阿贡国家实验室单片式燃料研制

最初的U-Mo弥散型燃料元件已经最示出铀装载量方面的优越性，可以用它来成功地把部分研究堆燃料转换成低浓铀。另外，辐照实验显示出在高温下U-Mo弥散型燃料元件的芯体与铝基发生了相互反应。解决这些现象的潜在方法是使用燃料合金片代替铝基弥散型燃料。这种单片式燃料提供了比弥散型燃料更低的燃料一基体反应层和更高的铀密度。由于弥散型燃料基体的不足，单片式燃料元件生产需要研究新的制造方法。经过阿贡国家实验室研究人员的努力，已经得到一种可行的单片式燃料板生产方法，本文将介绍这种方法。     

国外U3Si2与UMo燃料的发展现状

U3Si2-Al弥散型燃料是一种成功的低浓铀燃料，但在较高温度和较深燃耗运行时，其抗辐照性能急剧下降；UMo-Al弥散型燃料可能使任何高性能研究堆改用低浓铀，可是燃料相与铝基体的广泛反应引起严重的肿胀，期待含硅的铝基体能成功阻止这种反应的发生；单片型UMo合金燃料板具有较好的抗辐照性能，但制造方法尚不成熟。所有这些问题都亟待解决。本文首先简介了研究堆低浓铀燃料的发展简史，分析了U3Si2-Al弥散型燃料的成就与不足，讨论了UMo合金燃料所遇到的问题与需要解决的途径，提出了U3Si2-Al、UMo-Al弥散型燃料和单片型UMo合金燃料板的研究现状。     

铀钼合金燃料合格性鉴定试验的现状及发展前景

美国、法国、阿根廷和俄罗斯正就铀钼（U-Mo）合金燃料的开发、合格性鉴定和商业应用的许可证问题进行国际合作。进行合格性鉴定试验的样品分别是小板、全尺寸板和组件。美国、法国和阿根廷采用的是轧制工艺，铀密度为6～8g·cm^-3；俄罗斯采用的是挤压工艺，挤压工艺对于提高铀密度比较困难。铀密度为5～6g·c^-3。根据合格性鉴定计划，每个合作国家都根据本国的辐照试验给出了综合性的辐照结果。结果表明，铀钼合金燃料在低燃耗时具有很好的辐照性能，但最近发现，在高温高能耗辐照条件下，铀钼合金弥散型燃料出现了严重的肿胀。即所谓的枕头效应，这主要是由于铀燃料与铝基体发生了过度反应引起的。解决办法有两个，一个是在铝基体材料中添加硅，以减少U～Mo与Al基的反应；另一个办法是采用U-Mo片状合金燃料。     

研究堆降低铀浓缩度计划（RERTR）燃料研究开发进展

20世纪90年代中期开始的UMo弥散型燃料辐照试验结果表明，UMo燃料的辐照性能良好；但2003年发现，在高功率和高温时出现枕状肿胀。随后的深入研究表明，肿胀不是由于UMo燃料颗粒本身引起的，而是由于辐照使铝与燃料反应所形成的反应层产生的大气泡引起的。要继续成功开发很高铀密度的低浓铀燃料元件需要有详细的研究计划，这包括：燃料制造工艺开发、堆外性能研究、辐照、辐照后检查、燃料性能评价和模型以及程序的开发。可以通过几个途径克服肿胀问题：稍为改变燃料和基体材料的化学成分；用另一种材料取代铝基体，甚至取消铝基体，开发单片式燃料板。目前6个国家（阿根廷、加拿大、法国、韩国、俄罗斯、美国）正在合作进行上述工作。本文总结了RERTR．6辐照试验及相关实验的最新试验结果，讨论了到2010年开发和鉴定出很高铀密度的低浓铀燃料元件的途径。     

