～300℃/min，最优选为150～250℃/min；压力优选为30～50MPa；保温时间优选为0.5～20min，更优选为5～15min，最优选为8～12min。

在本发明中，所述放电等离子体烧结优选在SPS烧结模具中进行。

在本发明中，所述放电等离子体烧结的作用是大幅降低烧结温度，缩短烧结时间。

所述烧结完成后，本发明还优选包括依次进行的冷却和脱膜；所述冷却的方式优选为随炉冷却；所述冷却的目标温度优选为室温～150℃；本发明对所述脱膜没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。

本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法制备得到的半连续结构增强二氧化铀芯块，包括二氧化铀和热导率增强相；

所述热导率增强相在所述二氧化铀中呈半连续分布状态。

在本发明中，所述热导率增强相和二氧化铀的体积比优选为(2～20)：(80～98)，更优选为(5～16)：(83～95)，最优选为(8～12)：(88～92)。

本发明还提供了上述技术方案所述的半连续结构增强二氧化铀芯块在制备核燃料中的应用。本发明对所述应用的方法没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法进行即可。

下面结合实施例对本发明提供的半连续结构增强二氧化铀芯块及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

将二氧化铀(²³⁵U富集度0.2wt％，氧铀比1.95，粒径2.5μm)置于密封罐中，在300r/min的转速下旋转2h，得到疏松二氧化铀球(粒径为200μm)；

将97.87g的疏松二氧化铀球和2.13g的Ti₃SiC₂(5μm)放入混料罐中(对应Ti₃SiC₂体积分数为5％)，在200r/min的转速下混合20min后，将得到的混合物料置于SPS烧结模具中进行放电等离子体烧结，所述放电等离子体烧结的温度为1400℃，升温速率为200℃/min，压力为50MPa，时间为1min，随炉冷却，脱膜，得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块；

其中，图2为所述半连续结构增强二氧化铀芯块的微观组织图，其中深色区域为Ti₃SiC₂相，浅色区域为二氧化铀；由图2可知，所述Ti₃SiC₂相在二氧化铀中呈现半连续分布。

实施例2

将二氧化铀(²³⁵U富集度19wt％，氧铀比2.17，粒径1μm)置于密封罐中，在150r/min的转速下旋转4h，得到疏松二氧化铀球(粒径为100μm)；

将97.02g疏松二氧化铀球和2.98g BeO(5μm)放入混料罐中(对应BeO体积分数为10％)，在200r/min的转速下混合20min后，将得到的混合物料在100MPa的条件下进行压制，得到素坯，将所述素坯在还原性气氛(Ar-5vol％H₂)中烧结，所述烧结以10℃/min的速率升温至1200℃后，以5℃/min的速率升温至1750℃，保温4h后，随炉冷却至150℃以下开炉，得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块。

实施例3

将二氧化铀(²³⁵U富集度10wt％，氧铀比2.2，粒径5μm)置于密封罐中，在400r/min的转速下旋转2h，得到疏松二氧化铀球(粒径为400μm)；

将98.14g疏松二氧化铀球和1.86g Mo(5μm)放入混料罐中(对应Mo体积分数为2％)，在100r/min的转速下混合30min后，将得到的混合物料在热压烧结模具中进行热压烧结，所述热压烧结的压力为30MPa，所述热压烧结的气氛为Ar-5vol％H₂；所述热压烧结以20℃/min的速率升温至1400℃后，以5℃/min的速率升温至1700℃，保温0.5h后，随炉冷却至150℃以下开炉；得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块。

实施例4

将二氧化铀(²³⁵U富集度4.45wt％，氧铀比2.14，粒径1μm)置于密封罐中，在200r/min的转速下旋转8h，得到疏松二氧化铀球(粒径为350μm)；

将92.66g疏松二氧化铀球和7.34g SiC(3μm)放入混料罐中(对应SiC体积分数为15％)，在250r/min的转速下混合30min后，将得到的混合物料置于SPS烧结模具中进行放电等离子体烧结，所述放电等离子体烧结的温度为1450℃，升温速率为200℃/min，压力为30MPa，时间为5min，随炉冷却，脱膜，得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块。

实施例5

将二氧化铀(²³⁵U富集度5wt％，氧铀比2.00，粒径2μm)置于密封罐中，在200r/min的转速下旋转4h，得到疏松二氧化铀球(粒径为150μm)；

将83.6g疏松二氧化铀球和16.4g W(3μm)放入混料罐中(对应W体积分数为10％)，在250r/min的转速下混合30min后，将得到的混合物料在400MPa的条件下进行压制成型，得到素坯，将所述素坯在还原性气氛(Ar-5vol％H₂)中烧结，所述烧结以10℃/min的速率升温至1400℃后，以2℃/min的速率升温至1780℃，保温8h后，随炉冷却至150℃以下开炉，得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块。

实施例6

将二氧化铀(²³⁵U富集度15wt％，氧铀比2.08，粒径10μm)置于密封罐中，在300r/min的转速下旋转6h，得到疏松二氧化铀球(粒径为350μm)；

将98.35g疏松二氧化铀球和1.65g金刚石微粉(16μm)放入混料罐中(对应金刚石体积分数为5％)，在150r/min的转速下混合15min后，将得到的混合物料在热压烧结模具中进行热压烧结，所述热压烧结的压力为50MPa，所述热压烧结的气氛为Ar-5vol％H₂；所述热压烧结以15℃/min的速率升温至1600℃后，以5℃/min的速率升温至1650℃，保温1h后，随炉冷却至150℃以下开炉；得到所述半连续结构增强二氧化铀芯块。

对比例1

将二氧化铀(²³⁵U富集度0.2wt％，氧铀比1.95，粒径2.5μm)置于硬质合金模具中，施以600MPa的压力，得到二氧化铀预压坯。之后在研钵中破碎，将破碎颗粒过30目和100目筛网，获得目数在30-100目之间的二氧化铀颗粒。之后将这些二氧化铀颗粒在尼龙罐中球化8h，尼龙罐转速为200r/min，得到较为致密的二氧化铀小球。将97.87g二氧化铀小球与2.13g Ti₃SiC₂(5μm)粉末置于不锈钢罐中(对应Ti₃SiC₂体积分数为5％)混合2h，不锈钢罐转速为100r/min。

将二氧化铀小球-Ti₃SiC₂混合物置于SPS烧结模具中进行放电等离子体烧结，所述放电等离子体烧结的温度为1400℃，升温速率为200℃/min，压力为50MPa，时间为1min，随炉冷却，脱膜，得到连续增强二氧化铀芯块。

测试例

将实施例1～6制备得到的半连续结构增强二氧化铀芯块、对比例1制备得到的连续增强二氧化铀芯块和二氧化铀在不同温度(25℃,200℃,400℃,600℃,800℃和1000℃)下进行热导率测试，测试标准为《GB/22588-2008闪光法测量热扩散系数或导热系数》。

其中图3为实施例1制备得到的半连续结构增强二氧化铀芯块、对比例1制备得到的连续增强二氧化铀芯块和二氧化铀的热导率对比图，由图3可知，半连续结构和连续结构增强二氧化铀芯块的热导率很接近，但是制备工艺较对比例1更简单，工艺稳定性更高；较纯二氧化铀均有一定程度的提升；

实施例1～6制备得到的半连续结构增强二氧化铀芯块和二氧化铀在1000℃下的热导率如表1所示：

表1实施例1～6制备得到的半连续结构增强二氧化铀芯块和二氧化铀在1000℃下的热导率

由表1可知，本发明所述的制备方法制备得到的半连续结构增强二氧化铀芯块可以有效的提高热导率性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。