高热导率UO2/SiC纳米复合材料的原位制备及其机理研究

UO2 is the most commonly used nuclear fuel material now. The key problem of UO2 is the low thermal conductivity. The improvement of thermal conductivity could enhance the burn up and the safety of nuclear reactor, which is important for nuclear power application. Doping with SiC could effectively enhance the thermal conductivity of UO2. However, there are still two key problems which are the chemical reaction between UO2 and SiC at high sintering temperature and the poor interface contact of the two materials. Thus this project aims at to solve such two problems by in-situ fabricating nan-sized UO2/SiC composite materials via a solution method. Firstly, the decrease of UO2 size could reduce the sintering temperature, which averts the chemical reaction of UO2 and SiC. Secondly, it also improves the interface contact of UO2 and SiC. The study focuses on the growth mechanism, influence of reaction condition on the product morphology and the effects of morphology on the thermal conductivity of nan-sized UO2/SiC composite materials.

UO2是目前应用最广泛的核燃料材料，其最大的问题在于较低的热导率。UO2热导率的改进能够有效提高核燃料的燃耗并减小安全隐患，对核电产业具有重要的意义。使用SiC对UO2进行掺杂改性能够有效改进其热导率，但目前UO2的SiC掺杂存在高温下二者会发生化学反应生成副产物以及界面空隙两个关键科学问题。为此，本项目提出原位制备纳米UO2/SiC复合材料的学术思想。首先，通过UO2材料尺度的减小降低烧结温度，避免其与SiC之间的化学反应。其次，使用液相法原位制备的纳米UO2/SiC复合材料能够有效改善二者之间的界面接触。从而实现高热导率UO2/SiC复合材料燃料芯块的制备。本项目拟重点研究纳米UO2/SiC复合材料原位制备过程中的生长机理、不同反应条件对纳米UO2/SiC复合材料的形貌结构的影响规律以及纳米UO2/SiC复合材料的不同形貌结构对其热导率的影响因素及其作用机制。

发展核能是优化能源结构、解决现阶段能源与环境相互矛盾问题的重要途径。福岛事故之后，安全性成为核能的第一原则。针对目前UO2核燃料的问题，本项目提出纳米 UO2/SiC 复合材料体系，可以在有效提高热导率的同时改善芯块的力学性能和辐照稳定性，从而明显改善燃料芯块的事故容错性能，提升反应堆安全性。本项目在SiC基底上原位生长了纳米UO2颗粒，制备得到了形貌可控的UO2-SiC纳米复合材料，并通过快速烧结技术得到了UO2-SiC纳米复合芯块。该芯块具有良好的的热导率特性，能够有效提高反应堆安全性。以石墨烯为基底材料，制备得到了性能良好的UO2-石墨烯纳米复合芯块。另外，对基于传统混合方法的热导率增强型UO2芯块的快速烧结行为及热物理性能进行了系统研究，首次发现了BeO-UO2复合芯块在高温条件下的应力释放、再烧结等现象，对未来该类型芯块应用时的热工设计提供了重要的参考。系统研究了SiC增强相的含量和烧结温度对热导率的影响规律，为如何制备最适合反应堆中使用的SiC-UO2复合芯块提供了重要参考。引入了新型增强相材料Ti3SiC2，制备得到Ti3SiC2-UO2复合芯块，其在高温条件下具有优异的热导率特性，在未来具有极大的应用潜力。