CN108298587A - 一种纳米二氧化铀及其复合材料粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于新型核燃料芯块制备的纳米UO2及其复合物粉末的制备方法。本发采用水热法或沉淀法制备得到纳米UO2及其复合物粉末(包括但不限于纳米UO2粉末、纳米UO2/SiC、纳米UO2/碳纳米管、纳米UO2/石墨烯、纳米UO2/纳米金刚石复合材料粉末)，其制备得到的粉末可作为制备核电站的新型核燃料芯块的原料，具有高熔点、高导热、抗辐照性能好、裂变气体容纳能力强、力学性能优异的特点。

Description

一种纳米二氧化铀及其复合材料粉末的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米二氧化铀及其复合材料粉末的制备方法。
背景技术
二氧化铀(UO2)是目前商用核反应堆应用最广泛的核燃料，具有优异的热、化学、辐照稳定性，以及高熔点、滞留固态裂变产物和阻挡气态裂变产物扩散能力强等优点。然而，依靠声子传热的特性导致其在高温和辐照条件下热导率急剧下降，热量导出能力迅速衰退。因此，目前的UO2-Zr核燃料体系的使用温度只有700-1200℃。在事故状态下，反应堆冷却系统失效，堆内热量无法散去，堆芯温度迅速升高，金属Zr包壳在高温下与水蒸气的氧化放热反应和释氢反应加剧，短时间内释放出大量的热量和氢气，氢气在高温下发生爆炸，包壳管由于各种不良反应以及燃料芯块的变形挤压而发生破裂，芯块由于温度过高而熔毁，反应堆压力壳由于内压过大而损毁，最终导致放射性物质泄漏的核事故(R.O.Meyer,Nucl.Technol.,155,2006,293.)。历次核事故中放射性物质的泄漏都与反应堆堆芯温度过高，燃料棒熔毁直接相关。因此UO2热导率过低的本征特性是引发核泄漏事故的关键因素之一。
针对上述问题，将UO2进行纳米化并将其与高热导率物质复合，制备新型纳米复合燃料芯块，即可同时提高其热物理性能、力学性能和裂变气体容纳能力，进而提升反应堆的安全性。本发明则是为了提供该类型燃料芯块所需的纳米UO2及其复合物粉末这一原材料。
发明内容
本发明拟通过制备纳米UO2材料及其复合材料粉末，从而为制备新型纳米复合燃料芯块奠定基础，采用本发明方法制备得到的纳米UO2材料及其复合材料粉末可作为制备核电站的新型核燃料芯块的原料，具有高熔点、高导热、抗辐照性能好、裂变气体容纳能力强、力学性能优异的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种以沉淀法制备纳米二氧化铀的方法，具体包括以下步骤：将前躯体和沉淀剂分别溶于去离子水中，得到混合溶液B，混合溶液B中前驱体的浓度为0.01-0.5mol/L，还原剂的浓度为0.001-0.5mol/L；搅拌均匀后，在60-100℃条件下反应0.1-12h；冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀；其中，所述前驱体为醋酸铀酰或硝酸铀酰；
优选的，所述沉淀剂为六亚甲基四胺、尿素或水合肼石墨烯。
本发明的另一个目的则是提供一种纳米二氧化铀复合材料粉末的制备方法，以水热法制备，具体包括以下步骤：将前躯体、还原剂和添加物分别溶于去离子水中，得到混合溶液C，混合溶液C中前驱体的浓度为0.01-0.5mol/L，还原剂的浓度为0.01-0.5mol/L，添加物的添加量为纳米二氧化铀理论产量的1％-10％vol；将混合溶液C转移至水热反应釜中，在160-240℃条件下反应4-24h；冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀；其中，所述前驱体为醋酸铀酰或硝酸铀酰。
优选的，所述还原剂为乙二胺或三丙胺。
此外，本发明还提供了以沉淀法制备纳米二氧化铀复合材料粉末的方法，具体包括以下步骤：将前躯体、沉淀剂和添加物分别溶于去离子水中，得到混合溶液D，混合溶液D中前驱体的浓度为0.01-0.5mol/L，沉淀剂的浓度为0.001-0.5mol/L，添加物的添加量为纳米二氧化铀理论产量的0％-10％vol；搅拌均匀后，在60-100℃条件下反应0.1-12h；冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀；其中，所述前驱体为醋酸铀酰或硝酸铀酰。
