本發明屬于核燃料技術領域，具體涉及一種uo2和u3si2復合燃料芯塊及其制備方法和用途。
背景技術：
二氧化鈾(uo2)是目前商用核反應堆應用最廣泛的核燃料，具有優異的熱、化學、輻照穩定性，以及高熔點、滯留固態裂變產物和阻擋氣態裂變產物擴散能力強等優點。然而，依靠聲子傳熱的特性導致其在高溫和輻照條件下熱導率急劇下降，熱量導出能力迅速衰退。因此，目前的uo2-zr核燃料體系的使用溫度只有700-1200℃。在事故狀態下，反應堆冷卻系統失效，堆內熱量無法散去，堆芯溫度迅速升高，金屬zr包殼在高溫下與水蒸氣的氧化放熱反應和釋氫反應加劇，短時間內釋放出大量的熱量和氫氣，氫氣在高溫下發生爆炸、包殼管由于各種不良反應以及燃料芯塊的變形擠壓而發生破裂，芯塊由于溫度過高而熔毀，反應堆壓力殼由于內壓過大而損毀，最終導致放射性物質泄漏的核事故(r.o.meyer，nucl.technol.，155，2006，293.)。歷次核事故中放射性物質的泄漏都與反應堆堆芯溫度過高，燃料棒熔毀直接相關。因此uo2熱導率過低的本征特性是引發核泄漏事故的關鍵因素之一。
因此，提供一種燃料芯塊，相對于uo2具有更優異的導熱性能，熱導率高成為了本領域技術人員亟待解決的問題。
技術實現要素：
本發明的目的之一在于針對上述情況提供一種uo2和u3si2復合燃料芯塊，解決現有技術中uo2熱導率過低導致核燃料安全性降低的問題。
本發明的目的之二在于提供一種uo2和u3si2復合燃料芯塊的制備方法。
本發明的目的之三在于提供一種uo2和u3si2復合燃料芯塊在商用核反應堆作為核燃料的用途。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：
本發明所述的一種uo2和u3si2復合燃料芯塊，其特征在于：包括uo2和u3si2，所述u3si2為三維網格結構，并與uo2形成互穿網絡結構，所述u3si2由金屬鈾與硅反應生成，所述硅的質量為uo2的5～15wt.％。
本發明所述的一種uo2和u3si2復合燃料芯塊的制備方法，該制備方法采用高溫熔融滲透反應法，首先利用加熱易揮發物質作為造孔劑，與uo2粉末和硅粉末燒結制得uo2和si多孔滲透基體；再將所述多孔滲透基體與純鈾滲料在高溫狀態下反應，生成具有互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊。
進一步地，包括以下步驟：
步驟1：將uo2粉末、硅粉末、造孔劑草酸銨和潤滑劑混合均勻，得到uo2混合物粉末；
步驟2：將所述混合粉末壓制成預壓坯，然后破碎成顆粒，再將其裝入球化設備中，添加潤滑劑，進行自研磨球化混合，得到球形度良好的uo2混合物小球；
步驟3：將所述uo2混合物小球壓制成芯塊素坯后，裝入高溫氣氛燒結爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預燒，得到uo2和si多孔滲透基體；
步驟4：將所述uo2和si多孔滲透基體置于高溫熔滲爐內，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應燒結，得到互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊。
進一步地，所述步驟1中，uo2粉末的粒徑為100nm～200μm，所述硅粉末的粒徑為5～200μm，所述硅粉末的質量為uo2粉末的5～15wt.％，所述造孔劑為草酸銨，其質量為uo2粉末的0.1～6wt.％；所述潤滑劑為硬脂酸鋅，其質量為uo2粉末的0.1～0.5wt.％；所述混合的時間為6～24小時。
進一步地，所述步驟2中預壓坯的密度為4.5～6.5g/cm3，所述顆粒的粒徑為0.5～2mm，所述潤滑劑為硬脂酸鋅，其質量為所述顆粒質量的0.1～0.5wt.％，所述混合的時間為0.5～6小時。
進一步地，所述步驟3中，芯塊素坯的密度為5～6.5g/cm3；所述低溫預燒的預燒溫度為600～1000℃，保溫時間為0.5～6小時；所述多孔滲透基體的孔隙率20～50％。
進一步地，所述步驟4中高溫熔融滲透反應燒結的最高燒結溫度為1150～1350℃，保溫時間0.5～8小時。
本發明所述的一種uo2和u3si2復合燃料芯塊在商用核反應堆作為核燃料的用途。
與現有技術相比，本發明具有的有益效果為：
本發明采用高溫熔融滲透反應法制備具有特殊的互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊，該結構的復合燃料芯塊不僅具有uo2熱、化學、輻照穩定性號、熔點高等優點，同時兼具u3si2熱導率高、鈾裝載量高等優點，與傳統的uo2燃料芯塊相比，能夠在較長時間內抵抗冷卻劑喪失事故，同時還能保持或提高其在正常運行工況下的性能。
本發明方法工藝簡單，操作簡便，生產效率高，能夠實現規模化的工業生產。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明，本發明的方式包括但不僅限于以下實施例。
一種uo2和u3si2復合燃料芯塊，包括uo2和u3si2，所述u3si2為三維網格結構，并與uo2形成互穿網絡結構，所述u3si2由金屬鈾與硅反應生成，所述硅的質量為uo2的5～15wt.％。
