阅读说明：本技术 一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法 (Preparation method of uranium dioxide-graphene-like composite fuel pellet ) 是由 马浩然 张燕 朱礼洋 杨志红 杨素亮 田国新 郭波龙 隋政 冯海宁 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于核燃料制备技术领域,涉及一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法。所述的制备方法包括如下步骤：(1)将聚丙烯腈用溶剂溶解后加入二氧化铀粉末,混合均匀后得到中间体；(2)蒸发中间体除去溶剂后得到二氧化铀-聚丙烯腈混合粉末；(3)将二氧化铀-聚丙烯腈混合粉末装入模具冷压成型,脱模,得到燃料芯块素坯；(4)将燃料芯块素坯在还原性气氛下进行烧结,得到二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块。利用本发明的二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法,能够制备得到高导热性的新型复合燃料芯块,从而提高核反应堆运行时的经济性和安全性。(The invention belongs to the technical field of nuclear fuel preparation, and relates to a preparation method of a uranium dioxide-graphene composite fuel pellet. The preparation method comprises the following steps: (1) dissolving polyacrylonitrile by using a solvent, adding uranium dioxide powder, and uniformly mixing to obtain an intermediate; (2) evaporating the intermediate to remove the solvent to obtain uranium dioxide-polyacrylonitrile mixed powder; (3) loading the uranium dioxide-polyacrylonitrile mixed powder into a mould for cold press molding, and demoulding to obtain a fuel pellet biscuit; (4) and sintering the fuel pellet biscuit in a reducing atmosphere to obtain the uranium dioxide-graphene composite fuel pellet. By using the preparation method of the uranium dioxide-graphene composite fuel pellet, the novel composite fuel pellet with high thermal conductivity can be prepared, so that the economy and the safety of a nuclear reactor during operation are improved.)

一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法

技术领域

本发明属于核燃料制备技术领域，涉及一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法。

背景技术

UO₂熔点高、辐照肿胀小，因此，世界范围内，UO₂芯块-Zr包壳是商用压水堆最主要的燃料体系。但UO₂热导率低，使得UO₂-Zr燃料体系在运行过程中产生较大的温度梯度，使得芯块中产生热应力，降低了芯块的热稳定性，在极端情况下，燃料芯块中心温度过高，甚至会引发包壳破损和堆芯熔化。

日本福岛核事故以来，开发先进核燃料，尤其是开发具有高热导率特征的核燃料芯块，成为国际研究的新热点。

韩国的相关研究提出了一种金属Mo-UO₂复合型燃料芯块的制备方法，结果表明Mo在UO₂基体中可以形成网格状的导热通道，从而大幅增加复合型燃料芯块的热导率。美国的相关研究提出了一种金刚石-UO₂复合型燃料芯块的制备方法，该研究指出，掺杂10％wt的金刚石粉末制备得到的复合型燃料芯块，热导率提升效果可达30％以上。中国的相关研究也提出了利用氧化铍、乙炔黑或石墨烯掺杂，制备复合型燃料芯块的方法，在其研究范畴内，均观测到了明显的热导率提高。

但上述技术共性的缺点包括：一是掺杂量较多，会导致燃料芯块铀装载量和芯块密度的显著降低；二是掺入相在UO₂基体内的均匀分散问题。因此，寻找并开发新的掺杂材料和工艺才能带来突破进展。

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维材料是一类薄、轻、强的高热导新型碳纤维材料，是一种优异的纤维增强体材料，在航空、航天、汽车等领域有广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，以能够制备得到高导热性的新型复合燃料芯块，从而提高核反应堆运行时的经济性和安全性。

为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)将聚丙烯腈(PAN)用溶剂溶解后加入二氧化铀粉末，混合均匀后得到中间体；

(2)蒸发中间体除去溶剂后得到二氧化铀-聚丙烯腈混合粉末；

(3)将二氧化铀-聚丙烯腈混合粉末装入模具冷压成型，脱模，得到燃料芯块素坯；

(4)将燃料芯块素坯在还原性气氛下进行烧结，得到二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，其中步骤(1)中，所述的溶剂选自二甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或几种。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，其中步骤(1)中，所述的聚丙烯腈与所述的溶剂的质量体积比为1-10g:100ml。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，其中步骤(1)中，所述的聚丙烯腈与所述的二氧化铀粉末的质量比为0.3-20:1000。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，其中步骤(1)中，所述的溶解的温度为30-80℃。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，其中步骤(1)中，所述的二氧化铀粉末的平均粒径为0.1-10μm。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，其中步骤(2)中，所述的蒸发为减压蒸发，减压蒸发的压力为0.001-0.1Mpa，温度为40-110℃。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，其中步骤(3)中，所述的冷压成型的压力为300-800Mpa，保压时间为20-60s。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，其中步骤(4)中，所述的还原性气氛中氢气与氩气的体积比为0.1-5:95。

