CN102203880B - 应用阳离子交换树脂制备包含铀和至少一种锕系和/或镧系元素的混合燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制备包含铀和至少一种锕系和/或镧系元素的氧化物、碳化物和/或碳氧化物燃料的方法，所述方法包括以下步骤：制备原料液的步骤，所述原料液是包含锕系和/或镧系元素硝酸盐形式的所述锕系和/或镧系元素和羟基化硝酸铀酰化合物形式的铀的硝酸溶液；使所述溶液通过包含羧基的阳离子交换树脂，由此阳离子形式的所述锕系和/或镧系元素以及所述铀酰形式的铀保留固定至所述树脂；和对所述树脂进行热处理以获得所述燃料。

Description

应用阳离子交换树脂制备包含铀和至少一种锕系和/或镧系元素的混合燃料的方法
技术领域
本发明涉及应用阳离子交换树脂来制备混合燃料，即，同时包含铀和至少一种锕系元素(特别是次锕系元素)和/或镧系元素的混合燃料的方法。
该方法的应用是设计新型核燃料，所述核燃料可用于构建许多类型的核反应堆所设计的核心棒，或者是考虑到特别是为了回收次锕系元素等长寿命元素而进行核嬗变实验时用于形成嬗变目标。
背景技术
通常，用于核反应堆的堆芯的核燃料的作用在于通过中子轰击后的放射性核素(特别是铀、钚、钍)的裂变来提供热量形式的能量。
在前些年所开发的燃料当中，可以提及以下的燃料：
-单一燃料，即，包含单一放射性元素的燃料，例如UO2等单一氧化物；
-混合燃料，即，包含至少两种放射性元素的燃料，例如基于铀和钍的混合氧化物或基于铀和钚的MOX型的混合氧化物。
UO2型的单一燃料通常由包括以下步骤的方法获得：
-选取包含金属态的铀的矿石的步骤；
-碾压并研磨经选取的矿石的步骤，以及随后的经由碱或酸途径来溶解矿石的步骤，由此从矿石中提取铀；
-浓缩所得到的溶液的步骤，从而制造黄色粉末，即所谓的“黄饼”，其包含约75％的氧化铀；
-将氧化铀转化为四氟化铀UF4然后转化为六氟化铀UF6的步骤；
-浓缩六氟化铀UF6以富含铀235的步骤；
-将浓缩过的六氟化铀转化为氧化铀粉末；和
-压缩得到的粉末以形成球粒状物的步骤，以及随后的固化所述球粒状物的煅烧步骤。
铀的裂变产生了一定数量的长寿命的放射性核素，例如钚和次锕系元素(如镅和锔)。前者作为裂变材料而回收，后者则拟嬗变为短寿命的放射性核素。
为了增大钚的值，开发了一种新型燃料，其使氧化钚与氧化铀结合，该新型燃料称为MOX燃料。
更具体而言，该MOX型燃料包含氧化铀和氧化钚，钚已经通过核反应堆中的铀238中子俘获而生成，因此来源于辐射燃料的后处理，而此时铀是天然来源。
MOX燃料通常经由两种途径获得：
第一种途径可描述为“直接共研磨”，其中，UO2粉末和PuO2粉末以获得指定的钚含量(即，制造结束时燃料所具有的钚含量)的预计比例而直接混合并共研磨；
第二种途径则将研磨步骤和稀释步骤相结合，其中，首先形成一次粉末混合物，其中的钚相对于指定的钚含量是“过浓缩”的，随后通过添加二氧化铀进行二次稀释。
关于以上提及的两种类型的燃料及其常规制备途径，可以观察到它们均基于粉末冶金，这可能会产生受限放射性介质的处理问题。
因此，本发明人由此设定他们的目标为：提出特别采用经由液体途径的混合步骤来制备混合燃料的方法，所述混合燃料除了包含铀之外还包含其他的锕系和/或镧系元素，特别是次锕系元素如镅、锔和镎。
特别是待组合的元素是次锕系元素时，在所述方法的范围内将允许直接使用包含所述锕系元素的液体废物，并且特别是避免了对这些元素的粉末的处理。
发明内容
因此，本发明的第一目的涉及一种用于制备包含铀和至少一种锕系和/或镧系元素的氧化物、碳化物和/或碳氧化物类燃料的方法，所述方法包括以下步骤：
