權(quán)利要求書： 1.一種二氧化鈾單晶/納米金剛石核燃料芯塊的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、采用電解方法制備提供一種粒徑為200~800μm的UO2單晶；

S2、UO2單晶熱處理：將步驟S1制備的UO2單晶經(jīng)過超聲清洗除去雜質(zhì)，自然晾曬后裝入坩堝，在燒結(jié)爐內(nèi)進行高溫退火，UO2單晶高溫處理溫度為1750℃，升/降溫速率為5℃/min，保溫時間為8h，燒結(jié)氣氛為Ar，獲得結(jié)構(gòu)完整的UO2單晶顆粒；

S3、UO2單晶涂層包覆：將步驟S2制備的UO2單晶顆粒過篩處理，選取粒徑在200~600μm之間的UO2單晶顆粒，采用化學氣相沉積的方法在UO2單晶顆粒表面涂覆一層熱解炭涂層，得到包覆型UO2單晶顆粒，包覆氣體為乙炔及Ar，溫度為1500℃，時間為0.8h，所述熱解炭涂層的厚度為10μm；

S4、粉體混合：將步驟S3制備的包覆型UO2單晶顆粒、粒徑為0.1~1μm的納米金剛石粉體與燒結(jié)劑按照一定的體積比放入混料罐內(nèi)密封混合，單晶UO2顆粒的體積含量為90%，納米金剛石粉體的粒徑范圍為0.01 10μm，燒結(jié)劑為阿克蠟，燒結(jié)劑的用量為0.5wt%；

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S5、裝料：根據(jù)模具尺寸，裁剪適當?shù)奶細?，表面噴涂氮化硼噴劑，放置于干燥箱烘干，氮化硼噴劑的烘干溫度?00℃，烘干時間30min，將噴涂氮化硼噴劑的碳氈墊于模具內(nèi)側(cè)及兩端，緩緩加入步驟S4制備的混合粉體，不斷振動搖晃，避免混合物分層聚集，必要時可通過壓片機加壓；以及S6、致密化燒結(jié)：將壓制好的模具進行放電等離子體快速燒結(jié)，燒結(jié)條件為燒結(jié)溫度

1500℃，保溫時間為20min，升溫速率為100℃/min，燒結(jié)壓力80MPa，燒結(jié)氣氛為Ar，即可獲得一種二氧化鈾單晶/納米金剛石復(fù)合燃料芯塊。