优选的，所述沉淀剂为六亚甲基四胺、尿素或水合肼加石墨烯。
其中，所述添加物为以下任意一种或多种的组合：粒径为20nm-2μm的SiC颗粒，直径为20nm-200nm、长度为5-20μm的SiC晶须，直径为5nm-100nm、长度为1-20μm的碳纳米管，平面长度为100nm-200μm的石墨烯，粒径为20nm-10μm的纳米金刚石。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了水热法和沉淀法两种方法将UO2进行纳米化并将其与高热导率物质复合，使用本发明方法制备得到的纳米二氧化铀及其复合材料粉末制备纳米复合燃料芯块，具有原材料价格低廉，制备方法简单易行，经济性好的有点。制备得到的纳米复合燃料芯块由于纳米尺度颗粒导致的丰富缺陷和空洞能够更好的抑制辐照损伤的产生，并能够更好的容纳裂变气体能力。
因此，该类型芯块可以同时提高其热物理性能、力学性能和裂变气体容纳能力，从而提升反应堆的安全性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
以下实例1～3为本实施例以沉淀法制备纳米二氧化铀的方法，具体如下：
实例1
步骤一：将醋酸铀酰和六亚甲基四胺分别溶于去离子水中，得到混合溶液，混合溶液中醋酸铀酰的浓度为0.01mol/L，六亚甲基四胺的浓度为0.001mol/L；搅拌均匀后，在60℃条件下反应0.1h；
步骤二：冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀。
实例2
步骤一：将硝酸铀酰和尿素分别溶于去离子水中，得到混合溶液，混合溶液中硝酸铀酰的浓度为0.5mol/L，尿素的浓度为0.5mol/L；搅拌均匀后，在100℃条件下反应12h；
步骤二：冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀。
实例3
步骤一：将醋酸铀酰和水合肼、石墨烯分别溶于去离子水中，得到混合溶液B，混合溶液B中前驱体的浓度为0.5mol/L，水合肼的浓度为0.01mol/L，石墨烯浓度为0.1g/L；搅拌均匀后，在80℃条件下反应8h；
步骤二：冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀。
以下实例4～6为本实施例以水热法制备纳米二氧化铀复合材料粉末的方法，具体如下：
实例4
步骤一：将醋酸铀酰和乙二胺分别溶于去离子水中，得到混合溶液，使混合溶液中醋酸铀酰的浓度为0.01mol/L，乙二胺的浓度为0.01mol/L，再向其中添加纳米二氧化铀理论产量的1％vol的SiC颗粒，SiC颗粒的粒径为20nm-2μm；然后再将混合溶液转移至水热反应釜中，在160℃条件下反应4h；
步骤二：冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀。
实例5
步骤一：将硝酸铀酰和三丙胺分别溶于去离子水中，得到混合溶液，使混合溶液中醋酸铀酰的浓度为0.5mol/L，乙二胺的浓度为0.5mol/L，再向其中添加纳米二氧化铀理论产量的5％vol的SiC晶须，SiC晶须的直径为20nm-200nm、长度为5-20μm；将混合溶液转移至水热反应釜中，在240℃条件下反应24h；
步骤二：冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀。
实例6
步骤一：将醋酸铀酰和三丙胺分别溶于去离子水中，得到混合溶液，使混合溶液中醋酸铀酰的浓度为0.2mol/L，乙二胺的浓度为0.2mol/L，再向其中添加纳米二氧化铀理论产量的10％vol的碳纳米管，碳纳米管的直径为5nm-100nm、长度为1-20μm；将混合溶液转移至水热反应釜中，在200℃条件下反应18h；
步骤二：冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀。
