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美國碳化硅基體核燃料制備取得新進展

【本刊2016年1月綜合報道】 燃料元件是反應堆的核心部件，其性能指標直接影響反應堆的安全性和經(jīng)濟性。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，但全球大部分在運商業(yè)核電機組都使用二氧化鈾（UO2）燃料，這主要是UO2燃料具有以下特點：①熔點高，②抗氧化性能強，③UO2特性已得到深入研究。但UO2燃料的一個主要缺點是導熱差。這導致反應堆運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力會導致低溫區(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導致裂變氣體釋放，從而降低反應堆在正常運行及瞬時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，許多研究機構正在研究在UO2中加入高導熱率材料——例如碳化硅（SiC）——的方案。碳化硅在室溫下的導熱率是二氧化鈾的60倍。同時，它具有熱中子吸收截面低、熔點高、輻照性能良好、化學穩(wěn)定性好等特點。因此，設計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域的新熱點。

目前有兩種方法可用于制備碳化硅基體材料。一種方法是將高導熱材料加入基體，形成一條穿過基體且連續(xù)的高導熱通道。提高UO2燃料導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)的高導熱通道。普渡大學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。但實驗證明這樣做有一定難度，因為會發(fā)生因孔隙堵塞而導致連續(xù)導熱通道不能形成的情況。另一種方法是形成一個復合高導熱相，例如SiC與UO2的復合物，靠“混合法則”提高導熱率?！盎旌戏▌t”主要指，如果兩種材料彼此緊密接觸，則混合物的導熱率應該是組成物的導熱率體積百分數(shù)的平均值。

美國普渡大學、佛羅里達大學等都曾研究過碳化硅基體燃料技術：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域中引人注目。盡管這種技術有許多先進特性，但在UO2燃料或其相關復合材料的制造方面，在美國“核能大學研究計劃”開展相關研究之前沒有文獻報道。

在放電等離子燒結(jié)中，脈沖強直流電流（高達3000安培）通過粉末壓塊，在顆粒間的接觸區(qū)域進行焦耳加熱，產(chǎn)生巨大熱量，從而在很短時間內(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，從而加強晶界擴散過程。

研究成果

美國能源部“核能大學研究計劃”在研究中利用放電等離子燒結(jié)法成功獲得了致密UO2-SiC復合材料。

這項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)兩種技術制造UO2-SiC復合材料，并且對兩種方法生產(chǎn)的復合材料在密度、UO2-SiC的微結(jié)構及界面表征、化學反應、晶粒大小、導熱率等方面進行了比較。

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、更低的化學反應性和更高的導熱率。在100℃、500℃和900℃分別對放電等離子燒結(jié)得到的UO2-10%（體積）SiC復合材料做了導熱率測量。

具體結(jié)果如下：

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

（2）當SiC體積百分比在5%～15%之間時，UO2-SiC芯塊導熱率也隨著增加；當在15%～20%之間時，芯塊的導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反應、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。

（6）掃描電子顯微鏡觀測發(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)速率相當高，每個芯塊燒結(jié)時間只需約30分鐘而不是8個小時。

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復合材料尚有兩個問題需要解決：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，尚未進行詳細的工藝優(yōu)化研究。為了最大限度地提高UO2-SiC的導熱率，應該確定放電等離子燒結(jié)法的工藝參數(shù)，如升溫速率、保持時間和壓力。必須找出碳化硅的最佳添加量。必須對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行測定。需要對放電等離子燒結(jié)法做經(jīng)濟性分析、豐度要求分析和SiC的中子學影響分析。

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。沒有證據(jù)表明，在反應堆運行工況下，用放電等離子燒結(jié)法生產(chǎn)的UO2-SiC復合材料在預期降低的中心線溫度下會發(fā)生這種反應。為了保證放電等離子燒結(jié)法生產(chǎn)的UO2-SiC復合材料的導熱率優(yōu)點不會隨著燃料燃耗上升而變差，有必要做UO2-SiC復合材料芯塊輻照實驗。研究人員擬在ATR反應堆進行UO2-SiC芯塊輻照。

（高金玉宋清林撰稿）