CN116564562B - 一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压水堆、气冷堆和研究试验堆用弥散燃料技术领域，针对现有弥散燃料芯块铀装量低和含TRISO颗粒弥散燃料耐受极高温度能力差的问题，本发明提供了一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料及其制备方法，本发明将外致密热解炭层厚度减少至0~30μm且将TRISO颗粒中的SiC层变更为ZrC层，通过上述组合设计提高TRISO颗粒弥散燃料的整体铀装量和耐高温性能，这将有利于推广TRISO颗粒弥散燃料应用于高燃耗、高出口温度的特殊用途反应堆中，实现燃料高效、安全的运行。
Description
技术领域
本发明涉及压水堆、气冷堆和研究试验堆用弥散燃料技术领域，具体涉及一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料及其制备方法。
背景技术
当前核电技术发展的重要方向就是要提高核电***的安全性和可靠性，避免重蹈诸如日本福岛核电事故的覆辙。目前，国际上提出的一种通用耐事故燃料的结构是将具有三向同性的TRISO颗粒弥散在SiC基体材料中，利用TRISO颗粒的四层包覆层为裂变气体提供容纳空间，而且采用导热性良好、热膨胀系数小、中子吸收截面较低、与包壳和燃料兼容性极好的SiC材料作为基体材料，以提高燃料的安全特性。
弥散在SiC基体中的TRISO颗粒尽管安全特性很高，但是会导致燃料中铀装量大幅降低，从而影响整个弥散燃料的经济适用性。
目前TRISO颗粒的四层包覆层结构由内至外分别为疏松热解炭层、内致密热解炭层、SiC层和外致密热解炭层。这其中第三层SiC层是承担内外部压力、保障燃料核芯完整性的关键，但为了进一步提高反应堆的经济性，提高反应堆的出口温度是一种重要手段。SiC在1800℃会发生物项转变，由面心立方β-SiC转变为六方α-SiC，同时辐照释放的137Cs量也很高。这将不利于提高反应堆的运行温度，影响进一步推广TRISO颗粒弥散燃料的深度应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料及其制备方法，解决了弥散燃料芯块铀装量低的问题，将弥散燃料中铀装量提高7%~30%，并且解决了含TRISO颗粒弥散燃料耐受极高温度（≥1800℃）能力差的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，包括包覆燃料颗粒、基体和无燃料区，所述包覆燃料颗粒包括燃料核芯和依次包覆在所述燃料核芯外的疏松热解炭层、内致密热解炭层、ZrC层、外致密热解炭层，所述ZrC层的厚度为17~45μm，所述外致密热解炭层的厚度为0~30μm。
进一步地，所述燃料核芯为UCO核芯，直径为500~800μm。
进一步地，所述疏松热解炭层的厚度为50~120μm，所述内致密热解炭层的厚度为30~60μm。
进一步地，所述疏松热解炭层的厚度为90.7μm，所述内致密热解炭层的厚度为38.6μm，所述ZrC层的厚度为17.6μm，所述外致密热解炭层的厚度为20.9μm。
进一步地，所述燃料核芯为UN核芯，直径为500~800μm。
进一步地，所述疏松热解炭层的厚度为50~120μm，所述内致密热解炭层的厚度为30~60μm，所述外致密热解炭层的厚度为0μm。
进一步地，所述疏松热解炭层的厚度为52.2μm，所述内致密热解炭层的厚度为36μm，所述ZrC层的厚度为44.7μm。
进一步地，所述基体为SiC基体。
进一步地，在流化床中制得内致密热解炭层后，通入氢气和ZrCl4粉末，氢气的通入流量为70~380L/min，ZrCl4粉末的通入速度为70~190g/min，待氢气和ZrCl4粉末输入稳定后，通入丙烯与ZrCl4粉末进行反应，丙烯的通入流量为3~10L/min，反应时间为30~80min，反应后获得ZrC层。
进一步地，在制得ZrC层后，通入乙炔和丙烯反应获得外致密热解炭层，在颗粒流化状态下冷却至室温后卸料得到包覆燃料颗粒；或者在制得ZrC层后，直接在颗粒流化状态下冷却至室温后卸料得到包覆燃料颗粒。
与现有技术相比，本发明提供的含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料及其制备方法具有以下有益效果：
本发明将TRISO颗粒最外层的致密热解炭层厚度由40μm减至0~30μm，可以减小TRISO颗粒的直径尺寸，在同等装填体积的情况下，可以提高弥散燃料的铀装量。
以500μm的UO2核芯为例，疏松热解炭厚度为95μm，内致密热解炭厚度为40μm，SiC厚度为35μm，外致密热解炭厚度为40μm和0μm两种。两种TRISO颗粒均装填在Ф8.43mm×10.92mm的芯块中，当TRISO颗粒的装填体积占比均为40%时，外致密热解炭层厚度为0μm的燃料芯块铀装量比外致密热解炭层厚度为40μm的燃料芯块铀装量增加了30%。