一種uo2和u3si2復合燃料芯塊的制備方法，該制備方法采用高溫熔融滲透反應法，首先利用加熱易揮發物質作為造孔劑，與uo2粉末和硅粉末燒結制得uo2和si多孔滲透基體；再將所述多孔滲透基體與純鈾滲料在高溫狀態下反應，生成具有互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊。
進一步地，包括以下步驟：
步驟1：將uo2粉末、硅粉末、造孔劑草酸銨和潤滑劑混合均勻，得到uo2混合物粉末；
步驟2：將所述混合粉末壓制成預壓坯，然后破碎成顆粒，再將其裝入球化設備中，添加潤滑劑，進行自研磨球化混合，得到球形度良好的uo2混合物小球；
步驟3：將所述uo2混合物小球壓制成芯塊素坯后，裝入高溫氣氛燒結爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預燒，得到uo2和si多孔滲透基體；
步驟4：將所述uo2和si多孔滲透基體置于高溫熔滲爐內，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應燒結，得到互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊。
進一步地，所述步驟1中，uo2粉末的粒徑為100nm～200μm，所述硅粉末的粒徑為5～200μm，所述硅粉末的質量為uo2粉末的5～15wt.％，所述造孔劑為草酸銨，其質量為uo2粉末的0.1～6wt.％；所述潤滑劑為硬脂酸鋅，其質量為uo2粉末的0.1～0.5wt.％；所述混合的時間為6～24小時。
進一步地，所述步驟2中預壓坯的密度為4.5～6.5g/cm3，所述顆粒的粒徑為0.5～2mm，所述潤滑劑為硬脂酸鋅，其質量為所述顆粒質量的0.1～0.5wt.％，所述混合的時間為0.5～6小時。
進一步地，所述步驟3中，芯塊素坯的密度為5～6.5g/cm3；所述低溫預燒的預燒溫度為600～1000℃，保溫時間為0.5～6小時；所述多孔滲透基體的孔隙率20～50％。
進一步地，所述步驟4中高溫熔融滲透反應燒結的最高燒結溫度為1150～1350℃，保溫時間0.5～8小時。
本發明所述的一種uo2和u3si2復合燃料芯塊在商用核反應堆作為核燃料的用途。
實施例1
一種uo2和u3si2復合燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將粒徑50μm的uo2粉末，質量為uo2粉末的8wt.％、粒徑為20μm的硅粉末，質量為uo2粉末的6wt.％的造孔劑草酸銨，質量為uo2粉末0.3wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅進行混合10小時，得到uo2混合物粉末。
步驟2：將混合粉末壓制成密度6.5g/cm3的預壓坯，然后破碎成粒徑1mm的混合物顆粒，再將其裝入球化設備中，添加質量為混合物顆粒0.2wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅，進行自研磨球化混合3小時，得到球形度良好的uo2混合物小球。
步驟3：將uo2混合物小球壓制成密度6.2g/cm3的芯塊素坯，裝入高溫氣氛燒結爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預燒，預燒溫度1000℃，保溫時間3小時，得到孔隙率50.3％的uo2和si多孔滲透基體。
步驟4：將uo2和si多孔滲透基體至于高溫熔滲爐內，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應燒結，最高燒結溫度1150℃，保溫時間8小時，熔融鈾滲入uo2和si多孔滲透基體后與si充分反應形成三維網絡結構的u3si2，并與uo2基體形成特殊的互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊。
實施例2
一種uo2和u3si2復合燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將粒徑200μm的uo2粉末，質量為uo2粉末15wt.％、粒徑為200μm的硅粉末，質量為uo2粉末3wt.％的造孔劑草酸銨，質量為uo2粉末0.5wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅進行混合6小時，得到uo2混合物粉末。
步驟2：將混合粉末壓制成密度6.2g/cm3的預壓坯，然后破碎成粒徑0.5mm的混合物顆粒，再將其裝入球化設備中，添加質量為混合物顆粒0.5wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅，進行自研磨球化混合6小時，得到球形度良好的uo2混合物小球。
步驟3：將uo2混合物小球壓制成密度6g/cm3的芯塊素坯，裝入高溫氣氛燒結爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預燒，預燒溫度800℃，保溫時間6小時，得到孔隙率43.5％的uo2和si多孔滲透基體。