-制备负载溶液(load solution)的步骤，所述负载溶液由硝酸溶液组成，所述硝酸溶液包含锕系和/或镧系元素硝酸盐形式的所述锕系和/或镧系元素和羟基化硝酸铀酰络合物形式的铀；
-使所述溶液通过包含羧基的阳离子交换树脂的步骤，由此阳离子形式的所述锕系和/或镧系元素以及所述铀酰形式的铀保留结合至所述树脂；
-所述树脂的热处理步骤，从而获得所述燃料。
因此，本发明的方法是不涉及使铀与至少一种锕系和/或镧系元素结合的粉末冶金技术以及由此产生的缺陷的方法，而使用包含羧基的阳离子交换树脂的能力结合铀酰阳离子和基于锕系和/或镧系元素的阳离子，所述结合通过羧基所携质子与负载溶液中所含的铀酰阳离子及锕系和/或镧系元素阳离子之间的交换而实现。
本发明人意外地注意到，倘若观察到硝酸铀酰络合物应当羟基化的条件，则前述树脂具有以成组且同等的方式结合铀酰阳离子和锕系和/或镧系元素阳离子的能力。因为树脂缺乏选择性，所以负载溶液通过后再次确定树脂中负载溶液的铀酰阳离子与来自锕系和/或镧系元素的阳离子之间的比例。因此，通过制备负载溶液可以提供在该方法结束时在燃料中再次确定的元素的比例。
该方法还具有不涉及在核环境中可能需慎重处理的铵离子的优点。对洗出液的再循环操作由此便于进行。
该方法应用于燃料的制备，所述燃料还包含铀、处于氧化态(III)、(V)或(VI)的锕系元素，以及处于氧化态(III)的镧系元素。
更具体而言，本发明的方法可应用于制备燃料，所述燃料除了包含铀之外还包含至少一种次锕系元素如镅、锔和/或镎及其混合物。在这种情况下，次锕系元素可来自废燃料的湿法冶金后处理流。
进而更具体的是，本发明的方法可用于制备包含铀以及镅(III)或钕(III)的燃料。
可以理解，当根据本发明的方法制备的燃料用于核反应堆以产生能量时，除了铀之外的锕系和/或镧系元素的比例将确定为不致损害可裂变的铀元素的性质。
所述方法的第一步是制备拟通过包含羧基的阳离子交换树脂的负载溶液。
该负载溶液可以以下列方式制备：
-制备第一硝酸溶液，所述第一硝酸溶液包含所述锕系和/或镧系元素的硝酸盐，例如，钕(III)或镅(III)的硝酸盐的溶液；
-将预定量的三氧化铀UO3或可选的U3O8导入所述第一溶液中，将所述量设定为形成式UO2(NO3)2-x(OH)x的羟基化硝酸铀酰络合物，其中x≤1，例如，式UO2(NO3)1.5(OH)0.5的25％的水解的硝酸铀酰络合物；
-用于混合得到的溶液的步骤，该步骤优选在室温进行，并可选的随后进行过滤步骤。
根据替代性方案，负载溶液也可以如下制备：将预定量的三氧化铀导入包含所述锕系和/或镧系元素的硝酸盐、备好的硝酸铀酰或硝酸的第一溶液中，由此获得所希望的量的铀和式UO2(NO3)2-x(OH)x的羟基化硝酸铀酰络合物，其中x≤1。
铀酰阳离子被再次确认为羟基化硝酸铀酰络合物这一点非常重要，因为本发明人证实这种络合物的存在形成了树脂与负载溶液中存在的阳离子之间的交换动力。负载溶液通过阳离子交换树脂时，负载溶液中该络合物的存在特别提供了引发铀酰阳离子以及锕系和/或镧系元素阳离子与阳离子交换树脂的质子之间的伴生离子交换的可能性。
将导入第一溶液的三氧化铀的该预定量设定为使得硝酸盐离子的摩尔数与铀的摩尔数的摩尔比小于2。
作为一个实例，对于式UO2(NO3)1.5(OH)0.5的25％的水解的硝酸铀酰络合物，形成该络合物的方程式如下：
3UO2(NO3)2+UO3+H2O →4UO2(NO3)1.5(OH)0.5
作为一个实例，为获得该络合物，首先制备包含a摩尔硝酸的硝酸镅的溶液，溶解(a/R)摩尔的氧化铀，R是铀所配的硝酸盐的摩尔数(即，此处是1.5)。