本发明将TRISO颗粒中的SiC层变更为ZrC层，可以提高反应堆的运行温度及出口温度，在3540℃（ZrC层的熔点）以下ZrC层不发生相变，可以更好地保护TRISO颗粒的完整性；同时ZrC层与钯几乎不发生反应，有良好的裂变产物的包容能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例1所提供的包覆燃料颗粒的示意图；
图2为本发明实施例1所提供的弥散燃料的示意图。
附图标记说明：
1、燃料核芯；2、疏松热解炭层；3、内致密热解炭层；4、ZrC层；5、外致密热解炭层；6、TRISO颗粒；7、SiC基体；8、无燃料区。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明。
本发明提供了一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，提高了弥散燃料中的铀装量，并且提高了弥散燃料的耐高温性能。
本发明通过采用ZrC层替代TRISO颗粒中第三层SiC层，充分发挥ZrC材料优异的抗氧化性能和耐高温性能，进一步改善TRISO颗粒弥散燃料在更高运行温度下（1800℃以上）的耐高温性能，促进TRISO颗粒弥散燃料在更严苛环境中的应用。
TRISO颗粒（包覆燃料颗粒）最外层的致密热解炭层主要的作用是保护第三层并为其提供支撑力作用，这个设计主要源于TRISO颗粒最初的应用是在石墨基体上，热解炭和石墨属于同源材料，所以最外层的外致密热解炭层可以与石墨基体有很好的相容性。本发明采用ZrC层替代SiC层后，考虑到最外层热解炭的热膨胀系数与ZrC层存在较大差异，因此本发明提出两种方案进行解决，一是，减薄最外层的外致密热解炭层厚度至0μm＜外致密热解炭层厚度≤30μm，可以有效提高弥散燃料中的铀装量。30μm厚的最外层致密热解炭层是TRISO颗粒穿衣的基准厚度尺寸，在本发明中，可将30μm厚的最外层致密热解炭层作为TRISO颗粒间的间隔层，用于防止TRISO颗粒装填成型过程中相互挤压造成变形。二是，去掉最外层的外致密热解炭层，也就是说外致密热解炭层厚度为0μm，以此提高弥散燃料中的铀装量的同时还可以提高TRISO颗粒与SiC基体的导热性能的相容性。因此，本发明提供的含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料的最外层的外致密热解炭层厚度为0~30μm，即0μm≤外致密热解炭层厚度≤30μm。
因此，本发明减少外致密热解炭层厚度且将TRISO颗粒中的SiC层变更为ZrC层，通过上述组合设计可以提高TRISO颗粒弥散燃料的整体铀装量和耐高温性能，这将有利于推广TRISO颗粒弥散燃料应用于高燃耗、高出口温度的特殊用途反应堆中，实现燃料高效、安全的运行，推动更广泛的应用。
本发明中，疏松热解炭层的厚度为50~120μm，内致密热解炭层的厚度为30~60μm，ZrC层的厚度为17~45μm。
实施例1
一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，其包覆燃料颗粒如图1所示，图中由内到外依次是燃料核芯1、疏松热解炭层2、内致密热解炭层3、ZrC层4和外致密热解炭层5。
燃料核芯1的物质组成为UCO，燃料核芯1的直径为500μm。疏松热解炭层2的厚度为90.7μm，内致密热解炭层3的厚度为38.6μm，ZrC层4的厚度为17.6μm，外致密热解炭层5的厚度为20.9μm。将包覆燃料颗粒弥散在SiC基体中，整体芯块的尺寸为Ф8.566mm×12.979mm。如图2所示，弥散燃料的组成分别为TRISO颗粒6、SiC基体7和无燃料区8。
一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料的制备方法，包括下述步骤：
步骤1：UCO核芯制备。通过外凝胶以及碳热还原工艺开展UCO核芯的制备，工艺流程为：首先将5000gU3O8粉缓慢加入2200mL浓硝酸和4100mL去离子水的混合溶液中，得到硝酸铀酰溶液（HMTA）；另将2.3～2.5g六次甲基四胺和1g尿素混合配成六次甲基四胺和尿素混合溶液；将HMTA/尿素混合溶液和640g碳粉加入配置好的ADUN溶液配置成胶液。静置后的混合胶液通过分散头进行分散，其中胶液流量为12mL/min，振动频率为100～120Hz制成UO3/C凝胶球，再进行陈化、洗涤和干燥，最终在CO气氛中1700℃焙烧制备得到UCO核芯。
步骤2：TRISO颗粒制备。将3000g的UCO核芯放入流化床中，将流化床升温至1150℃，通入氩气（流量为67L/min）和乙炔（流量为175L/min），反应时间2min，获得疏松热解炭；通入乙炔（流量为60L/min）和丙烯（60L/min），反应时间10min，获得内致密热解炭；通入氢气（流量为72L/min）、ZrCl4粉末（70g/min）和丙烯（流量为3L/min），反应时间30min，获得ZrC层；通入乙炔（流量为30L/min）和丙烯（30L/min），反应时间5min，获得外致密热解炭层。包覆结束之后，在TRISO颗粒流化状态下随炉冷却，冷却至室温后从底部卸料，得到TRISO颗粒。
