钨基氮化铀微球弥散燃料制备工艺及性能研究

金属陶瓷(CERMET)弥散燃料是目前核热推进反应堆用燃料研发热点。氮化铀(UN)微球具有高铀密度、高热导率、高填充率等特点,钨基体具有高熔点、高热导率及低线性热膨胀系数等优点,将两者结合形成的钨基氮化铀微球弥散燃料是空间核动力的理想候选材料。本文突破了碳热还原-氮化关键难点,成功制备了高纯UN微球,采用无压通氢烧结的工艺路线,实现了钨基UN弥散燃料芯块制备,研究了不同参数对UN微球和弥散燃料芯块性能的影响规律。结果表明,当碳化温度为1900℃、保温时间为8 h、氮化温度为1900℃、保温时间为3 h时,UN微球的纯度最高,达93.79%,相对密度为96%T.D.;以丙三醇为黏结剂、无水乙醇为稀释剂,对UN微球与基体钨粉进行湿混后直接装模压制,UN微球在钨基体中分布较均匀;使用氢气进行致密化烧结,在1900℃可获得95%T.D.以上致密度。对燃料芯块的性能测试表明,钨基UN芯块中的微球完整且分布均匀,微球中U、N原子比为1.04∶1,钨基体与UN微球界面粘附紧密,无分层;随着温度的升高,芯块的导热系数逐渐降低,100℃时的导热系数为182.6 W/(m·K)。

氮化铀粉末合成工艺研究

氮化铀燃料制备的关键技术之一是纯度高、烧结活性好的氮化铀粉末合成工艺技术。本文开展了以三碳酸铀酰胺(AUC)流程制备的高活性氧化铀粉末和高纯度的碳黑为主要原材料,采用碳热还原-氮化反应合成氮化铀粉末的工艺研究,初步考察了碳铀摩尔比、反应气氛以及反应温度和时间等对合成产物成分的影响。实验结果表明,采用适当的碳铀摩尔比(2.3～2.4)以及反应制度可以制备出较高纯度的氮化铀粉末。

氮化铀(UN)粉末合成工艺分析

氮化铀(UN)核燃料具有铀原子密度高、熔点高、导热性好、耐辐照、良好的液态金属相容性等特点,被认为是小型模块化反应堆及事故容错燃料的重要候选燃料。相对氧化铀核燃料,氮化铀燃料合成工艺复杂,制造及保存难度高,并且其性能随着合成工艺不同而有所差异,进而影响其在反应堆的服役性能。本文主要介绍了碳热还原氮化路线、金属氮化路线、铀氟铵化合物氮化路线、溶胶-凝胶法4种氮化铀合成工艺,并对各方法的原理、研究现状、优缺点等进行了分析,以期为氮化铀合成工艺发展提供参考。

离子轰击对氮化铀表面氧化行为的影响

采用离子氮化技术制备得到一定厚度的氮化铀层,以不同能量的氩离子轰击考察氮化铀的辐照氧化行为,并与大气中的自然氧化行为进行对比,考察材料在辐照环境下的稳定性。结果表明,氮化铀表面经氩离子轰击后,表面形貌发生了改变;氩离子轰击氧化与大气中的自然氧化行为存在差异,离子轰击增强了氮化铀表面的氧化程度,但其对氧化行为的影响主要在浅表面,大气氧化的氮化铀氧化层更厚;随着氩离子轰击能量的增加,表面氧化物含量及氧化层深度显著增加。总体而言,氩离子辐照对氮化铀层的影响随深度的增加而减弱,并不影响氮化铀的整体稳定性。

氮化铀热中子截面的第一性原理计算

氮化铀(UN)因其较好的热物性和耐事故容错性成为先进动力堆的候选燃料,但目前热能区缺少可靠的UN热中子截面数据,这对于热中子反应堆物理计算是很不利的.本文基于量子力学的第一性原理,利用VASP/PHONON软件模拟计算了UN的声子态密度,以此为积分得到UN的定容比热容,并基于新制作的声子态密度,采用核截面处理程序NJOY/LEAPR,利用热中子散射理论,得到UN的S(α,β)数据,进而研究UN的热中子散射截面,并与传统压水堆的二氧化铀(UO_2)进行对比.结果表明:优化的晶格参数与数据库符合较好,UN声子态密度的声子项和光子项较UO_2的分隔更加明显,定容比热容计算结果与实验值一致,基于该声子态密度计算得到的UN中238U的非弹性散射和弹性散射截面比相同温度下UO_2中～(238)U小,UN中N仅考虑了非相干散射部分,随着温度升高,UN弹性散射截面变小,非弹性散射变大,并在高能段趋于自由核散射截面.本文的研究结果填补了UN热中子截面数据的缺失,为下一步系统研究UN燃料在轻水堆中的中子学性能奠定了基础.

