美国碳化硅基体核燃料制备取得新进展



美国碳化硅基体核燃料制备取得新进展

【本刊2016年1月综合报道】 燃料元件是反应堆的核心部件，其性能指标直接影响反应堆的安全性和经济性。尽管已经有许多类型的核燃料，例如金属铀燃料、混合氧化物（MOX）燃料、氮化铀燃料等，但全球大部分在运商业核电机组都使用二氧化铀（UO2）燃料，这主要是UO2燃料具有以下特点：①熔点高，②抗氧化性能强，③UO2特性已得到深入研究。但UO2燃料的一个主要缺点是导热差。这导致反应堆运行期间燃料芯块的中心温度高及其内部存在陡的温度分布，进而产生许多不良现象，包括孔隙、氧和裂变产物等的分布不均匀。此外，大温度梯度引起的热应力会导致低温区产生破裂或高温区产生塑性变形；陡峭的温度分布还会导致裂变气体释放，从而降低反应堆在正常运行及瞬时功率剧增工况下的安全性。

概况

为了消除UO2燃料的这一不足，许多研究机构正在研究在UO2中加入高导热率材料——例如碳化硅（SiC）——的方案。碳化硅在室温下的导热率是二氧化铀的60倍。同时，它具有热中子吸收截面低、熔点高、辐照性能良好、化学稳定性好等特点。因此，设计和制备以碳化硅为包壳或基体材料的新型燃料元件成为核燃料元件研究领域的新热点。

目前有两种方法可用于制备碳化硅基体材料。一种方法是将高导热材料加入基体，形成一条穿过基体且连续的高导热通道。提高UO2燃料导热率的早期工作在很大程度上是基于这种方法，即在UO2中制造连续孔隙，然后向孔隙填充高导热率的气态或液态的前驱体，从而形成一条连续的高导热通道。普渡大学基于这一方法开展了聚合物前驱体渗透/热解工艺（PIP）研究。但实验证明这样做有一定难度，因为会发生因孔隙堵塞而导致连续导热通道不能形成的情况。另一种方法是形成一个复合高导热相，例如SiC与UO2的复合物，靠“混合法则”提高导热率。“混合法则”主要指，如果两种材料彼此紧密接触，则混合物的导热率应该是组成物的导热率体积百分数的平均值。

美国普渡大学、佛罗里达大学等都曾研究过碳化硅基体燃料技术：聚合物前驱体渗透/热解和压力烧结法均未取得成功，但放电等离子体烧结法（SPS）取得成功。

放电等离子烧结法最近在众多研究领域中引人注目。尽管这种技术有许多先进特性，但在UO2燃料或其相关复合材料的制造方面，在美国“核能大学研究计划”开展相关研究之前没有文献报道。

在放电等离子烧结中，脉冲强直流电流（高达3000安培）通过粉末压块，在颗粒间的接触区域进行焦耳加热，产生巨大热量，从而在很短时间内将它们粘接起来。通过施加压力，可制造出外径可控的高密度压坯。最后，电场和脉冲直流电流在颗粒间的接触处引起火花放电，消除表面的污染物和杂质，例如颗粒表面上的CO2和H2O，从而加强晶界扩散过程。

研究成果

美国能源部“核能大学研究计划”在研究中利用放电等离子烧结法成功获得了致密UO2-SiC复合材料。

这项研究采用碳化硅粉末和晶须的低温氧化烧结和放电等离子烧结两种技术制造UO2-SiC复合材料，并且对两种方法生产的复合材料在密度、UO2-SiC的微结构及界面表征、化学反应、晶粒大小、导热率等方面进行了比较。

其中以碳化硅粉末和晶须为添加物，1200～1600℃条件下，使用放电等离子烧结5分钟，生产出的UO2-SiC复合材料拥有所需要的材料特性，如更高的密度、更好的界面接触、更低的化学反应性和更高的导热率。在100℃、500℃和900℃分别对放电等离子烧结得到的UO2-10%（体积）SiC复合材料做了导热率测量。

具体结果如下：

（1）相对于UO2，UO2-SiC复合材料的导热率值最大高出62%。这些结果表明，放电等离子烧结法是获得高密度、高导热率UO2的一种有效技术。

（2）当SiC体积百分比在5%～15%之间时，UO2-SiC芯块导热率也随着增加；当在15%～20%之间时，芯块的导热率差别则微乎其微。

（3）相比用氧化烧结法制造的UO2-SiC芯块，用放电等离子烧结法制造的芯块表现出较高的密度、无形成硅化铀的化学反应、界面接触良好和较小的晶粒尺寸。

（4）与氧化烧结法相比，放电等离子烧结法制造的芯块，密度要高出10%。

（5）对UO2-SiC芯块的X射线衍射分析表明，放电等离子烧结法消除了氧化铀与碳化硅之间的反应。

（6）扫描电子显微镜观测发现，放电等离子烧结法的UO2与SiC之间有更好的界面接触。

（7）尽管放电等离子烧结法制造的UO2-SiC芯块晶粒较小，但在未照射状态下其导热率比UO2芯块提高了62.1%。

（8）放电等离子烧结法的烧结速率相当高，每个芯块烧结时间只需约30分钟而不是8个小时。

尚需解决的问题

目前使用放电等离子烧结法生产致密UO2-SiC复合材料尚有两个问题需要解决：工艺参数的优化和潜在失效模式分析。

工艺参数的优化

目前，尚未进行详细的工艺优化研究。为了最大限度地提高UO2-SiC的导热率，应该确定放电等离子烧结法的工艺参数，如升温速率、保持时间和压力。必须找出碳化硅的最佳添加量。必须对SiC的最佳粒度与粒度分布以及纳米颗粒、晶须或纤维的纵横比进行测定。需要对放电等离子烧结法做经济性分析、丰度要求分析和SiC的中子学影响分析。

潜在失效模式分析

在氧化烧结研究中发现了形成USi1.88的UO2与SiC之间的反应。没有证据表明，在反应堆运行工况下，用放电等离子烧结法生产的UO2-SiC复合材料在预期降低的中心线温度下会发生这种反应。为了保证放电等离子烧结法生产的UO2-SiC复合材料的导热率优点不会随着燃料燃耗上升而变差，有必要做UO2-SiC复合材料芯块辐照实验。研究人员拟在ATR反应堆进行UO2-SiC芯块辐照。

（高金玉宋清林撰稿）