陶瓷核燃料

碳化物鈾碳(U一C)二元系中有UC、UCZ和U2C33種化合物，其中在熔點以下穩定的只有UC。 氮化物鈾氮(U一N)二元系中有UN、UNZ和U2N33種化合物。 或用碳與UOZ或(U，Pu)02粉末在高溫下還原成碳化物，再在1723K氮氣(或NH3)中轉化為化學計量的UN。

陶瓷核燃料eeramienuelearfuel以難熔化合物形態使用的核燃料。有兩類:由鉑(U)(或杯)和非金屬元素氧(O)、碳

陶瓷核燃料

(C)、氮(N)、矽(51)等形成的單一化合物;由鈾與懷(Pu)(或鈾與杜)的同種化合物組成的互溶物。後者又稱混合物嫩料。其中已得到實用的只有氧化物和碳化物。氧化物與金屬燃料相比，氧化物燃料具有熔點高(二氧化鈾達3120K)、熱和輻照穩定性好、與包殼及冷卻劑材料能相容等優點。二氧化鈾(UOZ)是目前大多數熱中子動力反應堆所使用的核燃料。(U，Pu)02和(U，Th)02均含有易裂變核素懷一239和鈾一235及可轉換核素鈾一238和牡一232，可作為液體金屬冷卻快中子增殖堆和新型轉換堆的燃料。但氧化物的熱導率低，在反應堆運行條件下會產生一系列不利於物理、熱工特性的性狀。碳化物鈾碳(U一C)二元系中有UC、UCZ和U2C33種化合物，其中在熔點以下穩定的只有UC。UC遇水發生分解，在水冷反應堆中一般不用。UC和PuC有相同的晶體結構，可形成連續固溶體(U，Pu)C。其重原子密度高，輕原子數與重原子數比為1，故中子經濟性好，在堆內可轉換出更多的易裂變核素。碳化物的熱導率比氧化物的高5一8倍，在堆內使用時有較平坦的徑向溫度梯度，又可獲得較高的功率密度，對一定的榆出功率，可裝載較少的易裂變核素，所以用(U，Pu)C作快中子增殖堆的徽料可以大大縮短加倍時間。UC或(U，Pu)C粉末的製備可採用電弧熔化法。由鈾或鈾懷(U一Pu)合金與石墨在電弧爐里直接反應並鑄成富碳錠，經粉碎後在1123K的流動氫中脫碳製成。

提取

工業上則常用碳熱還原法，即將UOZ或(U，Pu)OZ粉末與碳粉混合，在1473一1673K的真空中還原製得。然後將

陶瓷核燃料

碳化物粉末球磨，加入粘結劑，經壓型和高溫(2073一2198K)燒結1小時製得97%理論密度的芯塊。為了獲取化學計量的UC或(U，Pu)C，要嚴格掌握配料制度，控制反應參數。由於碳化物易與水、空氣反應影響成品質量，故操作必須在充惰性氣氛的手套箱中進行。碳化物粉末易燃，粉碎時採用三氯乙烯保護。氮化物鈾氮(U一N)二元系中有UN、UNZ和U2N33種化合物。其中只有UN可用作核燃料。UN與UC相比，物理性質和輻照穩定性相近，但與包殼材料的相容性好，化學穩定性差。UN與PuN可形成連續固溶體(U，Pu)N，是快中子增殖堆的理想燃料。氮化物粉末通常是先將鈾屑或鈾一懷合金屑在523K氫氣中生成UH。，再在673K氦中脫氫製成高分散度的高純鈾粉，然後在純氮流中加熱到1173K生成UZN3，最後在1673K氫氣中分解成UN。或用碳與UOZ或(U，Pu)02粉末在高溫下還原成碳化物，再在1723K氮氣(或NH3)中轉化為化學計量的UN。為防止高溫下的分解，氮化物的燒結須在1973K高壓氫氣中進行。全部操作均需有惰性氣氛保護。氮化物的輻照性能與碳化物的基本相同。基差別在於:裂變氣體在氮化物中的擴散率比碳化物的低，故在16%菲瑪(FIMA，已裂變的原子數與初始裝料總的金屬原子數之比。)燃耗時，釋放率僅為9%;由裂變氣體造成明顯腫脹的溫度高於碳化物，為1523K，且氮化物有較大的高溫強度可抑制輻照腫脹;在1273K、18%FIMA燃耗時，氮化物與不鏽鋼的相容性很好。但天然氮中含99.6%的氮一14對快中子有高的寄生捕獲，如用氮一15取代就要增加製造成本。矽化物鈾矽(U一Si)二元系含有多種化合物。含鈾量最高的是U3Si，其抗水腐蝕性好，質地軟，延性好，在1203K發生包析分解，性質上與鈾合金相似，可用作水冷堆燃料。另一個矽化物是U3SiZ。雖其熔點比碳化物、氮化物的低得多，但密度介於UOZ和UC之間，許多性質與UC相似。可製成板狀燃料元件在試驗堆中使用。其晶片為彌散體嫌料，由鈾、矽粉末在水冷模具中直接熔化並鑄造，再球磨成粉;與鋁粉相混，通過粉末冶金法加工而成