?

美國(guó)碳化硅基體核燃料制備取得新進(jìn)展

【本刊2016年1月綜合報(bào)道】 燃料元件是反應(yīng)堆的核心部件，其性能指標(biāo)直接影響反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。盡管已經(jīng)有許多類型的核燃料，例如金屬鈾燃料、混合氧化物（MOX）燃料、氮化鈾燃料等，但全球大部分在運(yùn)商業(yè)核電機(jī)組都使用二氧化鈾（UO2）燃料，這主要是UO2燃料具有以下特點(diǎn)：①熔點(diǎn)高，②抗氧化性能強(qiáng)，③UO2特性已得到深入研究。但UO2燃料的一個(gè)主要缺點(diǎn)是導(dǎo)熱差。這導(dǎo)致反應(yīng)堆運(yùn)行期間燃料芯塊的中心溫度高及其內(nèi)部存在陡的溫度分布，進(jìn)而產(chǎn)生許多不良現(xiàn)象，包括孔隙、氧和裂變產(chǎn)物等的分布不均勻。此外，大溫度梯度引起的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致低溫區(qū)產(chǎn)生破裂或高溫區(qū)產(chǎn)生塑性變形；陡峭的溫度分布還會(huì)導(dǎo)致裂變氣體釋放，從而降低反應(yīng)堆在正常運(yùn)行及瞬時(shí)功率劇增工況下的安全性。

概況

為了消除UO2燃料的這一不足，許多研究機(jī)構(gòu)正在研究在UO2中加入高導(dǎo)熱率材料——例如碳化硅（SiC）——的方案。碳化硅在室溫下的導(dǎo)熱率是二氧化鈾的60倍。同時(shí)，它具有熱中子吸收截面低、熔點(diǎn)高、輻照性能良好、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)和制備以碳化硅為包殼或基體材料的新型燃料元件成為核燃料元件研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

目前有兩種方法可用于制備碳化硅基體材料。一種方法是將高導(dǎo)熱材料加入基體，形成一條穿過基體且連續(xù)的高導(dǎo)熱通道。提高UO2燃料導(dǎo)熱率的早期工作在很大程度上是基于這種方法，即在UO2中制造連續(xù)孔隙，然后向孔隙填充高導(dǎo)熱率的氣態(tài)或液態(tài)的前驅(qū)體，從而形成一條連續(xù)的高導(dǎo)熱通道。普渡大學(xué)基于這一方法開展了聚合物前驅(qū)體滲透/熱解工藝（PIP）研究。但實(shí)驗(yàn)證明這樣做有一定難度，因?yàn)闀?huì)發(fā)生因孔隙堵塞而導(dǎo)致連續(xù)導(dǎo)熱通道不能形成的情況。另一種方法是形成一個(gè)復(fù)合高導(dǎo)熱相，例如SiC與UO2的復(fù)合物，靠“混合法則”提高導(dǎo)熱率?！盎旌戏▌t”主要指，如果兩種材料彼此緊密接觸，則混合物的導(dǎo)熱率應(yīng)該是組成物的導(dǎo)熱率體積百分?jǐn)?shù)的平均值。

美國(guó)普渡大學(xué)、佛羅里達(dá)大學(xué)等都曾研究過碳化硅基體燃料技術(shù)：聚合物前驅(qū)體滲透/熱解和壓力燒結(jié)法均未取得成功，但放電等離子體燒結(jié)法（SPS）取得成功。

放電等離子燒結(jié)法最近在眾多研究領(lǐng)域中引人注目。盡管這種技術(shù)有許多先進(jìn)特性，但在UO2燃料或其相關(guān)復(fù)合材料的制造方面，在美國(guó)“核能大學(xué)研究計(jì)劃”開展相關(guān)研究之前沒有文獻(xiàn)報(bào)道。

在放電等離子燒結(jié)中，脈沖強(qiáng)直流電流（高達(dá)3000安培）通過粉末壓塊，在顆粒間的接觸區(qū)域進(jìn)行焦耳加熱，產(chǎn)生巨大熱量，從而在很短時(shí)間內(nèi)將它們粘接起來。通過施加壓力，可制造出外徑可控的高密度壓坯。最后，電場(chǎng)和脈沖直流電流在顆粒間的接觸處引起火花放電，消除表面的污染物和雜質(zhì)，例如顆粒表面上的CO2和H2O，從而加強(qiáng)晶界擴(kuò)散過程。

