CN110085337A - 一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法 - Google Patents

一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种UO2‑ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法，所述显微组织分析用样品采用氟化氢铵和高纯去离子水的混合溶液作为蚀刻剂，所述氟化氢铵和高纯去离子水的配比为1g:1ml；将所述混合溶液用于蚀刻UO2‑ZrO2陶瓷燃料，蚀刻后UO2‑ZrO2陶瓷燃料用于显微组织分析。本发明可以很好地显示出新型、高性能UO2‑ZrO2陶瓷燃料芯块清晰的显微组织，特别是晶粒形貌和晶界轮廓，为优化UO2‑ZrO2陶瓷燃料的制备工艺和性能改进奠定了基础；且工艺技术路线简单，工艺参数易于控制，对工艺设备和相关实验器皿无苛刻要求，易于实现。

Description

一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法
技术领域
本发明涉及核反应堆燃料技术领域，具体涉及一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法。
背景技术
核电作为一种清洁、高效的非化石类能源，近年来为世界许多国家应对环境恶化、缓解能源危机发挥了极其重要的作用。核电技术的核心是核反应堆技术，为提高核反应堆的安全性和经济性、缓解乏燃料的后处理压力，作为核反应堆核心部件的核燃料元件正朝着高卸料燃耗、长换料周期方向发展。为提高燃料元件的卸料燃耗、延长换料周期，改善和提高燃料的堆内辐照性能是核燃料元件发展必须面临的重要问题。根据文献报道，在现有陶瓷UO2燃料中添加适量的Zr形成的UO2-ZrO2陶瓷燃料能显著提高燃料的堆内服役性能。UO2-ZrO2燃料相比现有的纯UO2燃料而言具有以下几方面优点：
(1)堆内辐照肿胀比纯UO2燃料低。在相同辐照条件下，当燃料中的辐照密实完成之后，UO2-ZrO2燃料的辐照肿胀率仅为纯UO2燃料的65％。
(2)在高温水及水蒸汽中的耐腐蚀性能比纯UO2燃料更优。高辐照剂量条件下的高温水和水蒸汽会引发纯UO2燃料发生腐蚀，而同等辐照条件下的UO2-ZrO2燃料在高温水或水蒸汽中仍然保持良好的稳定性。
(3)堆内导热性能比纯UO2燃料更好。虽然UO2-ZrO2燃料在堆内辐照过程中的热导率比纯UO2燃料略低，但几乎不随燃耗增加而发生变化，而纯UO2燃料的热导率会随堆内辐照过程中燃耗的增加持续减小。
因此，基于上述优点，在水冷核动力反应堆中发展高性能UO2-ZrO2燃料具有十分广阔的应用前景。
燃料的堆外性能研究是燃料研发过程中的必要环节。由于燃料芯块的制备工艺，特别是烧结后的物理与力学性能取决于其微观组织结构，而微观组织结构的观察与分析又很大程度上依赖于燃料芯块的晶粒形貌和晶界特性，因此，开展UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的显微组织分析(金相显微镜分析、扫描电子显微镜分析)用样品制备方法研究是研发新型高性能UO2-ZrO2燃料的关键环节。
实验研究表明，一般通过化学试剂蚀刻后能够清晰的显示出材料的显微组织和形貌，由于UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的化学稳定性比纯UO2陶瓷燃料芯块的化学稳定性高，而不同锆含量的UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块间的化学稳定性差异也较大，因此在UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的金相与扫描电镜分析实验中发现，采用传统的纯UO2燃料蚀刻溶液(H2SO4:H2O2＝9:1)无法有效显现出UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的晶界，也就无法获得燃料芯块的显微组织和形貌。因此，若不及时解决UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的显微组织分析用样品制备过程中的蚀刻问题，将严重影响高性能UO2-ZrO2陶瓷燃料的研发与性能评价。
因此，亟需提供一种针对UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块有效的显微组织分析用样品制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：采用传统的纯UO2燃料蚀刻溶液，无法有效显现出UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的晶界，无法获得燃料芯块的显微组织和形貌，本发明提供了解决上述问题的一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法，采用氟化氢铵和高纯去离子水的混合溶液作为蚀刻剂，所述氟化氢铵和高纯去离子水的配比为1g:1ml；采用所述混合溶液蚀刻UO2-ZrO2陶瓷燃料，蚀刻后UO2-ZrO2陶瓷燃料用于显微组织分析。所采用的高纯去离子水的电导率＜1.0×10-4S/m。
进一步地，将所述混合溶液加热至沸腾；然后将UO2-ZrO2陶瓷燃料置于沸腾的混合溶液中腐蚀；取出腐蚀后的UO2-ZrO2陶瓷燃料用于显微组织分析。所述混合溶液加热温度为100℃～130℃。
进一步地，将UO2-ZrO2陶瓷燃料置于沸腾的混合溶液中腐蚀20s～70s。
进一步地，所述UO2-ZrO2陶瓷燃料中，ZrO2的含量在0～10wt％范围内时，使用沸腾的混合溶液腐蚀UO2-ZrO2陶瓷燃料20s～30s。
进一步地，所述UO2-ZrO2陶瓷燃料中，ZrO2的含量在10wt％～15wt％范围内时，使用沸腾的混合溶液腐蚀UO2-ZrO2陶瓷燃料30s～50s。
进一步地，所述UO2-ZrO2陶瓷燃料中，ZrO2的含量在15wt％～20wt％范围内时，使用沸腾的混合溶液腐蚀UO2-ZrO2陶瓷燃料50s～70s。
本发明具有如下的优点和有益效果：
