CN106935299A - 一种掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钍基核燃料芯块应用技术领域，具体涉及一种掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法。采用压制工艺压制坯体，对压坯进行破碎筛分获取150μm～300μm之间的颗粒作为成品粒；进行Nb2O5粉末和ThO2粉末均匀化混合；二氧化钍芯块成型为冷压模压成型，成型模具阴模内径为圆柱型结构，使用制粒后的ThO2-0.25wet％Nb2O5粉末进行芯块成型，芯块成型粉末均为1.58±0.20g，升压速率为0.8～1.2KN/s，成型保压时间均为10～15s，生坯密度控制在5.3～5.5g/cm3；掺杂Nb2O5二氧化钍芯块烧结，烧结经历低温、中温和高温三个保温阶段。本发明工艺简单，Nb2O5粉末易于添加，降低ThO2芯块的制备难度以及生产成本，有利于工业化生产。

Description

一种掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法
技术领域
本发明属于钍基核燃料芯块应用技术领域，具体涉及一种掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法。
背景技术
裂变核能的燃料可分为铀基和钍基两类，钍基核燃料的研究与铀基核燃料的研究一样也始于美国“曼哈顿”计划，但由于各种原因，目前在核工业中钍的利用并不多。钍作为核燃料，其资源量是铀的3倍，钍燃料的应用将极大地丰富核燃料资源。ThO2的导热性能比UO2高50％，熔化温度比UO2高340℃，燃料的运行温度更低，裂变气体的释放在同样功率下比较UO2低，而且所有的钍都是可直接利用的核燃料，因此它是一种良好高效的燃料源。232Th与238U一样，是重要的可转换核素，尽管其本身不是易裂变材料，但232Th在俘获一个中子后生成可裂变的233U，233U类似于235U和239Pu，可通过裂变链式反应产生核能。钍作为一种高效的燃料源，不像铀入堆之前必须经过高浓缩，所有的钍都是可以直接利用的核燃料。印度、美国、日本、土耳其、法国、俄罗斯、德国等核能发达国家对钍基燃料循环开展了大量不同程度试验规模的研究工作。由于ThO2熔点很高(约3350℃)，其芯块制备时的烧结温度一般要达到1650℃以上。采用掺杂的方法，可以降低ThO2芯块的烧结温度，印度、土耳其等国开展了掺杂制备ThO2芯块的相关研究，就ThO2中添加CaO、MgO、Nb2O5、V2O5和Ta2O5等掺杂开展了试验,这些掺杂不会对钍燃料造成不利影响。文献中采用1400℃保温2h～6h的高温烧结工艺获得了相对密度约为95％的Nb2O5掺杂ThO2芯块，为低温烧结效果最好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法，制备的掺杂0.25wet％Nb2O5的ThO2芯块，降低了ThO2芯块的烧结温度，在1500℃以下烧结就可以获得高密度的ThO2芯块，降低了ThO2芯块的制备难度以及生产成本，对于钍基核燃料的应用具有重要意义。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，采用压力8～10T、保压时间为20～25s的压制工艺压制坯体，然后对压坯进行破碎筛分获取150μm～300μm之间的颗粒作为成品粒；进行Nb2O5粉末和ThO2粉末均匀化混合：首先称取0.25gNb2O5粉末加入150ml无水乙醇中使其完全溶解，再称取99.75gThO2粉末，加入乙醇溶液中，加入时不断搅拌，使ThO2粉末能够完全浸润，将混合后的溶液自然干燥，获得掺杂Nb2O5后的ThO2粉末做为成型粉末；
步骤2，二氧化钍芯块成型为冷压模压成型，成型模具阴模内径为圆柱型结构，使用制粒后的ThO2-0.25wet％Nb2O5粉末进行芯块成型，芯块成型粉末均为1.58±0.20g，升压速率为0.8～1.2KN/s，成型保压时间均为10～15s，生坯密度控制在5.3～5.5g/cm3；
步骤3，掺杂Nb2O5二氧化钍芯块烧结，烧结经历低温、中温和高温三个保温阶段，经过1.5h由室温升温至500℃保温1.5h，继续升温1.5h至1200℃保温1h，升温0.5h至1300～1350℃保温2～3h。
所述的步骤2采用硬脂酸锌混合四氯化碳作为成型的润滑剂。
所述的步骤3二氧化钍芯块的烧结在氩气保护气氛下进行。
本发明所取得的有益效果为：
本发明通过乙醇溶解Nb2O5粉末，然后再加入ThO2粉末搅拌、烘干方法，可以使两种粉末充分均匀混合，从而使Nb2O5均匀分布于ThO2中。通过成型及烧结工艺优化试验，确定了最佳的工艺参数，达到了在1300～1350℃烧结温度下就可以取得高密度的目的。本发明工艺简单，Nb2O5粉末易于添加，降低ThO2芯块的制备难度以及生产成本，有利于工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明所述一种掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，掺杂Nb2O5二氧化钍芯块粉末准备
步骤1.1，粉末造粒，粉末经过制粒工序后可以改善流动性，提高其成型能力，因而对二氧化钍原始粉末进行了制粒工艺。使用高强钢模具作为制粒模具采用压力8～10T、保压时间为20～25s的压制工艺压制坯体，然后对压坯进行破碎筛分获取150μm～300μm之间的颗粒作为成品粒。本发明制粒主要包括预压饼、破碎和筛分工序。把混合后粉末压制成圆柱片状压坯，压坯成型厚度控制在4mm～5mm。然后对压坯进行破碎筛分，获取150μm～300μm之间的颗粒作为成型粉末。
步骤1.2，Nb2O5添加，由于Nb2O5在浓度为80％的乙醇中具有0.2％的溶解度，而ThO2不溶于乙醇，且乙醇可作为ThO2粉末的脱水剂，能够保持ThO2粉末的颗粒形貌，因而采用如下方法进行Nb2O5粉末和ThO2粉末均匀化混合：首先称取0.25gNb2O5粉末加入150ml无水乙醇中使其完全溶解，再称取99.75gThO2粉末，加入乙醇溶液中，加入时不断搅拌，使ThO2粉末能够完全浸润。将混合后的溶液自然干燥，获得掺杂Nb2O5后的ThO2粉末做为成型粉末。
步骤2，掺杂Nb2O5二氧化钍芯块成型
二氧化钍芯块成型为冷压模压成型，采用硬脂酸锌混合四氯化碳作为成型的润滑剂，成型模具阴模内径为圆柱型结构，使用制粒后的ThO2-0.25wet％Nb2O5粉末进行芯块成型，芯块成型粉末均为1.58±0.20g，升压速率为0.8～1.2KN/s，成型保压时间均为10～15s，生坯密度控制在5.3～5.5g/cm3。
步骤3，掺杂Nb2O5二氧化钍芯块烧结
烧结是控制二氧化钍芯块质量的最重要的工序，直接影响芯块的外观质量。作为核燃料的二氧化钍芯块来说，只有通过烧结工艺，使其具有一定的尺寸和强度，才能获得良好的化学、物理性能。二氧化钍芯块的烧结在氩气保护气氛下进行烧结，烧结经历低温、中温和高温三个保温阶段，经过1.5h由室温升温至500℃保温1.5h，继续升温1.5h至1200℃保温1h，升温0.5h至1300～1350℃保温2～3h。通过此烧结工艺，对烧结后芯块进行密度检测，添加0.25％Nb2O5掺杂的ThO2芯块相对密度密度均可以达到95％以上，实现了通过掺杂Nb2O5降低ThO2芯块烧结温度的目的。