接下来的步骤包括使负载溶液通过包含羧基的阳离子交换树脂，以使铀酰阳离子以及锕系和/或镧系元素的阳离子结合。
通常所用的树脂表现为整合有可交换基团的聚合珠(polymeric pearl)，在本发明的情况中所述可交换基团为携有H+质子的羧酸基。本发明的范围内使用的树脂可以是(甲基)丙烯酸或丙烯腈与交联剂，特别是二乙烯基苯(DVB)进行(共)聚合而得到的树脂。
在丙烯腈的情况中，在聚合后需进行使-CN基团水解为羧基的步骤。
可用来用于本发明的方法的商用树脂可以是由Rohm & Haas提供的树脂，例如IMAC HP 333树脂。
在使负载溶液通过之前，可使所选的阳离子交换树脂经历一个或多个处理步骤，其中可提及以下步骤：
-湿校准步骤，该步骤用于分离出所希望的粒度级分，例如，范围是600μm～800μm的级分；
-至少一个应用碱和酸处理循环(使用氨水和硝酸)进行的洗涤步骤，和随后的使用软化水的漂洗步骤；
-所述漂洗步骤之后的干燥步骤；
-形状分选步骤，该步骤用于除去破裂颗粒或非球形颗粒，该步骤可在倾斜台上进行。
其中特别指明，上述洗涤步骤的目的在于清洁树脂并除去任何存在的合成残渣。因此，通过中和羧基的质子的反应而结合铵基团使得树脂膨胀，从而更好地促进洗涤水通过孔隙。硝酸的通过随后使得铵基团被质子H+替换，从而使羧基恢复。
然后将树脂(必要时可进行处理)有利地充分润湿，并放置在柱中以形成用于接收负载溶液的树脂颗粒床。
用于使负载溶液通过树脂的步骤通常包括通过渗滤使其流过树脂床并在树脂床的出口重新获得洗出液。在该流通期间，包含羧基的树脂逐渐地使其质子与铀酰阳离子以及锕系和/或镧系元素的阳离子进行互换。与质子形式的树脂(即，包含羧基-COOH)开始交换时，洗出液的pH突然下降。然后pH再次升高直到重又测得输入的负载液的pH值为止，这表明交换完成，且树脂被金属阳离子饱和。因而可以停止使负载溶液通过树脂。换言之，使负载溶液通过树脂，直至获得的洗出液的浓度与负载溶液的浓度相同时为止。
可通过下述工序使该方法的过程中回收的洗出液经历再循环步骤，例如：通过添加硝酸来调节该洗出液的酸度，在溶液中可选地溶解氧化铀，以及必要时补入锕系和/或镧系元素的硝酸盐的溶液，由此形成拟通过树脂的新的负载溶液。
在通过步骤之后，特别是考虑到除去树脂孔隙中残留的负载溶液时，本发明的方法可包括用软化水洗涤树脂的步骤。
所述方法可包括在大约100℃，例如在105℃的温度干燥树脂的步骤，由此使树脂孔隙中存在的水蒸发。
根据本发明，复合树脂随后在有效温度经历热处理以形成包含铀和至少一种锕系和/或镧系元素的氧化物、碳化物和/或碳氧化物。
该处理通常包括旨在除去树脂的有机骨架的碳化步骤，该碳化步骤可在最高1000℃的温度范围进行，如果目的是完全除去碳则该步骤在空气中进行，如果目的是保留部分碳则该步骤在惰性气氛下进行。该碳化步骤通常在管式炉中进行。在该步骤结束时，燃料通常呈现为氧化物或金属氧化物与碳的紧密混合物。
碳化步骤之后，可随后进行还原步骤(可描述为碳热还原)，从而在必要时将在惰性气氛下的碳化步骤结束时获得的混有碳的氧化物部分转化为碳化物和/或碳氧化物。
该还原步骤可以以两种方式进行：
-在超过碳化温度的温度加热，例如，在1600℃～1800℃的温度，随之生成了一氧化碳，该一氧化碳将氧化物还原为碳化物并通过惰性气体的吹扫而有利的除去；
-或者在例如氢等还原气氛下加热通过在惰性气体下碳化而获得的材料。
得到的燃料通常表现为微球体，其可基于预期应用以适宜的形式成形。
本发明的第二目的也涉及可通过本发明的方法获得的燃料。
该燃料可用于通过铀裂变而产生能量的核反应堆。在该情况中，将除了铀之外的锕系和/或镧系元素的比例确定为不致损害裂变元素铀的性质。该比例通常可达到相对于燃料的总原子数的20原子％。