2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法制備得到的二氧化鈾單晶/納米金剛石核燃料芯塊。

說明書： 一種二氧化鈾單晶/納米金剛石復(fù)合燃料及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于核電技術(shù)領(lǐng)域，目的在于解決現(xiàn)有二氧化鈾(UO2)芯塊熱導(dǎo)率低的問題，具體涉及一種二氧化鈾單晶/納米金剛石復(fù)合燃料及其制備方法。背景技術(shù)[0002] 二氧化鈾(UO2)燃料芯塊具有熔點高、高溫穩(wěn)定性好、化學穩(wěn)定性好和輻照穩(wěn)定性好的優(yōu)點，大量使用在現(xiàn)有商業(yè)反應(yīng)堆中。但隨著反應(yīng)堆的運行及燃耗的加深，燃料芯塊中心溫度過高，氧化鈾熱導(dǎo)率小而造成燃料溫度梯度過大，從而影響燃料的安全。2011年日本福島核電事故的發(fā)生，揭示了現(xiàn)有核燃料元件面對重大事故的固有安全性不足，暴露了目前在世界上廣泛應(yīng)用的二氧化鈾?鋯(UO2?Zr)輕水堆燃料體系在抵抗嚴重事故方面存在重大風險。[0003] 提高燃料在設(shè)計基準事故和嚴重事故情況下的安全性，同時提高燃料在正常工況下的性能，是亟待解決的問題。在不改變反應(yīng)堆設(shè)計的前提下，針對現(xiàn)有核燃料形式進行改進，提高二氧化鈾燃料的熱導(dǎo)率等關(guān)鍵指標，是目前主要的研究方向之一。發(fā)明內(nèi)容[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種二氧化鈾單晶/納米金剛石復(fù)合燃料及其制備方法，從而解決目前世界上廣泛應(yīng)用的二氧化鈾燃料由于熱導(dǎo)率小而影響燃料的安全，在抵抗嚴重事故方面存在重大風險的問題。[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種二氧化鈾單晶/納米金剛石核燃料芯塊的制備方法，包括以下步驟：S1、提供一種UO2單晶；S2、UO2單晶熱處理：將步驟S1制備的UO2單晶經(jīng)過超聲清洗除去雜質(zhì)，自然晾曬后裝入坩堝，在燒結(jié)爐內(nèi)進行高溫退火，獲得結(jié)構(gòu)完整的UO2單晶顆粒；S3、UO2單晶涂層包覆：將步驟S2制備的UO2單晶顆粒過篩處理，選取一定粒徑的UO2單晶顆粒，采用化學氣相沉積的方法在UO2單晶顆粒表面涂覆一層熱解炭涂層，得到包覆型UO2單晶顆粒；S4、粉體混合：將步驟S3制備的包覆型UO2單晶顆粒、納米金剛石粉體與燒結(jié)劑按照一定的體積比放入混料罐內(nèi)密封混合；S5、裝料：根據(jù)模具尺寸，裁剪適當?shù)奶細?，表面噴涂氮化硼噴劑，放置于干燥箱烘干，將噴涂氮化硼噴劑的碳氈墊于模具內(nèi)側(cè)及兩端，緩緩加入步驟S4制備的混合粉體，不斷振動搖晃，避免混合物分層聚集，必要時可通過壓片機加壓；以及S6、致密化燒結(jié)：將壓制好的模具進行放電等離子體快速燒結(jié)，即可獲得一種二氧化鈾單晶/納米金剛石復(fù)合燃料芯塊。[0007] 步驟S1中，所述UO2單晶采用電解方法制備。根據(jù)該電解法，可采用的原料包括氯化鈾酰或氟化鈾酰。[0008] 優(yōu)選地，步驟S2中，UO2單晶高溫處理溫度為1200℃～1800℃，升/降溫速率為3～20℃/min，保溫時間為2～10h，燒結(jié)氣氛為Ar。