研究成果

美國(guó)能源部“核能大學(xué)研究計(jì)劃”在研究中利用放電等離子燒結(jié)法成功獲得了致密UO2-SiC復(fù)合材料。

這項(xiàng)研究采用碳化硅粉末和晶須的低溫氧化燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)兩種技術(shù)制造UO2-SiC復(fù)合材料，并且對(duì)兩種方法生產(chǎn)的復(fù)合材料在密度、UO2-SiC的微結(jié)構(gòu)及界面表征、化學(xué)反應(yīng)、晶粒大小、導(dǎo)熱率等方面進(jìn)行了比較。

其中以碳化硅粉末和晶須為添加物，1200～1600℃條件下，使用放電等離子燒結(jié)5分鐘，生產(chǎn)出的UO2-SiC復(fù)合材料擁有所需要的材料特性，如更高的密度、更好的界面接觸、更低的化學(xué)反應(yīng)性和更高的導(dǎo)熱率。在100℃、500℃和900℃分別對(duì)放電等離子燒結(jié)得到的UO2-10%（體積）SiC復(fù)合材料做了導(dǎo)熱率測(cè)量。

具體結(jié)果如下：

（1）相對(duì)于UO2，UO2-SiC復(fù)合材料的導(dǎo)熱率值最大高出62%。這些結(jié)果表明，放電等離子燒結(jié)法是獲得高密度、高導(dǎo)熱率UO2的一種有效技術(shù)。

（2）當(dāng)SiC體積百分比在5%～15%之間時(shí)，UO2-SiC芯塊導(dǎo)熱率也隨著增加；當(dāng)在15%～20%之間時(shí)，芯塊的導(dǎo)熱率差別則微乎其微。

（3）相比用氧化燒結(jié)法制造的UO2-SiC芯塊，用放電等離子燒結(jié)法制造的芯塊表現(xiàn)出較高的密度、無形成硅化鈾的化學(xué)反應(yīng)、界面接觸良好和較小的晶粒尺寸。

（4）與氧化燒結(jié)法相比，放電等離子燒結(jié)法制造的芯塊，密度要高出10%。

（5）對(duì)UO2-SiC芯塊的X射線衍射分析表明，放電等離子燒結(jié)法消除了氧化鈾與碳化硅之間的反應(yīng)。

（6）掃描電子顯微鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，放電等離子燒結(jié)法的UO2與SiC之間有更好的界面接觸。

（7）盡管放電等離子燒結(jié)法制造的UO2-SiC芯塊晶粒較小，但在未照射狀態(tài)下其導(dǎo)熱率比UO2芯塊提高了62.1%。

（8）放電等離子燒結(jié)法的燒結(jié)速率相當(dāng)高，每個(gè)芯塊燒結(jié)時(shí)間只需約30分鐘而不是8個(gè)小時(shí)。

尚需解決的問題

目前使用放電等離子燒結(jié)法生產(chǎn)致密UO2-SiC復(fù)合材料尚有兩個(gè)問題需要解決：工藝參數(shù)的優(yōu)化和潛在失效模式分析。

工藝參數(shù)的優(yōu)化

目前，尚未進(jìn)行詳細(xì)的工藝優(yōu)化研究。為了最大限度地提高UO2-SiC的導(dǎo)熱率，應(yīng)該確定放電等離子燒結(jié)法的工藝參數(shù)，如升溫速率、保持時(shí)間和壓力。必須找出碳化硅的最佳添加量。必須對(duì)SiC的最佳粒度與粒度分布以及納米顆粒、晶須或纖維的縱橫比進(jìn)行測(cè)定。需要對(duì)放電等離子燒結(jié)法做經(jīng)濟(jì)性分析、豐度要求分析和SiC的中子學(xué)影響分析。

潛在失效模式分析

在氧化燒結(jié)研究中發(fā)現(xiàn)了形成USi1.88的UO2與SiC之間的反應(yīng)。沒有證據(jù)表明，在反應(yīng)堆運(yùn)行工況下，用放電等離子燒結(jié)法生產(chǎn)的UO2-SiC復(fù)合材料在預(yù)期降低的中心線溫度下會(huì)發(fā)生這種反應(yīng)。為了保證放電等離子燒結(jié)法生產(chǎn)的UO2-SiC復(fù)合材料的導(dǎo)熱率優(yōu)點(diǎn)不會(huì)隨著燃料燃耗上升而變差，有必要做UO2-SiC復(fù)合材料芯塊輻照實(shí)驗(yàn)。研究人員擬在ATR反應(yīng)堆進(jìn)行UO2-SiC芯塊輻照。

（高金玉宋清林撰稿）