本发明的燃料可用作用于制造能够产生电的热量的反应堆中的燃料，除此之外，考虑到在未来的使用，特别是该技术用于处理次锕系元素时，本发明的燃料也可用作嬗变目标，由此能够进行嬗变实验。
本发明的其他特征和有利之处将通过阅读以下的其他描述而变得更为显而易见，以下的描述涉及制造包含铀和镅(III)(实施例1)或包含铀和钕(III)(实施例2)的混合燃料的实例。
当然，以下的实施例仅作为对本发明目的的描述而给出，而绝非对该目的的限制。
附图说明
图1对应于温谱图型曲线图，该图显示实施例1的负载树脂在空气中的质量损失P(％)相对于应用的碳化温度T(℃)的趋势。
图2对应于温谱图型曲线图，该图显示实施例1的负载树脂在氩气下的质量损失P(％)相对于应用的碳化温度T(℃)的趋势。
图3对应于扫描电子显微镜拍摄的照片，其显示实施例1的在氩气下于900℃对树脂碳化后获得的燃料的微观结构。
图4所对应的图表描述实施例2的洗出液的pH相对于流过树脂的负载溶液的体积(V)的趋势(曲线A)以及洗出液的U(VI)和Nd(III)的浓度C(摩尔/L)相对于流过树脂的负载溶液的体积V的趋势(分别为曲线b和c)。
图5显示x射线衍射图，该图显示实施例2的在空气下碳化树脂所获得的燃料的强度I与角度2θ(°)的关系。
图6描述x射线衍射图，该图描述实施例2的在氩气下碳化树脂所获得的燃料的强度I与角度2θ(°)的关系。
图7描述实施例2的在氩气下碳化树脂所获得的燃料微球体的中纬切面的映射的不同快照(a、b、c和d)。
具体实施方式
实施例1
该实施例描述同时包含铀和镅(III)的混合氧化物燃料的制备，该制备包括以下步骤：
-制备包含羟基化硝酸铀酰和硝酸镅(III)的负载溶液；
-使该负载溶液通过包括阳离子交换树脂(来自Rohm and Haas的羧酸树脂IMAC HP333)的柱子；
-对负载有铀酰阳离子和镅(III)阳离子的树脂进行热处理。
a)负载溶液的制备
目的是制备包含羟基化硝酸铀酰UO2(NO3)1.1(OH)0.9和硝酸镅Am(NO3)3的负载溶液。
为制备该负载溶液，首先制备浓度为0.011摩尔/L的硝酸镅溶液，其包含1.22毫摩尔的硝酸，溶液的体积为10ml。向该溶液中添加1.1毫摩尔的量的氧化铀UO3。
待加入的氧化铀的摩尔数nUO3由以下经验式评估：
nUO3＝(a/R’)
a对应于初始溶液中包含的硝酸的摩尔数，R’对应于铀所配的硝酸根的摩尔数，即，此处为1.1，换言之，R’可通过下式计算：
R’＝([NO3 -]-3[Am3+])/[UO2 2+]
由此获得包含UO2(NO3)1.1(OH)0.9(0.11摩尔/L)和Am(NO3)3(0.011摩尔/L)的溶液。最终获得的pH等于3.7。
b)通过柱子
所选的树脂是包含可交换性羧基的阳离子交换树脂：由Rohm and Haas制造的IMAC HP 333。该树脂的容量为4毫当量/mL，并具有与大孔树脂相当的交换动力学。
在湿式条件下根据三种粒径在筛上预先分选树脂：400μm～600μm、600μm～800μm和800μm～1000μm。随后对所选部分(600μm～800μm)进行大量的洗涤循环(氨水、硝酸和水)，从而除去仍然存在的合成残渣和阳离子杂质。
随后对由此得到的树脂进行干燥并在倾斜台上再次分选，以除去破裂颗粒或非球形颗粒。
后一次分选进行之后，将树脂颗粒用软化水再次润湿，然后导入柱中以形成床。这是高度为5cm、内径为0.5cm的Bio-Rad品牌的玻璃柱。床的高度为约2.5cm。
然后使预先制备的负载溶液(体积：10mL)在室温通过树脂颗粒床。
羧酸树脂的质子逐渐与铀酰阳离子和镅(III)阳离子交换。