基体为含Si铝合金的U-Mo弥散燃料辐照后的最新显微结构分析结果

RERTRU-Mo弥散燃料板正在研制中，准备将其应用于全世界的研究堆中。特别值得关注的问题是基体为含Si铝合金的U-Mo弥散燃料的辐照性能。添加Si是为了提高U-Mo弥散燃料的性能。采用光学金相和扫描电子显微镜，对基体为Al-0．2Si和4043Al合金（～4．8％Si）的U-Mo燃料板在制造条件和辐照条件下的显微组织进行了分析。两种基体的燃料板在制造中都在U-7Mo颗粒周围产生了富Si的反应层；在辐照中观察到这些反应层厚度增大，燃料板的某些区域出现Si贫化。对于4043Al基体的燃料板，只有在非常恶劣的辐照状态下才会在暴露的燃料板区域中观察到这些现象。     

RERTR燃料研制项目的进展

始于20世纪90年代末期的U-Mo合金弥散燃料辐照试验确定了这些燃料令人满意的辐照行为。但美国国内外随后的实验暴露了这种燃料在高温高功率下的缺点。详细的辐照后检验表明，燃料性能问题不是因为U-Mo燃料颗粒性能差，而是由辐照中燃料和Al基体反应形成的反应层的肿胀行为引起的。 极高密度低富集度燃料的继续开发需要一份详尽的计划，包括燃料制造研究、堆外性能鉴定、辐照试验、辐照后检验、燃料性能评估和模型建立。一些潜在的补救措施对锵决公认的燃料性能问题是有效的；补救措施包括燃料和基体化学成分的微小改变。用另外一种材料代替Al基体，或者完全不要基体。所有的这些变动目前都作为六国（阿根廷、加拿大、法国、韩国、俄罗斯和美国）参与的燃料开发合作的一个部分在调查研究当中。本文将回顾目前RERTR-6辐照试验及其支撑实验的试验结果，并且讨论了到2010年底低富集度高密度燃料合格性鉴定的前进途径。     

2007年阿根廷LEU燃料和靶材进展

自上届研究堆燃料管理（RRFM）年会后，阿根廷国家原子能委员会（CNEA）继续致力于新的低浓铀（LEU）燃料和靶材的研究，以响应国家有关高浓铀（HEU）在民用领域中最小化使用的政策。其主要目标是实现RA-6反应堆堆芯由IIEU向LEU的转换；获得弥散型和单片式燃料中U．Mo／AI化合物相构成的系统认识；找到可能的途径来解决弥散燃料和单片燃料存在的技术难题；优化从硅化物乏燃料样品中的回收，以及对硅化物乏燃料最终状态进行放射性乏燃料隔离的低温实验技术；改进LEU靶材扩散和同位素生产的放射性化学技术。未来计划包括：完成RA-6反应堆向LEU的转换；采用新技术以推进燃料和生产设备的改进，包括使用破坏和无破坏实验（NDT）技术评估焊点质量；在RA-3堆中辐照小板和全尺寸板燃料组件，并计划在更高的能量和温度下进行辐照；LEU靶材和同位素生产的放射化学技术优化。     

中国核动力院U-Mo合金燃料研究现状及进展

目前,U-Mo合金燃料是研究试验堆新一代燃料的研究重点.文章介绍U-Mo合金燃料在中国核动力研究设计院(NPIC)的研究现状和进展.NPIC于2006年正式开始研制U-Mo合金弥散燃料元件,几年间开展的研究工作主要有:U-Mo合金熔炼,γ相U-Mo合金粉末制备,(U-Mo)-(Al-Si)弥散燃料板制造工艺研究,U-Mo合金与基体材料、包壳材料和阻挡材料诸如Al、Nb、Zr、Mg等的相容性研究,Si添加到Al基体中对U-Mo/Al反应的影响以及U-Mo合金燃料成分分析及无损检测方法研究等.目前,NPIC已制备出基本满足要求的(U-Mo)-Al弥散燃料板,并计划于2010年前掌握满足技术要求的改进型(U-Mo)-Al弥散燃料板的制造技术.     