Claims (3)

1.一种掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，采用压力8～10T、保压时间为20～25s的压制工艺压制坯体，然后对压坯进行破碎筛分获取150μm～300μm之间的颗粒作为成品粒；进行Nb2O5粉末和ThO2粉末均匀化混合：首先称取0.25gNb2O5粉末加入150ml无水乙醇中使其完全溶解，再称取99.75gThO2粉末，加入乙醇溶液中，加入时不断搅拌，使ThO2粉末能够完全浸润，将混合后的溶液自然干燥，获得掺杂Nb2O5后的ThO2粉末做为成型粉末；
步骤2，二氧化钍芯块成型为冷压模压成型，成型模具阴模内径为圆柱型结构，使用制粒后的ThO2-0.25wet％Nb2O5粉末进行芯块成型，芯块成型粉末均为1.58±0.20g，升压速率为0.8～1.2KN/s，成型保压时间均为10～15s，生坯密度控制在5.3～5.5g/cm3；
步骤3，掺杂Nb2O5二氧化钍芯块烧结，烧结经历低温、中温和高温三个保温阶段，经过1.5h由室温升温至500℃保温1.5h，继续升温1.5h至1200℃保温1h，升温0.5h至1300～1350℃保温2～3h。
2.根据权利要求1所述的掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法，其特征在于：所述的步骤2采用硬脂酸锌混合四氯化碳作为成型的润滑剂。
3.根据权利要求1所述的掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法，其特征在于：所述的步骤3二氧化钍芯块的烧结在氩气保护气氛下进行。
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