开始与树脂交换时，洗出液的pH突然下降。然后pH逐渐升高，直到之后再次确定其与进入柱的负载溶液的pH值相等为止。结合同等地发生，因为铀/镅(III)的比例在洗出液中变化不大，树脂对该阳离子对未显示出任何选择性。在逐渐结合的过程中Am和U的比例在洗出液中保持恒定这一事实提供了Am/U对的交换反应的同等性的证据。
从洗出液与进入柱的负载溶液相同这一刻开始，可以认为交换完成，树脂由金属阳离子饱和。
接下来，用软化水洗涤柱中存在的树脂以除去树脂孔隙中残留的载液，通过使气流通过来进行脱水，然后在105℃的炉中最终干燥。
在该实施例中，载液是90/10的U/Am的原子混合物，树脂的有用容量达到最大交换容量的40％，即，4毫当量/g干树脂。离子交换的总结性方程式可由此概括为：
9UO2(NO3)1.1(OH)0.9+Am(NO3)3+21RH→R21(UO2)9Am+8.1H2O+12.9HNO3
RH表示质子交换树脂。
负载的干燥树脂中的金属质量含量为34％，其中31％为铀，3％为镅。样本R的摩尔质量为约80g/摩尔且包含3个C原子(以来自丙烯酸的样本开始)时，则该树脂的组成可近似表示为：
R52U9AmO18H31或(RH)31(R21(UO2)9Am)
C/(Am+U)的比例评估为15～16。
树脂的碳化在空气中或在惰性气氛中进行。
如图1所示，该图代表在空气中进行碳化处理的温谱图，反应的主要部分发生于200℃～500℃，200℃～500℃之间的温度梯度设定为2℃/分钟～5℃/分钟。在500℃～1000℃，所应用的温度梯度的范围是5℃/分钟～10℃/分钟。
对于在空气中进行的碳化处理，测定的20℃～1000℃的质量损失约为60％，其遵循以下反应：
R52U9AmO18H31→(U3O8)3AmO2
计算出煅烧后的剩余质量为41％。
关于在惰性气氛(在此处的情况中为氩气)下的碳化处理，如图2的温谱图所示，也表现出反应的主要部分发生于200℃～500℃，200℃～500℃的温度梯度设定为2℃/分钟～5℃/分钟。500℃～1000℃所应用的温度梯度的范围是5℃/分钟～10℃/分钟。
对于这一类型的处理，测定的20℃～1000℃的质量损失接近45％。其对应于以下反应：
R52U9AmO18H31→(UO2)2AmO2+nC
使用试验质量损失，然后可以追踪残余碳的量并计算C/金属之比：n＝9。如果通过延长接触时间而使树脂进一步饱和，则可优化该比例。
形成了具有立方结构的稍微超过化学计量的二氧化铀相，并伴有二氧化镅相。
树脂的形态最初为球形，并在处理过程中一直保持该形态。图3描述了由负载树脂在氩气下于900℃处理后的产物所获取的快照。在该快照中，可以观察到在含碳基质中所包含的二氧化铀、二氧化镅的紧密混合物的微球体。通过在更高的温度下，乃至在还原剂的存在下加热，所述混合物可转化为碳化物或碳氧化物。
实施例2
该实施例描述包含铀和钕的混合氧化物的制备，该制备包括以下步骤：
-制备包含羟基化硝酸铀酰和硝酸钕的负载溶液；
-使该负载溶液通过包括阳离子交换树脂(来自Rohm and Haas的羧酸树脂IMAC HP333)的柱子；
-对负载有铀酰离子和钕离子的树脂进行热处理。
a)负载溶液的制备
目的是制备包含羟基化硝酸铀酰UO2(NO3)1.0(OH)1.0和硝酸钕Nd(NO3)3的负载溶液。
为制备该负载溶液，首先制备90mL的0.05摩尔/L的硝酸钕水溶液和0.1摩尔/L的硝酸铀酰水溶液，其中溶解有9毫摩尔的氧化铀UO3。
待溶解的氧化铀的摩尔数nUO3由以下经验式评估：
nUO3＝[UO2]初始R’V
[UO2]初始对应于硝酸铀酰的初始浓度，V是体积，R’对应于铀所配的硝酸根的数目，即此处为1，换言之，R’可由下式计算：