步骤3：燃料芯块的制备。将含有ZrC包覆层的颗粒与SiC粉末、3～7％助烧剂粉末（Al2O3和Y2O3）均匀混合，其中ZrC包覆层的颗粒体积占比为41%。使用单向压机配合钢模，将填充入钢模的复合粉末在1~1.5KN下制成生坯。将制得的生坯封装入石墨模具中，封装完成后，将石墨模具放入热压烧结炉，热压烧结炉的温度控制在1650～1750℃，在保护气氛或者真空下进行烧结；或者将石墨模具放入放电等离子烧结炉，放电等离子烧结炉温度控制在1750～1850℃，在保护气氛或者真空下进行烧结。烧结结束后取出石墨模具将弥散燃料通过脱模或者解体的方式取出，最后通过外表面磨削的方式得到含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料。
实施例2
一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，由内到外依次是燃料核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、ZrC层和外致密热解炭层。
燃料核芯的物质组成为UCO，燃料核芯的直径为650μm。疏松热解炭层的厚度为111.3μm，内致密热解炭层的厚度为41.4μm，ZrC层的厚度为27.8μm，外致密热解炭层的厚度为29.5μm。将包覆燃料颗粒弥散在SiC基体中，整体芯块的尺寸为Ф8.566mm×12.979mm。弥散燃料的组成分别为TRISO颗粒、SiC基体和无燃料区。
一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料的制备方法，包括下述步骤：
步骤1：UCO核芯制备。通过外凝胶以及碳热还原工艺开展UCO核芯的制备，工艺流程为：首先将5000gU3O8粉缓慢加入2200mL浓硝酸和4100mL去离子水的混合溶液中，得到硝酸铀酰溶液（HMTA）；另将2.3～2.5g六次甲基四胺和1g尿素混合配成六次甲基四胺和尿素混合溶液；将HMTA/尿素混合溶液和640g碳粉加入配置好的ADUN溶液配置成胶液。静置后的混合胶液通过分散头进行分散，其中胶液流量为12mL/min，振动频率为100～120Hz制成UO3/C凝胶球，再进行陈化、洗涤和干燥，最终在CO气氛中1700℃焙烧制备得到UCO核芯。
步骤2：TRISO颗粒制备。将3000g的UCO核芯放入流化床中，将流化床升温至1150℃，通入氩气（流量为60L/min）和乙炔（流量为171L/min），反应时间2min，获得疏松热解炭；通入乙炔（流量为84L/min）和丙烯（88L/min），反应时间10min，获得内致密热解炭；通入氢气（流量为216L/min）、ZrCl4粉末（123g/min）和丙烯（流量为5L/min），反应时间40min，获得ZrC层；通入乙炔（流量为75L/min）和丙烯（96L/min），反应时间7min，获得外致密热解炭层。包覆结束之后，在TRISO颗粒流化状态下随炉冷却，冷却至室温后从底部卸料，得到TRISO颗粒。
步骤3：燃料芯块的制备。将含有ZrC包覆层的颗粒与SiC粉末、3～7％助烧剂粉末（Al2O3和Y2O3）均匀混合，其中ZrC包覆层的颗粒体积占比为41%。使用单向压机配合钢模，将填充入钢模的复合粉末在1~1.5KN下制成生坯。将制得的生坯封装入石墨模具中，封装完成后，将石墨模具放入热压烧结炉，热压烧结炉的温度控制在1650～1750℃，在保护气氛或者真空下进行烧结；或者将石墨模具放入放电等离子烧结炉，放电等离子烧结炉温度控制在1750～1850℃，在保护气氛或者真空下进行烧结。烧结结束后取出石墨模具将弥散燃料通过脱模或者解体的方式取出，最后通过外表面磨削的方式得到含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料。
实施例3
一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，由内到外依次是燃料核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层和ZrC层。实施例3不在ZrC层包覆外致密热解炭层。
燃料核芯的物质组成为UN，燃料核芯的直径为800μm。疏松热解炭层的厚度为52.2μm，内致密热解炭层的厚度为36μm，ZrC层的厚度为44.7μm。将包覆燃料颗粒弥散在SiC基体中，整体芯块的尺寸为Ф21.6mm×22.2mm。弥散燃料的组成分别为TRISO颗粒、SiC基体和无燃料区。
一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料的制备方法，包括下述步骤：
