專利名稱：一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種可燃毒物燃料及其制備方法， 具體涉及一種含B和Gd的整體型復(fù) 合可燃毒物燃料及制備方法。
背景技術(shù)：
對高燃耗燃料組件而言，由于其使用周期長、可裂變元素豐度較高，在新燃料組件 入堆時，合理使用可燃毒物來展平堆芯中子注量分布，實現(xiàn)長周期反應(yīng)性控制和慢化劑的 負溫度系數(shù)控制，從而提高堆芯壽命是必需的。國內(nèi)外用于壓水堆堆芯的可燃毒物主要有 兩類，一類屬于離散型，再一類與燃料結(jié)合在一起，可簡稱為整體型。離散型可燃毒物主要 有包容在不銹鋼包殼內(nèi)的硼硅酸鹽玻璃管以及由環(huán)狀氧化鋁-碳化硼(B4C-Al2O3芯塊)包 在兩層同心鋯合金管內(nèi)組成的通水環(huán)狀可燃吸收棒，簡WABA棒。整體燃料可燃吸收體有兩 種，即以二硼化鋯(ZrB2)薄層涂覆在燃料芯塊表面上的涂層整體燃料可燃毒物吸收體，簡 稱ZrB2-IFBA和以稀土氧化物，例如氧化釓(Gd2O3)或氧化鉺(Er2O3)彌散在二氧化鈾(UO2) 燃料中的燒結(jié)體。為進一步降低運行成本，單靠B、Gd、Er等一種可燃毒物都難以控制剩余 反應(yīng)性，因為過多使用單一一種中子吸收材料如Gd，會給UO2基體燃料的堆內(nèi)運行性能帶 來不利影響(例如，其導(dǎo)熱性能下降，同時剩余反應(yīng)性提高，U利用率降低等)，因此，新型 復(fù)合可燃毒物吸收體的研制以及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)成為各國研究方向。公開的文獻中介紹了 幾種復(fù)合整體型可燃毒物燃料，如U02、Gd2O3與B4C形成的整體型燒結(jié)可燃料毒物燃料、在 UO2-Gd2O3[或表示為(U，Gd) O2]燒結(jié)芯塊上化學(xué)氣相沉積BN以及B的整體型復(fù)合可燃毒 物燃料、在U02-Er203燒結(jié)芯塊上磁控濺射涂覆ZrB2的整體型復(fù)合可燃毒物燃料、含Er2O3 和Gd2O3的雙層燃料芯塊(外部的環(huán)狀殼層為U02-Er203、內(nèi)部的柱狀芯體為UO2-Gd2O3)等。 兩種可燃毒物同時復(fù)合在同一燃料芯塊上的工藝技術(shù)有U02、Gd203與B4C混合燒結(jié)技術(shù)、 UO2-Gd2O3 [或表示為(U，Gd) O2]燒結(jié)芯塊上沉積BN以及B的化學(xué)氣相沉積技術(shù)、UO2-Er2O3 燒結(jié)芯塊上涂覆&B2的磁控濺射涂層技術(shù)以及UO2-Er2O3與UO2-Gd2O3雙層燃料芯塊的復(fù)合 燒結(jié)技術(shù)等。但存在Er價格貴、UO2-Er2O3與UO2-Gd2O3雙層燃料芯塊的復(fù)合燒結(jié)工藝難度 大、質(zhì)量穩(wěn)定性差等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是控制剩余反應(yīng)性，解決長周期反應(yīng)性控制和慢化劑負溫度系數(shù)控 制對復(fù)合可燃毒物燃料的需求，提供一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成。如上所述的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其中=Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為 2% 12%，濃縮iciB線密度為0. 1 l.Omg/cm。如上所述的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其中所述可燃毒物燃料 中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為4% 12%，濃縮kiB的線密度為0. 2 1. Omg/cm。
如上所述的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其中所述可燃毒物燃料 中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為7% 12%，濃縮kiB的線密度為0. 5 1. Omg/cm。如上所述的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其中所述可燃毒物燃料 中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為4% 7%，濃縮kiB的線密度為0. 2 0. 9mg/cm。如上所述的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其中所述可燃毒物燃料 中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為4% 7%，濃縮kiB的線密度為0. 2 0. 5mg/cm。 一種在UO2-Gd2O3燃料芯塊上涂覆&B2薄層的涂層工藝方法，用直流磁控濺射涂層 工藝方法在UO2-Gd2O3燃料芯塊上涂覆&B2薄層，其中所述涂層&B2靶件的密度>5. 14g/ cm3，純度大于98.5% ； ZrB2靶件固定，UO2-Gd2O3燃料芯塊自轉(zhuǎn)且繞&B2靶件公轉(zhuǎn)；或 UO2-Gd2O3燃料芯塊固定，ZrB2靶件自轉(zhuǎn)且繞UO2-Gd2O3燃料芯塊公轉(zhuǎn)。如上所述的一種在UO2-Gd2O3燃料芯塊上涂覆&B2薄層的涂層工藝方法，其中 UO2-Gd2O3燃料芯塊繞&B2靶件公轉(zhuǎn)的速度0. 