在一种优选的实施方案中，本发明提供一种二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，其中步骤(4)中，所述的烧结的温度为1400-1850℃，时间为1-5h。

本发明的有益效果在于，利用本发明的二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备方法，能够制备得到高导热性的新型复合燃料芯块，从而提高核反应堆运行时的经济性和安全性。

本发明以聚丙烯腈(PAN)为原材料，在芯块制备烧结过程中原位生成类石墨烯的碳纤维材料，作为第二相掺杂到UO₂芯块中，工艺简便、效率高、经济性好、制得复合燃料芯块性能好。

本发明在UO₂燃料颗粒表面均匀附着聚丙烯腈材料(PAN)，PAN掺入量更少。经冷压成型后，PAN均匀地弥散在UO₂基体中；燃料烧结过程中，PAN会发生定性化学变化生成类石墨烯材料，并均匀的分布在燃料芯块芯体中。

因此，本发明能够制备得到高铀装载量、高热导率的基于PAN碳纤维的UO₂-类石墨烯复合型燃料芯块，该燃料芯块满足现行的反应堆燃料芯块技术条件，可以作为新型核反应堆燃料芯块。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施例1：二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的制备

(1)制备PAN-N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液

称取PAN粉末0.4g，量取DMF溶剂20ml，将PAN粉末倒入DMF中充分搅拌，将容器加热至40℃以促进PAN溶解，直至PAN粉末完全溶解于DMF。

(2)制备UO₂-PAN-DMF中间体

称取UO₂粉末100g(平均粒径为2μm)，倒入步骤(1)得到的PAN-DMF溶液中，充分混合搅拌，得到UO₂-PAN-DMF中间体。

(3)制备UO₂-PAN混合粉末

将步骤(2)得到的UO₂-PAN-DMF中间体进行真空蒸发，80℃下DMF充分蒸干后得到UO₂-PAN混合粉末。

(4)制备燃料芯块素坯

取10g步骤(3)得到的混合粉末，置于成型模具中，压力500Mpa、保压30s进行冷压成型，脱模，得到燃料芯块素坯。

(5)制备燃料芯块

将步骤(4)得到的燃料芯块素坯加热至1750℃，保温4h，烧结气氛为Ar-5％(v/v)H₂混合气，烧结后得到基于PAN碳纤维的UO₂-类石墨烯燃料芯块。

实施例2：UO₂-PAN混合粉末和二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块的分析检测

将实施例1制备得到的UO₂-PAN混合粉末和二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块进行如下检测：

(1)粉末比表面积检测

依据GB/T 11847-2008《二氧化铀粉末比表面积测定BET容量法》，对原料UO₂粉末和制得UO₂-PAN混合粉末进行比表面积检测，检测结果前者为3.01m²/g，后者为3.79m²/g。

(2)粉末氧铀原子比检测

依据GB/T 11842-89《二氧化铀粉末和芯块的氧铀原子比测定热重法》，对原料UO₂粉末和制得UO₂-PAN混合粉末氧铀原子比进行检测，检测结果前者为2.12，后者为2.09。

(3)二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块外观检测

依据EJ/T 787-93《烧结二氧化铀外形尺寸和粗糙度检验方法》，对制得二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块外观进行检验，复合燃料芯块外观为灰黑色，无开裂、掉角等现象。

(4)燃料芯块导热系数检测

选择原料UO₂粉末作为单一原材料，类比实施例1的步骤(4)中的实验过程，将原料UO₂粉末压制成UO₂燃料芯块素坯，再类比实施例1的步骤(5)中的实验过程，将UO₂燃料芯块素坯进一步烧结得到二氧化铀燃料芯块。依据GB/T 5598-2015《氧化铍瓷导热系数测定方法》中规定的激光闪射法，对二氧化铀燃料芯块和实施例1制得的二氧化铀-类石墨烯复合燃料芯块导热系数进行检测，结果1000℃时，前者为0.9W/m*K，后者为1.6W/m*K。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。