清华大学核能与新能源技术研究所徐瑞、马景陶等：微流控辅助内凝胶工艺可控制备碳化铀陶瓷微球-北京永康乐业科技发展有限公司

超高温气冷堆（VHTR）需要具有高导热性和铀密度的碳化铀（UC）核燃料微球。然而，制备UC微球的传统内凝胶工艺存在含炭黑铀液的室温稳定性差、凝胶微球尺寸不均匀以及UC微球的相污染等困难。

近期，清华大学核能与新能源技术研究所徐瑞、马景陶等通过微流控辅助内凝胶工艺结合碳热还原，成功制备出高纯度（92.9 wt%）的碳化铀陶瓷微球，优化了U-C溶液的稳定性和凝胶性能，并揭示了碳热还原反应机制及炭黑的作用。这一成果为高温气冷堆核燃料微球的工业化生产提供了新的技术路径。相关研究以“The controlled preparation of uranium carbide ceramic microspheres by microfluidic-assisted internal gelation process”为题目，发表在期刊《Ceramics International》上。

本文要点：

1、通过优化酸度缺陷和六亚甲基四胺（HMTA）与尿素的摩尔比例，获得了在室温下具有足够稳定性（85分钟），同时在90℃时能够快速凝胶化的U-C溶胶。

2、以U-C溶胶为分散相，通过微流控辅助内凝胶工艺制备了纯度高达92.9 wt%的单分散凝胶微球。

3、凝胶微球的纳米孔道结构促进了碳热还原反应过程中气体的释放，提高了反应效率，避免了微球的裂纹生成。

4、研究揭示了碳热还原反应的具体机制，并分析了炭黑在碳化铀陶瓷微球制备过程中的作用。

在高温气冷堆（VHTR）中使用碳化铀（UC）微球具有以下优势：

1、高热导率：UC的热导率远高于传统核燃料（如UO₂），能够有效传导热量，降低局部过热风险，提高反应堆热效率。

2、高铀密度：UC的铀密度显著高于UO₂，在提供更高裂变材料储备的同时，有助于提升燃料能量密度和反应堆的能量输出。

3、低反应性与高兼容性：UC与热解碳包覆层的化学反应较少，能够有效避免“变形虫效应”（包覆层因燃料与温度失控而变形或破裂），增强燃料的结构稳定性和反应堆的安全性。

4、优异的高温稳定性：UC微球的高熔点和优异的高温化学稳定性能够在高温条件下降低裂变产物释放的风险，有助于增加VHTR的安全裕度和运行可靠性。

5、单分散性和高纯度：通过优化的微流控辅助内凝胶工艺制备的UC微球具有良好的单分散性和高纯度，确保了燃料的均匀性和性能稳定性。

6、工业化生产潜力：优化的制备工艺使得UC微球的工业化生产成为可能，有望满足大规模应用的需求。