R’＝([NO3 -]-3[Nd3+])/[UO2 2+]
添加过量的UO3并进行过滤后，由此得到包含硝酸钕Nd(NO3)3(0.05摩尔/L)和络合物UO2(NO3)1.0(OH)1.0(0.2摩尔/L)的溶液。得到的pH为3.7。
b)通过柱子
所选的树脂是包含可交换性羧基的阳离子交换树脂：由Rohm and Haas制造的IMAC HP 333。该树脂的容量为4毫当量/mL，并具有与大孔树脂相当的交换动力学。
该树脂不能直接使用，因此采用粒径分选和大量洗涤循环进行处理。
在该情况中所选的粒径为800μm～1000μm。
随后对由此处理的树脂进行干燥并在倾斜台上再次分选，以除去破裂颗粒或非球形颗粒。
该最后的分选进行完后，将树脂颗粒用软化水再次润湿，并导入柱中以形成床。柱为Bio-Rad品牌的、内径0.7cm、有用高度10.5cm的玻璃柱。床的高度为约8.5cm。
然后使预先制备的负载溶液(体积：100mL)在室温通过树脂颗粒床。
如图4所示，羧酸树脂的质子逐渐与铀酰离子和钕(III)离子交换。正如该图中所示，开始与树脂交换时，洗出液的pH突然下降。
然后pH逐渐升高，直到其后再次确定其等于进入柱的负载溶液的pH值。结合同等地发生，因为铀/钕(III)的比例在不同的间隔测定的洗出液中变化不大，树脂对该阳离子对未显示出任何选择性。
从洗出液与载液相同这一刻开始，可以认为交换完成，树脂再次由金属阳离子饱和。
接下来，用软化水洗涤柱中存在的树脂以除去树脂孔隙中残留的载液，进行脱水，然后在105℃的炉中干燥。
在该实施例中，载液是80∶20原子比的U/Nd混合物，树脂的有用容量则达到离子交换容量的60％，即，7毫当量/g干树脂。
离子交换的总结性方程式可由此简化为：
4UO2(NO3)1.0(OH)1.0+Nd(NO3)3+11RH→R11(UO2)4Nd+4H2O+7HNO3
RH表示质子交换树脂。
负载的干燥树脂中的金属质量含量为37％，其中33％为铀，4％为钕。该树脂的组成可近似表示为：
R21U4NdO8H10或(RH)10(R11(UO2)4Nd)
C/(Nd+U)的比例评估为12。
c.热处理
树脂的碳化在空气中或在惰性气氛中进行。
可以看出，反应的主要部分发生于200℃～500℃，200℃～500℃的温度梯度设定为2℃/分钟～5℃/分钟。500℃～1000℃间所应用的温度梯度的范围是5℃/分钟～10℃/分钟。
对于在空气中进行的碳化处理，碳化平衡遵循以下反应：
R21U4NdO8H10→(U3O8)4/3(Nd2O3)1/2
利用X射线衍射研究在空气中的碳化形式。如图5所显示，观察到的线对应于具有立方结构的混有Nd2O3相的铀相U3O8。通过在H2-氩气还原气氛下的温度处理，U3O8相可转化为UO2相。
对于在氩气下的碳化处理，形成了具有立方结构的二氧化铀UO2与具有相同的立方结构的三氧化二钕Nd2O3的稍微超过化学计量的混合相，如图6所示的衍射图所证明，特征为单一立方结构。
树脂的形态起初为球形，并在处理过程中一直保持该形态。
图7描述了根据如下所述，在氩气下碳化树脂获得的燃料微球体的中纬切面的映射的各种快照(a、b、c和d)。
快照“a”是微球体切面的整体图。快照“b”、“c”和“d”分别图示了碳、钕和铀元素的X荧光微探针分析信号。根据所看到的与微球体核心中的荧光信号强度的相等性，可以推断金属阳离子在碳基质中的分布是均匀的。

Claims (15)

1.一种用于制备氧化物、碳化物和/或碳氧化物类核燃料的方法，所述氧化物、碳化物和/或碳氧化物包含铀和至少一种其它锕系和/或镧系元素，所述方法包括以下步骤：