铀钼合金燃料组件初步设计研究

作为低浓化计划（RERTR）正在研究和开发的一新燃料，高密度铀钼合金弥散体燃料是未来替代现有研究堆燃料的候选燃料。与现有U3Si2弥散体燃料相比，铀钼合金燃料具有燃料铀密度高，及后处理性能良好的特点，因此，其应用前景良好。     

弥散燃料板芯体中U-Mo/Al-Si合金基体反应层性质研究

针对弥散型燃料板采用实验方法分析U-Mo燃料相与Al-Si基体反应层的性质。实验结果表明:反应层主要出现在U-Mo燃料颗粒的内部微裂纹处及燃料颗粒与基体界面处,其形貌和厚度均不规则。U-Mo与Al-Si遵循空位扩散机制,扩散过程主要为Al、Si向U-Mo合金的扩散。在反应层中Al含量基本维持不变,Si含量沿基体-燃料相方向递增,并聚集在U-Mo侧的反应层中。当基体中Si含量达到5%时,可明显抑制扩散反应的进行,从而改进燃料板性能。     

低富集U-Mo弥散型燃料小板RERTR-6辐照试验结果——Si对U-Mo／Al弥散燃料辐照行为影响的初步分析

辐照时Al基体中弥散的U-Mo燃料颗粒表面形成包覆的反应物。在一些辐照试验中,反应物和舢基体交界面处有气孔产生。受辐照条件的影响,气孔可能会长大并彼此连接形成连通的大气孔,严重时形成连续网络结构使燃料板出现不可接受的枕形肿胀。在美国和其他国家的辐照实验中都观察到了这种现象。冶金学和热动力学分析表明,Al基体中加入Si以及U-Mo燃料中添加Zr或Ti都可以提高U-Mo／Al弥散型燃料反应产物的稳定性。本文介绍了添加Si辐照试验的初步结果,即将适量的Si添加到Al基体中能有效降低U-Mo／Al燃料扩散反应和消除气孔形成。     

改进型U－Mo／Al弥散燃料的辐照行为

介绍和分析了RERTR-6和RERTR-7实验中弥散燃料的辐照后检验（PIE）结果。Al基体中Si含量高达5wt％的小板在先进试验堆（ATR）中辐照,燃耗达到50％和100％等效低浓铀（LEU）。金相观察和板厚度测量表明,Al基体中添加Si,最有潜力消除U－Mo／Al弥散燃料辐照试验中曾发现的粗孔形成物。结果表明,在本辐照试验情况下,2wt％或更多的Si添加量减少了燃料和基体间的反应程度,并且确实消除了孔洞。     

研究堆燃料的发展现状与前景

在过去33年中,国际降低研究和试验堆铀浓度计划已成功开发和应用了U₃Si₂-Al弥散型燃料。但由于U₃Si₂的抗辐照性能限制了它可能承受的运行温度与裂变密度,所以该燃料只适用于低功率密度的研究堆。U7Mo-Al弥散型燃料中的UMo颗粒与Al基体发生广泛的化学反应,将引起严重的肿胀与起泡问题。近年来,给U7Mo颗粒表面涂敷ZrN隔离层,获得防止反应的显著效果,使U7Mo-Al弥散型燃料有望应用于实践。U10Mo单片型燃料的芯体铀密度可达16g/cm³,辐照性能良好,但制造方法需进一步完善;应用中国核动力研究设计院改进的框架结构与轧制方法,能够控制UMo芯体与Al包壳具有相近的延伸率,从而可成功地轧制出合格的U10Mo合金单片型燃料板。     

γ相U—Mo合金粉末的研制

（U—Mo）-Al弥散燃料具有铀密度高、辐照稳定性好、乏燃料易后处理等优点，是新一代研究试验堆的低浓铀燃料。制备中位粒度为40-140μm的γ相U—Mo合金粉末是制备（U—Mo）-Al弥散燃料的基础。用氢化-脱氢工艺制备（U—Mo）-Al粉末具有设备和工艺简单、生产率高、成本低、不污染环境、粉末粒度可控等优点，因此，值得大力开发。     

U_3Si_2-AI 弥散型燃料元件

U_3Si_2-Al 弥散型板状燃料元件是新发展的高铀密度的研究堆燃料.辐照和全堆芯试用表明:元件外形尺寸稳定;无裂变产物泄漏;直到燃耗达98%时,U_3Si_2颗粒肿胀都是裂变密度的线性函数;U_3Si_2与铝基体和铝包壳在制造和辐照中都是相容的。芯体铀密度最高达4.8g(U)/cm~3的 U_3Si_2-Al 燃料都是适合研究堆使用的低浓铀燃料.     