步骤1：UN核芯制备。通过外凝胶、碳热还原以及氮化工艺开展UN核芯的制备，工艺流程为：首先将5000gU3O8粉缓慢加入2200mL浓硝酸和4100mL去离子水的混合溶液中，得到硝酸铀酰溶液（HMTA）；另将2.3～2.5g六次甲基四胺和1g尿素混合配成六次甲基四胺和尿素混合溶液；将HMTA/尿素混合溶液和530g碳粉加入配置好的ADUN溶液配置成胶液。静置后的混合胶液通过分散头进行分散，其中胶液流量为12mL/min，振动频率为100～120Hz制成UO3/C凝胶球，再进行陈化、洗涤和干燥，最终在N2气氛中1900℃焙烧制备得到UN核芯。
步骤2：TRISO颗粒制备。将3000g的UN核芯放入流化床中，将流化床升温至1150℃，通入氩气（流量为20L/min）和乙炔（60L/min），反应时间2min，获得疏松热解炭；通入乙炔（流量为35L/min）和丙烯（35L/min），反应时间7min，获得内致密热解炭；通入氢气（流量为380L/min）、ZrCl4粉末（185g/min）和丙烯（流量为10L/min），反应时间75min，获得ZrC层。包覆结束之后，在TRISO颗粒流化状态下随炉冷却，冷却至室温后从底部卸料，得到TRISO颗粒。
步骤3：燃料芯块的制备。将含有ZrC包覆层的颗粒与SiC粉末、3～7％助烧剂粉末（Al2O3和Y2O3）均匀混合，其中ZrC包覆层的颗粒体积占比为41%。使用单向压机配合钢模，将填充入钢模的复合粉末在1~1.5KN下制成生坯。将制得的生坯封装入石墨模具中，封装完成后，将石墨模具放入热压烧结炉，热压烧结炉的温度控制在1650～1750℃，在保护气氛或者真空下进行烧结；或者将石墨模具放入放电等离子烧结炉，放电等离子烧结炉温度控制在1750～1850℃，在保护气氛或者真空下进行烧结。烧结结束后取出石墨模具将弥散燃料通过脱模或者解体的方式取出，最后通过外表面磨削的方式得到含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料。
本发明提供的制备方法实现以含超高温包覆层ZrC层的高铀密度弥散燃料芯块的制备。通过核芯制备、含超高温包覆层的TRISO颗粒制备、生坯制备、芯块烧结等几个关键工艺方法达到制备芯块的目的。制得芯块在密度、尺寸、热物理性能、力学性能等堆外性能测试方面均能达到入堆芯块技术条件要求，制备芯块主要应用于与技术条件相对应的燃料堆，满足核燃料元件使用标准。
本发明能改善当前弥散燃料中铀装量低的问题，提升燃料的整体经济特性，本发明提高弥散燃料耐高温能力，延长燃料换料周期，加快燃料的商业化应用并可推广燃料在超高温气冷堆、气冷微堆和核热火箭发动机等方向的应用。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，包括包覆燃料颗粒、SiC基体和无燃料区，其特征在于，所述包覆燃料颗粒包括燃料核芯和依次包覆在所述燃料核芯外的疏松热解炭层、内致密热解炭层、ZrC层、外致密热解炭层，所述ZrC层的厚度为17~45μm，所述外致密热解炭层的厚度为0μm，以提高弥散燃料中的铀装量并提高所述包覆燃料颗粒与所述SiC基体的导热性能的相容性。
2.根据权利要求1所述的含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，其特征在于，所述燃料核芯为UCO核芯，直径为500~800μm。
3.根据权利要求2所述的含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，其特征在于，所述疏松热解炭层的厚度为50~120μm，所述内致密热解炭层的厚度为30~60μm。
4.根据权利要求1所述的含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，其特征在于，所述燃料核芯为UN核芯，直径为500~800μm。
5.根据权利要求4所述的含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，其特征在于，所述疏松热解炭层的厚度为50~120μm，所述内致密热解炭层的厚度为30~60μm，所述外致密热解炭层的厚度为0μm。
6.根据权利要求5所述的含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料，其特征在于，所述疏松热解炭层的厚度为52.2μm，所述内致密热解炭层的厚度为36μm，所述ZrC层的厚度为44.7μm。
7.一种制备如权利要求1至6之一的含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料的方法，其特征在于，在流化床中制得内致密热解炭层后，通入氢气和ZrCl4粉末，氢气的通入流量为70~380L/min，ZrCl4粉末的通入速度为70~190g/min，待氢气和ZrCl4粉末输入稳定后，通入丙烯与ZrCl4粉末进行反应，丙烯的通入流量为3~10L/min，反应时间为30~80min，反应后获得ZrC层。
8.根据权利要求7所述的含ZrC包覆层的高铀密度弥散燃料的制备方法，其特征在于，在制得ZrC层后，直接在颗粒流化状态下冷却至室温后卸料得到包覆燃料颗粒。