氮化铀燃料粉末及芯块制备技术研究

氮化铀(UN)燃料作为高铀密度燃料之一,已成为未来空间堆动力、空间核电源、核动力火箭的首选燃料之一。本文采用金属铀氢化脱氢-氮化脱氮及热压烧结工艺制备得到UN粉末和芯块,探究了粉末粒度对燃料芯块性能的影响。结果表明,制备得到的UN粉末为单相UN,形貌为不规则的非球形,有利于芯块制备过程中粉末间的相互填充和机械啮合;不同粒度UN粉末热压烧结制备的UN芯块,物相检测结果均为单相UN,当粉末粒度为-100~+200目时,芯块密度、铀密度及压溃强度最高,分别为13.78 g/cm^(3)(96.23%T.D.)、12.99 g/cm^(3)和175.4 MPa;-50~+100目粉末次之,-200目粉末最次;对-100~+200目和-50~+100目粉末所制UN芯块进行热物理性能对比,-100~+200目粉末制备芯块热扩散系数较大,热膨胀系数则两者相近。

一氮化铀质量热容的第一性原理计算

基于第一性原理,采用VASP/PHONON软件模拟计算了0~3000 K下一氮化铀的质量热容,并对质量热容的构成进行了分析。结果表明,晶格振动质量热容是构成质量定容热容的基础,膨胀质量热容、电子质量热容和点缺陷质量热容是对质量定压热容额外的贡献,并且随着温度的升高,膨胀质量热容、电子质量热容和点缺陷质量热容均近似线性增加;质量定压热容在300~1500 K下与文献中的实验值符合较好,但在1500 K以上,由于引入点缺陷质量热容,造成计算结果与文献中的实验值偏差较大。

氮化铀燃料元件性能分析程序初步开发

通过增加氮化铀(UN)燃料芯块的物性、裂变气体释放和肿胀等分析模型,基于FRAPCON-3.5程序进行了二次开发,使其具备了UN燃料元件分析能力,与国外研究人员开发的FRAPCON-EP程序温度计算结果对比表明程序计算基本可信。使用该程序分析了相同运行工况下UN与UO2燃料元件的堆内性能,计算结果表明,UN燃料能够有效降低燃料温度与元件内压,与UO2燃料相比有更高的安全裕度。

UN基事故容错高铀密度核燃料芯块研究进展

福岛核事故之后,为了提高轻水堆运行的安全性和经济性,高铀密度核燃料芯块(高铀密度芯块)成为事故容错燃料(ATF)的重要研究内容之一。然而,高铀密度芯块应满足的最基本准则、表征其核心性能的有效指标、研发中需要解决的重要问题等关键性、基础性问题尚未理清。本文从最初作为ATF燃料的U_(3)Si_(2)的研究进展入手,分析高铀密度芯块研发的内在逻辑,总结出最基本准则及其有效表征指标;从UN基高铀密度芯块的研究进展梳理研发的方向和需要解决的关键问题,为高铀密度芯块开展基础研究、性能实验和关键技术攻关提供有益参考。

铀的双原子分子化合物的势能函数和热力学性质

应用原子分子反应静力学基本原理和相对论有效原子实的量子力学abinitio计算方法 ,系统地研究了铀的双原子分子化合物UX (X =O、H、C、N)的平衡结构和离解能 ,确定了其正确的电子状态和合理的离解极限 ,拟合出双原子分子的Murrell Sorbie势能曲线 ,在此基础上导出光谱数据和力常数 。

同位素浓缩氮化物在核反应堆中的锕系元素燃料中的使用

本发明提供一种包括譬如氮化铀的锕系元素氮化物的核燃料，适合在核反应堆中使用，包含基本上基于热裂变的核反应堆，譬如轻和重水或气体冷却核反应堆。

美企为空间核推进计划提供TRISO燃料

【美国超安全核公司网站2023年6月13日报道】美国超安全核公司(USNC)已向国家航空航天局空间核推进计划交付一批三元结构各向同性(TRISO)燃料颗粒。这批颗粒的内核为氮化铀,拥有三个涂层,从内之外分别为碳化锆、热解碳和多孔碳缓冲层。这是航空航天局首次接收内核为氮化铀的燃料颗粒。