以下实例7～10为本实施例以沉淀法制备纳米二氧化铀复合材料粉末的方法，具体如下：
实例7
步骤一：将醋酸铀酰和六亚甲基四胺分别溶于去离子水中，得到混合溶液，混合溶液中醋酸铀酰的浓度为0.01mol/L，六亚甲基四胺的浓度为0.001mol/L，再向其中添加纳米二氧化铀理论产量的1％vol的SiC颗粒，SiC颗粒的粒径为20nm-2μm；搅拌均匀后，在60℃条件下反应0.1h；
步骤二：冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀。
实例8
步骤一：将硝酸铀酰和尿素分别溶于去离子水中，得到混合溶液，混合溶液中硝酸铀酰的浓度为0.5mol/L，尿素的浓度为0.5mol/L，再向其中添加纳米二氧化铀理论产量的5％vol的石墨烯，石墨烯的平面长度为100nm-200μm；搅拌均匀后，在100℃条件下反应12h；
步骤二：冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀。
实例9
步骤一：将醋酸铀酰和水合肼、石墨烯分别溶于去离子水中，得到混合溶液B，混合溶液B中前驱体的浓度为0.5mol/L，水合肼的浓度为0.01mol/L，石墨烯的浓度为0.2g/L，再向其中添加纳米二氧化铀理论产量的10％vol的纳米金刚石，纳米金刚石的粒径为20nm-10μm；搅拌均匀后，在80℃条件下反应8h；
步骤二：冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种纳米二氧化铀的制备方法，其特征在于，以沉淀法制备，具体包括以下步骤：将前躯体和沉淀剂分别溶于去离子水中，得到混合溶液B，混合溶液B中前驱体的浓度为0.01-0.5mol/L，还原剂的浓度为0.001-0.5mol/L；搅拌均匀后，在60-100℃条件下反应0.1-12h；冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀；其中，所述前驱体为醋酸铀酰或硝酸铀酰。
2.根据权利要求1所述的一种纳米二氧化铀的制备方法，其特征在于，所述沉淀剂为六亚甲基四胺、尿素或石墨烯。
3.一种纳米二氧化铀复合材料粉末的制备方法，其特征在于，以水热法制备，具体包括以下步骤：将前躯体、还原剂和添加物分别溶于去离子水中，得到混合溶液C，混合溶液C中前驱体的浓度为0.01-0.5mol/L，还原剂的浓度为0.01-0.5mol/L，添加物的添加量为纳米二氧化铀理论产量的1％-10％vol；将混合溶液C转移至水热反应釜中，在160-240℃条件下反应4-24h；冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀；其中，所述前驱体为醋酸铀酰或硝酸铀酰。
4.根据权利要求3所述的一种纳米二氧化铀复合材料粉末的制备方法，其特征在于，所述还原剂为乙二胺、三丙胺或水合肼。
5.一种纳米二氧化铀复合材料粉末的制备方法，其特征在于，以沉淀法制备，具体包括以下步骤：将前躯体、沉淀剂和添加物分别溶于去离子水中，得到混合溶液D，混合溶液D中前驱体的浓度为0.01-0.5mol/L，还原剂的浓度为0.001-0.5mol/L，添加物的添加量为纳米二氧化铀理论产量的0％-10％vol；搅拌均匀后，在60-100℃条件下反应0.1-12h；冷却后，将得到的沉淀物离心分离，并使用酒精和去离子水冲洗，最后在60-100℃条件下干燥即可得到纳米二氧化铀；其中，所述前驱体为醋酸铀酰或硝酸铀酰。
6.根据权利要求5所述的一种纳米二氧化铀复合材料粉末的制备方法，其特征在于，所述沉淀剂为六亚甲基四胺、尿素或水合肼和石墨烯。
7.根据权利要求3～6任意一项所述的一种纳米二氧化铀复合材料粉末的制备方法，其特征在于，所述添加物为以下任意一种或多种的组合：粒径为20nm-2μm的SiC颗粒，直径为20nm-200nm、长度为5-20μm的SiC晶须，直径为5nm-100nm、长度为1-20μm的碳纳米管，平面长度为100nm-200μm的石墨烯，粒径为20nm-10μm的纳米金刚石。
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