El combustible nuclear de dióxido de uranio ha sido ampliamente utilizado en reactores de agua a presión de centrales nucleares. Tiene un alto punto de fusión, características de expansión isotrópica y buen comportamiento de irradiación y propiedades mecánicas, pero tiene problemas como baja conductividad térmica y fácil fragilidad. Los combustibles nucleares de carburo de uranio (UC) tienen una dureza extremadamente alta y no experimentan transiciones de fase en un amplio rango de temperaturas, por lo que pueden soportar temperaturas de servicio más altas. La conductividad térmica del carburo de uranio es de 21,7 W / m (K) ( 1237K), la densidad es 13.63 g / cm 3El contenido de uranio es del 95,2%, más alto que el del dióxido de uranio. El combustible nuclear de carburo de uranio se considera un combustible nuclear ideal para el reactor de cuarta generación. El carburo de uranio también se puede combinar con el estroncio en la exploración del ciclo de combustible cerrado en el sistema avanzado de energía nuclear impulsado por el acelerador. (Pu) y algunos nucleidos secundarios (MA) forman un sistema binario mixto eutéctico. Por lo tanto, los investigadores eligen el carburo de uranio como una forma de combustible nuclear regenerativo.
Recientemente, investigadores del Instituto de Física Moderna de la Academia de Ciencias de China, investigadores del Departamento de Cambio e Investigación, prepararon con éxito pastillas de combustible nuclear de cerámica UC mediante un método de sol-gel que combina mezcla instantánea sin enfriamiento y calentamiento por microondas, y prepararon con éxito el material mediante quelación de polimerización de tipo Pechini. Un solo polvo UC.
Los investigadores y el Instituto Suizo Paul Scherrer (PSI) desarrollaron conjuntamente una plataforma de proceso de sol-gel rápida que combina la mezcla instantánea sin enfriamiento a temperatura ambiente con calefacción asistida por microondas, y utilizaron la plataforma con éxito para preparar pastillas de combustible nuclear de carburo de uranio ( Figura 1) En primer lugar, el negro de humo se dispersa uniformemente en una solución de gel (HMUR) a nivel nanométrico por dispersión ultrasónica, y luego se prepara una esfera de gel de C-UO32H2O que contiene negro de carbono mediante un método sol-gel. Finalmente, se convierte en un pellet cerámico UC de fase uniforme por reacción de reducción carbotérmica. El pellet cerámico UC preparado tiene un tamaño de partícula de 675 ± 10 μm y una densidad del 92% o más de la densidad teórica. La plataforma se aplicará directamente. Preparación por lotes de pellets de combustible nuclear de carburo regenerado en un ciclo de combustible cerrado.Los investigadores también utilizaron la quelación de polimerización de tipo Pechini para quelar iones uranilo (UO22 +) con ácido cítrico (CA) para formar un complejo estable UO22 + -CA; Con la evaporación del solvente y la reacción de reticulación de la polimerización entre el complejo y el manitol, se obtiene un material poroso poroso precursor, luego se obtiene el nanocompuesto UO2 / C por carbonización in situ; Polvo UC (mostrado en la Figura 2). Este método reduce la distancia de migración entre los reactivos al mezclar uniformemente U y C a nivel atómico y logra la preparación del polvo UC a una temperatura relativamente baja (1400 ° C). El trabajo tiene una cierta perspectiva de aplicación para la síntesis a baja temperatura de combustibles de carburo que contienen Pu y MA.
La investigación fue apoyada por el proyecto 'Sistema de Transmutación Avanzada de Fisión Nuclear Avanzada - Sistema de Transmutación ADS' de la Academia de Ciencias Chinas de Ciencia y Tecnología (Clase A) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Estudio Avanzado de Diseño, Preparación y Rendimiento de Componentes Metamórficos de Combustible). Publicado en las revistas internacionales Ceramics International y Journal of the America Ceramic Society, los primeros autores del artículo son Tian Wei y Guo Hangxu.
Figura 1: método de sol-gel de calentamiento instantáneo de mezcla de microondas por enfriamiento sin enfriamiento para preparar pastillas de combustible nuclear de cerámica UC. A: pastillas de combustible nuclear de cerámica UC; b: foto SEM de pastillas de combustible nuclear de cerámica UC; c: bolitas de combustible nuclear de cerámica UC Apariencia microscópica
Figura 2: Preparación de UC en polvo mediante quelación de polimerización de tipo Pechini. Primero, el ácido cítrico (CA) se quela con iones uranilo para formar un complejo estable UO22 + -CA, ya que el disolvente se evapora y el complejo se polimeriza con manitol. La reacción de reticulación se produce para obtener un material precursor poroso poroso, luego, el nanocompuesto UO2 / C se obtiene por carbonización in situ, finalmente, el polvo UC se obtiene por reducción carbotérmica.