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Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03108692A (ja) * | 1989-09-22 | 1991-05-08 | Nuclear Fuel Ind Ltd | 被覆燃料粒子 |
| JP2006284489A (ja) * | 2005-04-04 | 2006-10-19 | Nuclear Fuel Ind Ltd | 高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法 |
| JP2007121128A (ja) * | 2005-10-28 | 2007-05-17 | Nuclear Fuel Ind Ltd | ガドリニウム含有重ウラン酸アンモニウム粒子およびその製造方法、並びに高温ガス炉燃料用の燃料核、高温ガス炉用の被覆粒子および高温ガス炉用燃料。 |
| RU2333553C1 (ru) * | 2007-03-23 | 2008-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч" | Микротвэл ядерного реактора |
| CN104671815A (zh) * | 2015-01-19 | 2015-06-03 | 中南大学 | 一种ZrC-TiC改性C/C-SiC复合材料及其制备方法 |
| CN106631112A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-05-10 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种空心陶瓷微球的制备方法 |
| CN107093468A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-08-25 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料及其制法和用途 |
| CN108335760A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-07-27 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种高铀装载量弥散燃料芯块的制备方法 |
| CN109671511A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-23 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种单晶高导热二氧化铀核燃料芯块的制备方法 |
| CN111489837A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-08-04 | 清华大学 | 一种含复合碳化物包覆层的包覆燃料颗粒及其制备方法 |
| CN111724919A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-29 | 清华大学 | 一种含可燃毒物包覆层的包覆燃料颗粒、芯块、燃料元件及其制备方法 |
| CN113196416A (zh) * | 2019-01-24 | 2021-07-30 | 中广核研究院有限公司 | 包覆燃料颗粒、惰性基体弥散燃料芯块和一体化燃料棒及其制造方法 |
| WO2022225611A2 (en) * | 2021-02-25 | 2022-10-27 | Oklo Inc. | Nuclear reactor fuel |
| CN115662658A (zh) * | 2022-11-07 | 2023-01-31 | 中国核动力研究设计院 | 基于三层包覆结构的燃料芯块、棒状燃料元件及其应用 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110317794A1 (en) * | 2010-06-03 | 2011-12-29 | Francesco Venneri | Nuclear fuel assembly and related methods for spent nuclear fuel reprocessing and management |
| US20120314831A1 (en) * | 2011-06-10 | 2012-12-13 | Ut-Battelle, Llc | Light Water Reactor TRISO Particle-Metal-Matrix Composite Fuel |