制备负载溶液的步骤，所述负载溶液是包含锕系和/或镧系元素硝酸盐形式的所述锕系和/或镧系元素和羟基化硝酸铀酰络合物形式的铀的硝酸溶液；
使所述溶液通过包含羧基的阳离子交换树脂的步骤，由此阳离子形式的所述锕系和/或镧系元素以及所述铀酰形式的铀保留结合至所述树脂；
所述树脂的热处理步骤，从而获得所述燃料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述锕系元素是处于氧化态III、V或VI的锕系元素，所述镧系元素是处于氧化态III的镧系元素。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述锕系元素是选自镅、锔、镎及其混合物的次锕系元素。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述次锕系元素源自废燃料的后处理流。
5.如权利要求1所述的方法，其中，制备所述负载溶液的所述步骤包括：
-制备第一硝酸溶液，所述第一硝酸溶液包含所述锕系和/或镧系元素的硝酸盐；
-将预定量的氧化铀UO3或U3O8导入所述第一硝酸溶液中，将所述预定量设定为形成式UO2(NO3)2-x(OH)x的羟基化硝酸铀酰络合物，其中x≤1；
-混合所得的溶液的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其中，待导入所述第一硝酸溶液中的三氧化铀的所述预定量确定为使得硝酸根离子的摩尔数与铀的摩尔数的摩尔比小于2。
7.如权利要求1所述的方法，其中，制备所述负载溶液的所述步骤包括将预定量的三氧化铀导入第一溶液中，所述第一溶液包含所述锕系和/或镧系元素的硝酸盐及备好的硝酸铀酰，以形成式UO2(NO3)2-x(OH)x的羟基化硝酸铀酰络合物，其中x≤1。
8.如权利要求7所述的方法，其中，待导入所述第一溶液中的三氧化铀的所述预定量确定为使得硝酸根离子的摩尔数与铀的摩尔数的摩尔比小于2。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述树脂是通过(甲基)丙烯酸或丙烯腈与交联剂进行(共)聚合而得到的树脂。
10.如权利要求1所述的方法，其中，在所述负载溶液通过所述树脂的步骤之前使所述树脂经历以下步骤中的一个或多个步骤：
-湿校准步骤，该步骤用于分离出所需粒度级分；
-至少一个应用使用氨水和硝酸的碱和酸处理循环进行的洗涤步骤，和随后的使用软化水的漂洗步骤；
-所述漂洗步骤之后的干燥步骤；
-形状分选步骤，该步骤用于除去破裂颗粒或非球形颗粒。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所需粒度级分的范围是600μm～800μm。
12.如权利要求1所述的方法，其中，使所述负载溶液通过所述树脂的所述步骤是使所述负载溶液经由所述树脂渗滤而进行。
13.如权利要求1所述的方法，其中，使所述负载溶液通过所述树脂的所述步骤进行至得到的洗出液的浓度与所述负载溶液的浓度相同为止。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述热处理步骤包括在最高1000℃的温度范围进行的碳化步骤，该步骤在空气中或者在惰性气氛下进行。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述热处理步骤包括还原所述碳化步骤之后得到的材料的步骤，由此获得包含铀和至少一种锕系和/或镧系元素的混合的碳化物和/或碳氧化物。
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