[0009] 優(yōu)選地，步驟S3中，選取的UO2單晶的粒徑為50～800μm，優(yōu)選為100～600μm，更優(yōu)選為200～600μm。[0010] 優(yōu)選地，步驟S3中，包覆氣體為乙炔及Ar，溫度為1300～1600℃，時間為0.5～3h，所述熱解炭涂層的厚度為10～50μm。[0011] 優(yōu)選地，步驟S4中，納米金剛石粉體的粒徑范圍為0.01～10μm。[0012] 優(yōu)選地，步驟S4中，單晶UO2顆粒的體積含量>80％，燒結(jié)劑為阿克蠟或硬脂酸鋅，燒結(jié)劑的用量為0.05wt％～0.5wt％。[0013] 優(yōu)選地，步驟S4中，混料罐為四氟罐或尼龍罐，混料時間1～12h。[0014] 優(yōu)選地，步驟S5中，氮化硼噴劑的烘干溫度為200～300℃，烘干時間5～30min。[0015] 優(yōu)選地，步驟S6中，燒結(jié)條件為燒結(jié)溫度1300℃～1500℃，保溫時間為5～30min，升溫速率為50～150℃/min，燒結(jié)壓力40～100MPa，燒結(jié)氣氛為Ar。[0016] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種根據(jù)上述制備方法制備得到的二氧化鈾單晶/納米金剛石核燃料芯塊。[0017] 本發(fā)明的目的是獲得熱導(dǎo)率較高的復(fù)合芯塊，熱導(dǎo)率與芯塊本征性質(zhì)及密度相關(guān)，為了提高熱導(dǎo)率需要從兩方面入手，一是提高芯塊本征熱學性質(zhì)，采用氧化鈾單晶替代普通氧化鈾粉末，添加熱導(dǎo)率更高的納米金剛石；二是盡可能地提升添加了金剛石的芯塊的密度。根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法，其中，步驟1)是從根本上采用氧化鈾單晶作為原料；步驟2)用于提高單晶的晶體結(jié)構(gòu)性能，進一步提升熱導(dǎo)率；步驟3)是相對比較重要的環(huán)節(jié)，因為單晶顆粒直接與金剛石顆?；旌蠠Y(jié)時，燒結(jié)壓力過低則芯塊不容易成型，密度較低，進而熱導(dǎo)率較低；燒結(jié)壓力過大時單晶顆粒會破碎，熱導(dǎo)率也會降低，因此包裹一層包覆層，燒結(jié)壓力大時會起到一個緩沖作用，阻止單晶顆粒破損。步驟4)的關(guān)鍵是混合均勻，并且對添加的金剛石有一個含量限制，不可能為了增加熱導(dǎo)率無止境的降低氧化鈾含量，需要根據(jù)密度對金剛石的裝載量有一個限定。步驟5)的作用是阻止燒結(jié)粉體與模具反應(yīng)粘連，造成脫模困難及芯塊破裂。步驟6)也是相對比較重要的環(huán)節(jié)，對燒結(jié)條件做了一定的限制，因為燒結(jié)時間過短、燒結(jié)溫度過低、燒結(jié)壓力過小，最終芯塊的密度會比較低，造成熱導(dǎo)率降低。燒結(jié)時間過長、壓力過大以及溫度過高，會造成氧化鈾單晶與石墨反應(yīng)，生成別的雜質(zhì)相。根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法流程如圖1所示。