铀氮化物晶体结构及电子结构

铀氮化物因其独特的物理化学性质及优良的性能而成为核燃料循环系统中重要的燃料材料,是核领域的研究热点材料之一。此外,铀氮化物也被用作抗腐蚀涂层材料,在金属铀的表面腐蚀防护领域具有重要的应用价值。在铀-氮体系中,五种结构铀氮化物,包括NaCl型UN、HgIn型UN、Mn_2O_3型α-U_2N_3、La_2O_3型β-U_2N_3和CaF_2型UN_2,已经被确认并进行了广泛研究。但是到目前为止,由于铀氮化物复杂的非化学计量比问题,导致对上述物相之间的转化关系的认识仍不清楚;而不同化学计量比的铀氮化物由于其电子结构的差异,使得其基本物理化学性质发生了根本的变化。有关铀氮化物晶体结构和电子结构方面的研究是探讨其优异性能起因的第一步,因此引起研究者的广泛关注。本文在归纳和分析大量文献的基础上,结合本课题组在铀氮化物相关方面的研究成果,着重介绍铀氮化物晶体结构和电子结构方面的主要进展,并对铀氮化物相结构的转化规律以及电子结构的演化规律进行总结,以期为铀氮化物的实验研究和功能应用提供参考。

UN、UN_2分子的结构和势能函数

用相对论有效原子实势 (RECP)和密度泛函 (B3LYP)方法对UN和UN2 分子的结构进行优化 ,得到了它们的平衡几何构型和谐振频率。采用最小二乘法拟合出UN分子的Murrell Sorbie势能函数 ,在此基础上推导出光谱数据和力常数 ;并通过多体展式理论导出UN2 分子的势能函数 ,正确地反应了其平衡构型特征。

贫铀表面激光氮化层的结构和氧化动力学研究

为了研究激光氮化对金属铀表面结构和性质的影响,利用X射线衍射结合原位高温反应器,研究了不同激光氮化工艺后的贫铀表面结构,并对不同温度下UN的氧化过程进行了原位XRD实验分析,获得了相应条件下的氧化动力学曲线。结果显示,激光扫描速率对贫铀表面氮化层的相结构有显著影响,较快的扫描速率能够获得单一的UN结构,较慢的扫描速率将获得UN和U_2N_3的双相混合层。氧化动力学实验表明,表面激光氮化制备的UN层对基材有很好的保护作用,能够显著降低金属铀的氧化腐蚀速率。较低的温度下UN层的氧化非常缓慢,温度升至180℃以上时氧化速率明显加快,其氧化动力学曲线与贫铀有明显差异,文中对此现象和氮化层的氧化机制进行了分析和讨论。

氮化铀薄膜的制备及性能研究

开展了氮化铀薄膜射频制备及薄膜性能研究,通过优化氮化铀薄膜的制备工艺条件,成功在Si基片上制备了氮化铀薄膜,并利用扫描电镜、原子力显微镜、X射线电子衍射、俄歇电子能谱仪和X射线光电子能谱对氮化铀薄膜进行了表面形貌和结构组分分析。结果表明:利用射频磁控沉积法制备的氮化铀薄膜为比较平整和致密的U2N3和UNxOy的混合相组成,具有一定的抗氧化腐蚀性能。

基于(NH_(4))_(4)CeF_(8)的CeN纳米多晶干法合成工艺的研究

以二氧化铈、氟化氢铵为原料,在n(二氧化铈)∶n(氟化氢铵)=1∶6、反应温度为120℃、反应时间为4 h的条件下,获得铈的氟氨化合物(NH_(4))_(4)CeF_(8);以高纯氨气为氮源,分别对铈的氟氨化合物(NH_(4))_(4)CeF_(8)及其分解产物氟化铈进行氮化,获得了氮化铈纳米多晶粉末产品;考察了氮化反应过程中反应温度、反应时间等工艺条件对氮化产物形貌及颗粒大小的影响。结果表明,铈的氟氨化合物(NH_(4))_(4)CeF_(8)在高纯氨气中氮化的最佳实验条件为:反应温度为1000℃、反应时间为70 h,此时产物氮化铈为(100±10)nm的多层纳米网络结构;而氟化铈在高纯氨气中氮化的最佳实验条件为:反应温度为1000℃、反应时间为60 h,此时产物氮化铈为(50±5)nm的纳米片状结构。

FeCrAl-UN燃料棒性能模拟分析

FeCrAl包壳和UN芯块作为耐事故燃料(ATF)的重要选项,需要对其在压水堆环境中的性能进行分析。本文基于国内外最新的FeCrAl包壳和UN燃料物性数据和行为模型,对燃料性能分析程序FUPAC进行了二次开发,从而对不同线功率密度下FeCrAl/UN、FeCrAl/UO_(2)、Zr-4/UN和Zr-4/UO_(2)燃料棒堆内性能进行分析。通过对比,FeCrAl/UN燃料棒在芯块温度、裂变气体释放、燃料棒内压等方面具备良好性能,但由于FeCrAl包壳的蠕变率低,一旦包壳-芯块间隙闭合,包壳应力迅速增加,该现象需要在后续研究中加以关注。