2 1. O轉(zhuǎn)/分鐘，自轉(zhuǎn)速度0. 1 0. 5轉(zhuǎn)/ 分鐘。如上所述的一種在UO2-Gd2O3燃料芯塊上涂覆&B2薄層的涂層工藝方法，其中所 述直流磁控濺射的工作真空度為1. OPa 5. OX 10_2Pa，ZrB2靶件與UO2-Gd2O3燃料芯塊的 距離為50 70mm，靶件功率5KW，濺射電壓為500V 600V，靶件在濺射時溫度為280°C 350°C，濺射時間為2 3小時，保證&B2涂層厚度為O 0. 035mm。本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明提供了一種在同一燃料芯塊中同時含有B和Gd兩種可燃毒物的整體型 復(fù)合可燃毒物燃料JrB2涂層_(U，GcOO2燃料，使用該整體型復(fù)合可燃毒物燃料，可以解決 長周期反應(yīng)性控制和慢化劑負溫度系數(shù)控制對復(fù)合可燃毒物燃料的需求，并且該復(fù)合可燃 毒物燃料比含Er可燃毒物燃料成本低。2.本發(fā)明的可燃毒物由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，其中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為 2% 12%，濃縮kiB線密度為0. 1 1. Omg/cm，可提高堆芯壽命、延長換料周期、降低核電 運行成本，使輕水堆核電站燃料換料周期達到24 48個月，艦船推進用一體化壓水堆達到 3000個等效滿功率天(EFPD)堆芯壽命。3.優(yōu)化后的含有B和Gd兩種可燃毒物的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，即含4% 7%的Gd2O3和線密度為0. 2 0. 5mg/cm的濃縮kiB,可使輕水堆核電站燃料換料周期達到 36個月以上，艦船推進用一體化壓水堆達到3000個等效滿功率天(EFPD)堆芯壽命。4.按照本發(fā)明的直流磁控濺射工藝，可以在(U，Gd)O2燒結(jié)芯塊上實現(xiàn)&B2薄層 的涂層，涂層與基體之間的附著力強，涂層厚度均勻可控，涂層雜質(zhì)含量低。5.本發(fā)明提出的直流磁控濺射工藝中使用公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的方法，可以使涂層厚度均 勻，提高效率并縮短涂層所用時間。
具體實施例方式下面通過實施例對本發(fā)明提出的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料進行 進一步的介紹實施例1 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì)量分數(shù)為2%的Gd2O3，濃縮10B線密度1. Omg/cm。實施例2 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為2%的Gd2O3，濃縮10B線密度0. lmg/cm。實施例3 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為2%的Gd2O3，濃縮10B線密度0. 6mg/cm。實施例4 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為2%的Gd2O3，濃縮10B線密度0. 8mg/cm。實施例5 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為4%的Gd2O3，濃縮10B線密度0. lmg/cm。實施例6:一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為4%的Gd2O3，濃縮10B線密度0. 5mg/cm。實施例7 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為4%的Gd2O3，濃縮10B線密度1. Omg/cm。實施例8 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為7%的Gd2O3，濃縮10B線密度0. lmg/cm。實施例9 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為7%的Gd2O3，濃縮10B線密度0. 9mg/cm。實施例10 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為7%的Gd2O3，濃縮10B線密度1. Omg/cm。實施例11 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為12%的Gd2O3，濃縮10B線密度0. lmg/cm。實施例12 一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為12%的Gd2O3，濃縮10B線密度1. Omg/cm。實施例13 —種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，由&B2涂層和UO2-Gd2O3組成，包括質(zhì) 量分數(shù)為12%的Gd2O3，濃縮10B線密度0. 7mg/cm。為制作上述可燃毒物燃料，一種在UO2-Gd2O3燃料芯塊上涂覆&化薄層的涂層工藝 方法如下
(1)原材料(U，Gd)O2 燃料芯塊(Gd2O3 質(zhì)量分數(shù) 2% 士0. 12% 士0. 1%，貧鈾);ZrB2 革巴 件密度彡5. 14g/cm3，純度大于98. 5%，天然硼。(2)涂層工藝及參數(shù)