UMo/Al弥散型燃料元件溶解回收工艺研究

以配制好的混合碱(NaOH和NaNO3)为UMo/Al弥散型燃料元件样品铝包壳和铝基体的溶解液,将不合格的UMo弥散型燃料元件的包壳和弥散基去除,并计算铀损失率;采用金相显微镜分析UMo合金粉末的粒度分布,并用X射线衍射分析其相结构与成分.初步实验结果表明:随着NaOH浓度增大,铀损失率增大;随着NaNO3浓度的增大,...     

俄罗斯研究堆高密度低富集度铀（LEU）燃料的研究现状

U—Mo燃料及其燃料元件和燃料组件（FA）的开发是俄罗斯RERTR规划的主要方向之一。该开发项目是基于现有的反应堆和新建先进反应堆的设计进行的，俄罗斯的很多组织参与了这项工作，如俄罗斯核燃料制备公司（TVEL）、动力工程研究和发展所（RDIPE）、核反应堆研究所（RIAR）、IRM和东北电网协调理事会（NPCC）。 开发中的U—Mo燃料包括弥散型燃料、单片式燃料以及管型和细棒型弥散燃料组件。第一阶段工作已顺利完成。该阶段包括管型和细棒状U．Mo弥散燃料的堆外、堆内和辐照后试验，试验是在近似于俄罗斯人设计的池型研究反应堆的运行参数条件下进行的。 俄罗斯和国外取得的成果证明可以进行下一阶段的研究工作，包括全尺寸IRT型细棒状和管型U·Mo弥散燃料组件的辐照，以及改善的U．Mo弥散燃料和微型单片燃料元件的辐照。本文对目前U—Mo燃料研究已取得的成果进行了全面的回顾。     

RERTR-6和RERTR-7实验中单片式燃料小板的辐照后检验

高性能研究堆的转换需要对单片式燃料的合格性进行鉴定,现在正在努力开展这一工作。RERTR-6实验的目的是在中等功率密度下辐照的第一批单片式燃料小板,使其达到中等燃耗。后续的RERTR-7实验的目的是在极高功率密度下辐照单片式燃料小板以达到高燃耗。RERTR-7实验的对象还包括搅拌摩擦焊（FSW）和瞬间液相连结法（TLPB）制造的单片式小板。本文介绍了RERTR-6和RERTR-7单片式小板的辐照后检验结果。     

氢化-脱氢法制备U-Mo合金粉末

U-Mo合金应用于低浓缩高密度弥散型燃料，发展前景很好。燃料制备要求必须将U-Mo合金转换成粉末状。 氢化-脱氢工艺是实现这种转换的方法之一，它基于α-U可以形成一种脆且相对密度低的UH3化合物。用下文描述的方法已经制出了U-Mo合金粉末。 为了使U-7wt％Mo合金的γ-U部分地向α-U转变，在不同温度范围对其进行热处理。再经过氢化使α-U转变为UH3。由于氢化物使材料变脆，从而便于制成U-Mo粉末。 通过光学显微镜、电子扫揣仪和X-射线衍射来观察该工艺不同时期的实验结果。     

CARR用U-Mo合金燃料的堆芯物理方案研究

U-Mo合金燃料具有铀密度高、辐照稳定性好和后处理简单等优点,是未来研究堆燃料的理想选择。在保持中国先进研究堆(CARR)主体结构不变的基础上,使用合适的U-Mo合金燃料替换CARR现有燃料,进行堆芯方案初步研究。通过对中子注量率、循环长度等关键参数的对比分析,给出了较优的堆芯物理设计方案。该堆芯物理方案具有更好的设计参数,并可节省大量的燃料经费支出,提高了反应堆运营的经济性。