【摘要】：人类文明社会的发展离不开对能源的需求。核能是一种高效红色的能源,应该作为能源发展的重点之一。不过,核能的发展也面临一些挑战。其中,反应堆形成的乏燃料非常是次锕系同位素的处理问题尤为重要。加速器驱动的次临界反应堆系统是一种高效的次锕系同位素的变迁系统。弥散型核燃料是该系统的一种比较理想的核燃料方式,其结构是将富含次锕系同位素的核燃料共聚物弥散分布在金属或则陶瓷基质之中。这些燃料结构既能通过金属或陶瓷基质材料的高烧导率提升芯块的导热性能,也能限制幅射损伤的范围。另外中国核燃料公司,核能也面临着安全性问题的挑战中国核燃料公司,车祸容错燃料是美国福岛车祸后被广泛提起并被各国重点研究的新型燃料概念,其目的是除了可以保持或增强正常运行下的燃料性能,并且还能在较长的时间内抗击严重的车祸工况。作为车祸容错燃料的一种重要方式,弥散型核燃料中的金属基质材料可能在车祸工况下和水蒸汽反应,因而会增加燃料芯块的安全性。基于核能的可持续发展及加速器驱动的次临界反应堆系统和车祸容错核燃料的重要意义,本文对弥散型核燃料芯块的设计与制备进行了较为系统的研究,主要的工作内容和成果包括以下几个方面:建立了毛细管基微流控装置,结合溶胶凝胶工艺促使核燃料共聚物的制备过程无尘化。

剖析了液滴产生机理,阐述了对共聚物粒径的影响诱因。通过微流控技术成功制备了粒径可控且单分散性良好、球形度好的核燃料共聚物。另外,通过建立毛细管基流体聚焦型微流控装置实现了小粒径共聚物的制备。基于热处理技术实现了微孔核燃料共聚物的优化制备。通过调节升温方法基本杜绝了胶束的破碎。采用众多剖析手段研究热处理参数对共聚物化学机械性能的影响。实现了在既保证燃料共聚物机械硬度的同时也改善了胶束的吸附能力。对微孔核燃料共聚物的渗透疗效进行了表征。设计并研究了两种化学的方式对核燃料共聚物进行表面修饰以改善共聚物和基质的界面相容性。一个是基于扩散控制的方式,实现了胶束表面产生MgO均匀的Ce/Mg氧化物层。另一个是基于静电吸引的方式,实现了胶束表面产生较厚的MgO覆盖。并实验阐述了两种修饰方式对芯块的界面改善情况及差别。对MgO基弥散型核燃料芯块的模压成型过程中出现的问题进行了有限元剖析,探究了压制中物料的位移和挠度情况,剖析了压制过程中芯块坯体形成缺陷的诱因。按照剖析结果调节压制压力来改善芯块坯体成形质量。引入开瓣磨具获得了完整性良好的MgO基弥散型核燃料芯块。借助混和过程中不同材料间的颗粒分离现象,有核壳结构的弥散型核燃料芯块通过原位制造的形式被首次设计和制备。这些核壳结构就能制止金属基质和水蒸汽的反应,提升芯块安全性,同时也为芯块和包壳的一体化制备提供了可能性。有关混和参数对壳层长度的影响进行了实验和理论剖析,并且,构建了一个对壳层长度控制有指导意义的经验公式。