步驟4：將uo2和si多孔滲透基體至于高溫熔滲爐內，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應燒結，最高燒結溫度1150℃，保溫時間1小時，熔融鈾滲入uo2和si多孔滲透基體后與si充分反應形成三維網絡結構的u3si2，并與uo2基體形成特殊的互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊。
實施例3
一種uo2和u3si2復合燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將粒徑100nm的uo2粉末，質量為uo2粉末10wt.％、粒徑為5μm的硅粉末，質量為uo2粉末0.2wt.％的造孔劑草酸銨，質量為uo2粉末0.2wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅進行混合24小時，得到uo2混合物粉末。
步驟2：將混合粉末壓制成密度4.5g/cm3的預壓坯，然后破碎成粒徑2mm的混合物顆粒，再將其裝入球化設備中，添加質量為混合物顆粒0.3wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅，進行自研磨球化混合0.5小時，得到球形度良好的uo2混合物小球。
步驟3：將uo2混合物小球壓制成密度5g/cm3的芯塊素坯，裝入高溫氣氛燒結爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預燒，預燒溫度1000℃，保溫時間0.5小時，得到孔隙率38.7％的uo2和si多孔滲透基體。
步驟4：將uo2和si多孔滲透基體至于高溫熔滲爐內，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應燒結，最高燒結溫度1250℃，保溫時間2小時，熔融鈾滲入uo2和si多孔滲透基體后與si充分反應形成三維網絡結構的u3si2，并與uo2基體形成特殊的互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊。
實施例4
一種uo2和u3si2復合燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：
步驟1：將粒徑100μm的uo2粉末，質量為uo2粉末5wt.％粒徑、50μm的硅粉末、質量為uo2粉末0.1wt.％的造孔劑草酸銨，質量為uo2粉末0.1wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅進行混合12小時，得到uo2混合物粉末。
步驟2：將混合粉末壓制成密度5g/cm3的預壓坯，然后破碎成粒徑1.5mm的混合物顆粒，再將其裝入球化設備中，添加質量為混合物顆粒0.1wt.％的潤滑劑硬脂酸鋅，進行自研磨球化混合1小時，得到球形度良好的uo2混合物小球。
步驟3：將uo2混合物小球壓制成密度6.5g/cm3的芯塊素坯，裝入高溫氣氛燒結爐，在氬氣保護氣氛下進行低溫預燒，預燒溫度600℃，保溫時間4小時，得到孔隙率20.2％的uo2和si多孔滲透基體。
步驟4：將uo2和si多孔滲透基體至于高溫熔滲爐內，保持一個端面與純鈾滲料充分接觸，在氬氣氣氛保護下進行高溫熔融滲透反應燒結，最高燒結溫度1350℃，保溫時間0.5小時，熔融鈾滲入uo2和si多孔滲透基體后與si充分反應形成三維網絡結構的u3si2，并與uo2基體形成特殊的互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊。
本發明中所述的u3si2為金屬鍵化合物，依靠電子傳熱，熱導率隨溫度升高而提高，輻照環境對其熱導率影響也很小，相對于uo2具有更優異的導熱性能(600～1400k，u3si2：15～27.5w·m-1·k-1；uo2：6.0～2.9w·m-1·k-1)。u3si2的密度(12.2g/cm3)和鈾密度(11.31gu/cm3)均高于uo2(10.96g/cm3，9.66gu/cm3)，相同體積下，u3si2的鈾裝載量更高，體現了更好的運行經濟性和中子經濟性。此外，u3si2還具有良好的抗輻照和抗蒸汽氧化性能。然而，u3si2的熔點(1662℃)遠低于uo2的熔點(2865℃)，因此無法直接用作核燃料芯塊材料。
本發明采用高溫熔融滲透反應法制備具有特殊的互穿網絡結構的uo2和u3si2復合燃料芯塊，該結構的復合燃料芯塊相對于簡單的兩相混合物復合燃料芯塊，性能更加穩定，三維網絡結構的增強相為熱量的傳導提供“高速通道”，與之相交織的三維連續結構基體相可以更高的保持其優異的高溫及輻照穩定性能，并對增強相進行約束，使得復合燃料芯塊不僅具有uo2熱、化學、輻照穩定性號、熔點高等優點，同時兼具u3si2熱導率高、鈾裝載量高等優點，并使兩者的優異特性得到最大化的發揮。這種互穿網絡結構的復合燃料芯塊與傳統的uo2燃料芯塊相比，能夠在較長時間內抵抗冷卻劑喪失事故，同時還能保持或提高其在正常運行工況下的性能。
上述實施例僅為本發明的優選實施方式之一，不應當用于限制本發明的保護范圍，但凡在本發明的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色，其所解決的技術問題仍然與本發明一致的，均應當包含在本發明的保護范圍之內。