多孔铀基合金燃料设计及制备技术

Nuclear energy utilization is one of the main ways to solve energy crisis. Magnetic confinement fusion-fission mixed reactor as the technology of transition can solve the problem of energy shortage. While design, preparation and life prediction of sub-critical fission nuclear fuel become one of the critical technology and principal condition in application of fusion-fission mixed reactor. Our group firstly use powder metallurgy process technique to perpare porous binary and ternary uranium based alloys which have the properties of high temperature phase, size and thermodynamics stability. As the previously research foundation and considering the application condition of the mixed reactor fission envelope, innovative cluster theory is used to design binary and ternary porous uranium fuel-based alloys which are prepared by smelting, powder preparation, compaction, hot rolling or hot isostatic presses method wrapping. Then radiation resistance ability of the alloys can be predicted base on the analysis with related properties of microstucture, mechanics, thermodynamics and radiation damage. This project will explore a powder metallurgy process route to prepare uranium based alloys that will lay the experiment and theory foundation for design and preparation of late-model uranium fuel-based alloys.

核能是解决能源危机的主要途径。磁约束聚变-裂变次临界混合堆能源系统作为聚变能应用的中间环节，能解决今后几十年的能源问题。而次临界裂变堆燃料的设计制造，成为混合堆应用的关键技术和先决条件之一。本研究团队在国内率先提出粉末冶金法制备多孔二元及三元铀基合金的技术路线，设计并制备高温相稳定、尺寸稳定及热力学稳定的多孔铀基合金。在此基础上，结合混合堆裂变包层工况，采用团簇理论设计二元及三元铀基合金，按照熔炼铸造-制粉-压制成型-热轧或热等静压包覆工艺路线制备含一定孔隙度的铀合金燃料材料，在分析测试相关性能的基础上，预测其抗辐照能力。研究将探索出一条粉末冶金制备铀基合金的技术路线，为我国铀基合金燃料设计及制备奠定基础。

本课题的目的是以U-Mo和U-Zr合金成分组成、相组成等材料设计为基础，设计并验证一条熔炼铸造-制粉-压制烧结-热轧或热等静压包覆的燃料元件样品制备工艺路线，制备含一定孔隙度的铀合金燃料材料，预测其抗辐照能力，力争制备出满足聚变-裂变混合堆和ADS工作环境要求的铀合金燃料材料。在实验方面，通过陶瓷坩埚合金化法，攻克了铀、钼和锆熔点和密度差异大的技术难题，制备了公斤级钼和锆含量均匀分布、杂质含量低的铀合金，然后对不同Mo和Zr含量的铀合金进行了制备和表征。通过控制粉末冶金的工艺参数，即烧结温度和时间，获得了孔隙度可控(5-30%)的多孔铀钼和铀锆合金，系统研究了孔隙度对铀合金力学性能和热力学性能的影响。研究表明，随着孔隙率的增加，样品在不同温度下的热导率呈线性下降关系，符合Loeb方程；低孔隙度的铀合金中孔隙较大，形状不规则，边缘分布有尖锐的角，并且随着密度的提高单个孔隙尺寸减小，数密度有所下降，孔隙倾向于球形化。采用热轧和热等静压方法对铀合金进行了包覆技术研究，并在不同温度区间热处理深入研究了铀锆合金与Zr-4包壳的界面相容性问题，获得了界面反应的扩散动力学等关键数据。研究表明：500℃以下铀锆合金与Zr合金相容性良好，为铀锆合金在服役工况下的界面行为给出了参考。中子辐照考核研究表明，铸态U-10Zr在燃耗达0.7%时，辐照肿胀存在各向异性，径向明显高于轴向，平均体积肿胀小于13%。在理论研究方面，使用第一原理、分子动力学、团簇理论、相场方法、CALPHAD方法，对铀钼和铀锆合金进行了计算模拟，深入研究了铀合金燃料的典型化合物基态和高温相稳定性、铀合金的辐照稳定性、气泡演化行为等基础科学问题。研究表明：铀钼和铀锆合金以及合金与包壳界面在高温及辐照条件下均存在不稳定问题，可能成为制约其应用的重要因素。本项目的研究结果进一步深化了对于铀钼和铀锆金属型核燃料稳定性的认识。课题按照任务书要求开展相关研究工作，已完成任务书要求的全部研究内容，实现了全部研究目标。