| US9620248B2 (en) * | 2011-08-04 | 2017-04-11 | Ultra Safe Nuclear, Inc. | Dispersion ceramic micro-encapsulated (DCM) nuclear fuel and related methods |
-
2023
- 2023-07-10 CN CN202310833235.8A patent/CN116564562B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03108692A (ja) * | 1989-09-22 | 1991-05-08 | Nuclear Fuel Ind Ltd | 被覆燃料粒子 |
| JP2006284489A (ja) * | 2005-04-04 | 2006-10-19 | Nuclear Fuel Ind Ltd | 高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法 |
| JP2007121128A (ja) * | 2005-10-28 | 2007-05-17 | Nuclear Fuel Ind Ltd | ガドリニウム含有重ウラン酸アンモニウム粒子およびその製造方法、並びに高温ガス炉燃料用の燃料核、高温ガス炉用の被覆粒子および高温ガス炉用燃料。 |
| RU2333553C1 (ru) * | 2007-03-23 | 2008-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "Луч" | Микротвэл ядерного реактора |
| CN104671815A (zh) * | 2015-01-19 | 2015-06-03 | 中南大学 | 一种ZrC-TiC改性C/C-SiC复合材料及其制备方法 |
| CN106631112A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-05-10 | 中国科学院上海应用物理研究所 | 一种空心陶瓷微球的制备方法 |
| CN107093468A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-08-25 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种ZrC惰性基弥散芯块核燃料及其制法和用途 |
| CN108335760A (zh) * | 2018-02-01 | 2018-07-27 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种高铀装载量弥散燃料芯块的制备方法 |
| CN109671511A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-04-23 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种单晶高导热二氧化铀核燃料芯块的制备方法 |
| CN113196416A (zh) * | 2019-01-24 | 2021-07-30 | 中广核研究院有限公司 | 包覆燃料颗粒、惰性基体弥散燃料芯块和一体化燃料棒及其制造方法 |
| CN111489837A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-08-04 | 清华大学 | 一种含复合碳化物包覆层的包覆燃料颗粒及其制备方法 |
| CN111724919A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-29 | 清华大学 | 一种含可燃毒物包覆层的包覆燃料颗粒、芯块、燃料元件及其制备方法 |
| WO2022225611A2 (en) * | 2021-02-25 | 2022-10-27 | Oklo Inc. | Nuclear reactor fuel |
| CN115662658A (zh) * | 2022-11-07 | 2023-01-31 | 中国核动力研究设计院 | 基于三层包覆结构的燃料芯块、棒状燃料元件及其应用 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 核电厂全陶瓷微封装弥散燃料研发;冯海宁;孟莹;王虹;;中国核电(第05期);全文 * |
| 热解炭在核能技术领域中的应用;徐世江;新型炭材料(第03期);全文 * |
| 碳化硅基新型包覆燃料颗粒的设计及制备;刘荣正;刘马林;刘兵;邵友林;;原子能科学技术(第07期);全文 * |
| 高温气冷堆包覆燃料颗粒破损率研究;朱钧国, 杨冰, 张秉忠, 徐世江, 黄***;清华大学学报(自然科学版)(第06期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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