一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115862913A(43)申请公布日2023.03.28(21)申请号202211523928.9(22)申请日2022.11.30(71)申请人清华大学地址100084北京市海淀区清华园1号申请人广东工业大学(72)发明人刘荣正谭锦辉黄荣厦刘马林刘兵(74)专利代理机构广州专理知识产权代理事务所(普通合伙)44493专利代理师王允辉(51)Int.Cl.G21C21/02(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法(57)摘要本发明公开了一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法，包括配制SiC基浆料，将浆料注入模具，往SiC基浆料加入TRISO燃料颗粒，水浴固化成型制得芯块生坯，对芯块生坯进行干燥、排胶，制得定性的半制品芯块，对半制品芯块烧结，制得FCM燃料芯块。本发明通过凝胶注模成型技术制备的FCM燃料芯块表面外观良好，结构致密，表面缺陷明显少，有效提高了TRISO颗粒的体积占比，提高了FCM燃料的中子经济性；所制备的FCM燃料具有高热导率、耐腐蚀、封闭裂变产物和气体的特性，进一步提高了核反应堆的安全性；本制备方法节约了生产过程中的时间成本，提高了生产的效率，经济性好。CN115862913ACN115862913A权利要求书1/2页1.一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，配制SiC基浆料；步骤2，将SiC基浆料倒入模具并加入TRISO燃料颗粒；步骤3，加热模具制得芯块生坯；步骤4，对芯块生坯进行干燥和排胶，制得半制品生坯；步骤5，对半制品生坯进行烧结，制得FCM燃料芯块。2.根据权利要求1所述的一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法，其特征在于，步骤1中，配制SiC基浆料的子步骤为：步骤1.1，将SiC粉与烧结助剂混合形成混合粉体；其中，所述烧结助剂为氧化铝和氧化钇的混合物或氮化铝和氧化钇混合物，烧结助剂的加入量为混合粉体的5～20wt%；步骤1.2，将乙醇和水按体积比（6～7）:（3～4）的比例配制成混合溶剂，将单体和分散剂加入至混合溶剂搅拌均匀；其中，所述单体为N‑羟甲基丙烯酰胺，分散剂为聚丙烯酸铵；以混合溶剂质量为基准，单体的加入量为16～20wt%，分散剂的加入量为1～2%；步骤1.3，将混合粉体、混合溶剂、交联剂倒入球磨罐中进行球磨，得到粘稠浆料；其中混合粉体与溶剂的体积比为（3～4）:（9～10），交联剂为亚甲基双丙烯酰胺，加入量为单体质量的4～5%；步骤1.4，往球磨得到的粘稠浆料加入引发剂与催化剂，并进行真空除泡处理，得到SiC基浆料；其中所述引发剂为10wt%过硫酸铵溶液，引发剂的添加量为浆料质量的0.7～1%，催化剂为四甲基乙二胺，催化剂的添加量为浆料质量的0.04～0.6%。3.根据权利要求2所述的一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法，其特征在于，球磨时间为3～5h，球磨机转速为300～350r/min；真空除泡处理的真空度为‑0.05～‑0.1Pa，除泡时间为20～30min。4.根据权利要求1所述的一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法，其特征在于，步骤2中，模具的底面直径为30～1000mm，高度为50～100mm，加入的TRISO颗粒与SiC粉体的质量比为1:(1‑3.3)。5.根据权利要求1所述的一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法，其特征在于，步骤3中，加热模具制得芯块生坯的子步骤为：对模具进行水浴加热，水浴温度为40～45℃，水浴时间为10～15min。6.根据权利要求1所述的一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法，其特征在于，步骤4中，对芯块生坯进行干燥和排胶，制得半制品生坯的子步骤为：步骤4.1，设置干燥的温度为25～30℃，干燥湿度为60～65%RH，干燥时间24～36h；步骤4.2，设置干燥的温度为30～35℃，干燥湿度为20～25%RH，干燥时间为12～16h；步骤4.3，设置干燥的温度为80～90℃，干燥湿度为20～25%RH，干燥时间6～8h；步骤4.4，进行排胶得到半制品生坯；其中排胶工艺为二次排胶工艺，气氛为氮气，排胶的升温速率为0.2～1℃/min，最高温度为700～800℃，以最高温度保温1～2h后随炉冷却。2CN115862913A权利要求书2/2页7.根据权利要求1所述的一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法，其特征在于，步骤5中，对半制品生坯进行烧结，制得FCM燃料芯块的子步骤为：对半制品生坯进行烧结制得FCM燃料芯块，烧结方式为放电等离子烧结(SPS)或无压烧结。8.根据权利要求7所述的一种FCM燃料芯块凝胶注模成型制备方法，其特征在于，放电等离子烧结(SPS)的条件为烧结温度为155