使用直流磁控濺射方法；首先，將&B2靶件和電源陰極用TIM713熱溶膠粘結(jié)，U02_Gd203燃料芯塊與電源 陽極相連；連接方式是本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識，其中&B2靶件與UO2-Gd2O3燃料芯塊的 距離為50 70mm。其次，將粘結(jié)好的&B2靶件和燃料芯塊放入真空室中，清洗和安裝真空室密封圈， 真空室最高真空應(yīng)達到5X10_4Pa，工作真空應(yīng)為1.(^￡1 5.0\10_?！?，本實施例中真空室 容積為Φ 600 X 650mm且為雙層水冷。然后，通入濺射氣體，打開濺射電源，到達涂層參數(shù)進行涂層，涂層參數(shù)為濺射電源電壓為500V 600V，靶材在濺射時溫度280°C 350°C，濺射時間為2 3小時，單靶為功率5KW ；ZrB2靶件固定，UO2-Gd2O3燃料芯塊自轉(zhuǎn)且繞&B2靶件公轉(zhuǎn)，且公轉(zhuǎn)的速度0. 2 1. 0轉(zhuǎn)/分鐘，自轉(zhuǎn)速度0. 1 0. 5轉(zhuǎn)/分鐘。涂層工序完成后，ZrB2涂層厚度可達到0 0. 035mm。若采用二個靶件進行磁控濺射則可提高工作效率、縮短涂層時間。
權(quán)利要求
1.一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其特征在于由涂層和UO2-Gd2O3 組成。
2.一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其特征在于所述可燃毒物燃料中Gd2O3 的質(zhì)量分數(shù)為2% 12%，濃縮ltlB線密度為0. 1 l.Omg/cm。
3.如權(quán)利要求1所述的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其特征在于所述 可燃毒物燃料中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為4% 12%，濃縮kiB的線密度為0. 2 1. Omg/cm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其特征在于所述 可燃毒物燃料中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為7% 12%，濃縮kiB的線密度為0. 5 1. Omg/cm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其特征在于所述 可燃毒物燃料中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為4% 7%，濃縮kiB的線密度為0. 2 0. 9mg/cm。
6.如權(quán)利要求1所述的一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料，其特征在于所述 可燃毒物燃料中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為4% 7%，濃縮kiB的線密度為0. 2 0. 5mg/cm。
7.—種在UO2-Gd2O3燃料芯塊上涂覆薄層的涂層工藝方法，用直流磁控濺射涂層 工藝方法在UO2-Gd2O3燃料芯塊上涂覆薄層，其特征在于所述涂層靶件的密度 彡5. 14g/cm3,純度大于98. 5% ；ZrB2靶件固定，UO2-Gd2O3燃料芯塊自轉(zhuǎn)且繞靶件公 轉(zhuǎn)；或UO2-Gd2O3燃料芯塊固定，ZrB2靶件自轉(zhuǎn)且繞UO2-Gd2O3燃料芯塊公轉(zhuǎn)。
8.如權(quán)利要求5所述的一種在UO2-Gd2O3燃料芯塊上涂覆薄層的涂層工藝方法，其 特征在于=UO2-Gd2O3燃料芯塊繞&B2靶件公轉(zhuǎn)的速度0. 2 1. O轉(zhuǎn)/分鐘，自轉(zhuǎn)速度0. 1 0.5轉(zhuǎn)/分鐘。
9.如權(quán)利要求5所述的一種在UO2-Gd2O3燃料芯塊上涂覆薄層的涂層工藝方法，其 特征在于所述直流磁控濺射的工作真空度為1. OPa 5. OX 10_2Pa，ZrB2靶件與UO2-Gd2O3 燃料芯塊的距離為50 70mm，靶件功率5KW，濺射電壓為500V 600V，靶件在濺射時溫度 為280°C 350°C，濺射時間為2 3小時，保證涂層厚度為O 0. 035mm。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種可燃毒物燃料，具體涉及一種含B和Gd的整體型復(fù)合可燃毒物燃料及制備方法。目的是控制剩余反應(yīng)性，解決長周期反應(yīng)性控制和慢化劑負溫度系數(shù)控制對復(fù)合可燃毒物燃料的需求。該可燃毒物燃料由ZrB2涂層和UO2-Gd2O3組成，其中Gd2O3的質(zhì)量分數(shù)為2％～12％，濃縮10B線密度為0.1～1.0mg/cm。使用該整體型復(fù)合可燃毒物燃料，可以解決長周期反應(yīng)性控制和慢化劑負溫度系數(shù)控制對復(fù)合可燃毒物燃料的需求，并且該復(fù)合可燃毒物燃料比含Er可燃毒物燃料成本低。同時提高堆芯壽命、延長換料周期、降低核電運行成本，使輕水堆核電站燃料換料周期達到24～48個月。
文檔編號C23C14/35GK102129889SQ20101060607
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者易偉, 楊靜, 許奎, 龍沖生 申請人:中國核動力研究設(shè)計院