[0018] 本發(fā)明的關(guān)鍵發(fā)明點在于，隨著晶粒尺寸的增加，UO2的熱導(dǎo)率呈現(xiàn)出增大的趨勢。針對于此，本發(fā)明采用大粒徑UO2單晶替代傳統(tǒng)的UO2芯塊，提高UO2芯塊的導(dǎo)熱能力，另外，在UO2基體中添加一定量高熱導(dǎo)第二相，從而獲得高熱導(dǎo)率燃料芯塊，并且此方法對工業(yè)體系改動較小，是提升現(xiàn)有反應(yīng)堆經(jīng)濟性及安全性的一種重要途徑。根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于大晶粒氧化鈾單晶的復(fù)合燃料芯塊的制備方法，通過該方法可明顯改善燃料芯塊的熱導(dǎo)率，進而提升二氧化鈾燃料芯塊的安全性。由于上述技術(shù)方案的采用，基于本發(fā)明可以制備密度大于>95％，熱導(dǎo)率有較大提升的二氧化鈾單晶/納米金剛石復(fù)合燃料芯塊。[0019] 綜上所述，本發(fā)明主要針對現(xiàn)有二氧化鈾?鋯(UO2?Zr)輕水堆燃料體系的不足，制備熱導(dǎo)率高、輻照穩(wěn)定性好的燃料，通過在大尺寸單晶顆粒上包覆碳涂層，解決大尺寸單晶顆粒與納米金剛石粉體直接燒結(jié)致密性差的問題，獲得密度大于>95％TD的燃料芯塊。通過放電等離子體快速燒結(jié)，解決高溫燒結(jié)過程中氧化鈾與金剛石反應(yīng)的問題，減少芯塊中UC等雜質(zhì)相的產(chǎn)生。通過單晶和金剛石增大芯塊的熱導(dǎo)率，進而大幅度提升氧化鈾核芯熱導(dǎo)率，增加燃料芯塊的安全性。[0020] 總之，根據(jù)本發(fā)明提供的方法，明顯改善了燃料芯塊的熱導(dǎo)率，進而提升了二氧化鈾燃料芯塊的安全性，解決了目前世界上廣泛應(yīng)用的二氧化鈾燃料由于熱導(dǎo)率小而影響燃料的安全，在抵抗嚴重事故方面存在重大風險的問題。附圖說明[0021] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的二氧化鈾單晶/納米金剛石復(fù)合燃料芯塊的制備方法流程示意圖；[0022] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例2制備的二氧化鈾單晶/納米金剛石復(fù)合燃料芯塊熱導(dǎo)率與標準氧化鈾芯塊熱導(dǎo)率的對比圖。具體實施方式[0023] 以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明做進一步說明。應(yīng)理解，以下實施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限制本發(fā)明的范圍。[0024] 實施例1：[0025] 1)以氟化鈾酰為原料，采用電解的方法，制備出粒徑為50～300μm的UO2單晶，減壓蒸餾后，用去離子水超聲洗滌，自然干燥。在1300℃，Ar氣氛高溫退火，升降溫速率為20℃/min，保溫2h。[0026] 2)在篩取100～300μm自制的UO2單晶，在CD爐中以Ar載帶乙炔，在1300℃下獲得包覆UO2單晶，包覆時間為1.2h，包覆層厚度20μm。[0027] 3)將包覆好的6.88gUO2單晶、0.55g粒徑為40nm納米金剛石粉末以及0.1％wt阿克蠟加入至聚四氟罐內(nèi)，均勻攪拌1h。[0028] 4)在碳氈表面噴涂氮化硼噴劑，置于干燥箱內(nèi)200℃烘干30min，墊放于模具內(nèi)側(cè)及兩端，將混合物緩緩分次加入，預(yù)壓，最終將約7.45g混合物全部加入石墨模具。[0029] 5)采用放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)溫度1300℃，保溫時間為5min，升溫速率為100℃/min，燒結(jié)壓力50MPa，燒結(jié)氣氛為Ar。[0030] 6)降溫后按照芯塊尺寸磨削，獲得UO2單晶?納米金剛石復(fù)合燃料芯塊。[0031] 實施例2：[0032] 1)以氯化鈾酰為原料，采用電解的方法，制備出粒徑為200～800μm的UO2單晶，去離子水清洗三遍，真空干燥箱100℃干燥。[0033] 2)采用去離子水超聲清洗去除雜質(zhì)，100℃烘干，在1750℃下高溫退火，燒結(jié)氣氛為Ar，升降溫速率為5℃/min，保溫時間為8h。[0034] 3)篩取200～600μm自制的UO2單晶，在CD爐中以氬氣載帶乙炔，在1500℃下包覆0.8h，獲得包覆UO2單晶，包覆層厚度約10μm。

[0035] 4)將包覆好的7.74gUO2單晶、0.28g粒徑為0.1～1μm納米金剛石粉末以及0.5％wt阿克蠟加入至聚四氟罐內(nèi)，均勻攪拌2h。單晶UO2顆粒體積含量為90％。[0036] 5)在碳氈表面噴涂氮化硼噴劑，置于干燥箱內(nèi)200℃烘干30min，墊放于模具內(nèi)側(cè)及兩端，將混合物緩緩分次加入，預(yù)壓，最終將約8g混合物全部加入石墨模具。[0037] 6)采用放電等離子體燒結(jié)，燒結(jié)溫度1500℃，保溫時間為20min，升溫速率為100℃/min，燒結(jié)壓力80MPa，燒結(jié)氣氛為Ar。[0038] 7)降溫后按照芯塊尺寸磨削，獲得UO2單晶?納米金剛石復(fù)合燃料芯塊，復(fù)合燃料芯塊密度為96.7％TD。[0039] 如圖2所示，根據(jù)該優(yōu)選實施例制備的二氧化鈾單晶/納米金剛石核燃料芯塊，其熱導(dǎo)率相對二氧化鈾單晶有了明顯提升。[0040] 以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護范圍。本發(fā)明未詳盡描述的均為常規(guī)技術(shù)內(nèi)。