研究实验表明，一般通过化学试剂蚀刻后能够清晰地显示出材料的显微组织和形貌，由于UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的化学稳定性比纯UO2陶瓷燃料高，而不同锆含量的UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块间的化学稳定性差异也较大，因此在UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的金相与扫描电镜分析实验中发现，采用传统的纯UO2燃料蚀刻溶液(H2SO4:H2O2＝9:1)无法有效显现出UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的晶界，也就无法获得燃料芯块的显微组织和形貌。而本发明通过提供一种新的蚀刻溶液，可用于UO2-ZrO2陶瓷燃料的蚀刻，且针对不同锆含量的UO2-ZrO2陶瓷燃料，均可获得UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块清晰的显微组织，特别是晶粒形貌和晶界轮廓。有益效果具体如下：
1、本发明可以很好地显示出高性能、长寿期UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块清晰的显微组织，特别是晶粒形貌和晶界轮廓，为优化UO2-ZrO2陶瓷燃料的制备工艺和性能改进奠定坚实的基础；
2、本发明工艺技术路线简单，工艺参数易于控制，对工艺设备和相关实验器皿无苛刻要求，成本较低，易于实现。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为腐蚀后UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的SEM图，UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块中ZrO2含量在0～10wt％范围内；
图2为腐蚀后UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的SEM图，UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块中ZrO2含量在10wt％～15wt％范围内；
图3为腐蚀后UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块的SEM图，UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块中ZrO2含量在15wt％～20wt％范围内。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实验前准备工作：
(1)原材料：
不同ZrO2含量的UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块(ZrO2含量范围：0～20wt％)；自制高纯去离子水、国产化学纯氟化氢铵；镶样粉、抛光液、水磨砂纸。
(2)设备及仪器：
金相镶样机、金相抛光机、金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、量筒、玻璃烧杯、玻璃棒、洗耳球、卫生棉球、电吹风机、电加热炉。
(3)蚀刻前预处理：
首先，将UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块样品依次经过600号、800号、1000号和1200号金相砂纸磨光表面；其次，将磨光后的UO2-ZrO2陶瓷燃料样品在抛光机上抛光3min～5min；然后，经过抛光处理后的UO2-ZrO2陶瓷燃料样品用去离子水冲洗5min～8min；最后烘干，具体可采用电吹风机吹干UO2-ZrO2陶瓷燃料样品的表面，获得预处理后的UO2-ZrO2陶瓷燃料样品备用。
实施例1
选择UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块中ZrO2含量在0wt％～10wt％范围内的样品，采用50g分析纯氟化氢铵与50ml高纯去离子水混合配比后形成的溶液，作为腐蚀UO2-ZrO2陶瓷燃料的蚀刻剂；将上述溶液在电加热炉上加热至沸腾，迅速将预处理后的UO2-ZrO2陶瓷燃料样品放入溶液中腐蚀20s～30s，可以蚀刻出UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块清晰的晶粒形貌和晶界轮廓，在扫描电子显微镜下观察到完整的显微组织，如图1所示，工作电压为180KV，放大倍数为5000x，工作距离为30μm。
实施例2
选择UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块中ZrO2含量在10wt％～15wt％范围内的样品，采用50g分析纯氟化氢铵与50ml高纯去离子水混合配比后形成的溶液，作为腐蚀UO2-ZrO2陶瓷燃料的蚀刻剂；将上述溶液在电加热炉上加热至沸腾，迅速将预处理后的UO2-ZrO2陶瓷燃料样品放入溶液中腐蚀30s～50s，可以蚀刻出UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块清晰的晶粒形貌和晶界轮廓，在扫描电子显微镜下观察到完整的显微组织，如图2所示，工作电压为180KV，放大倍数为5000x，工作距离为30μm。
实施例3
选择UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块中ZrO2含量在15wt％～20wt％范围内的样品，选用50g分析纯氟化氢铵与50ml高纯去离子水混合配比后形成的溶液作为腐蚀UO2-ZrO2陶瓷燃料的蚀刻剂，在电加热炉上加热至沸腾，迅速将经过磨光和抛光处理后的样品放入溶液中腐蚀50s～70s，可以蚀刻出UO2-ZrO2陶瓷燃料芯块清晰的晶粒形貌和晶界轮廓，在扫描电子显微镜下观察到完整的显微组织，如图3所示，工作电压为200KV，放大倍数为5000x，工作距离为30μm。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法，其特征在于，采用氟化氢铵和高纯去离子水的混合溶液作为蚀刻剂，所述氟化氢铵和高纯去离子水的配比为1g:1ml；采用所述混合溶液蚀刻UO2-ZrO2陶瓷燃料，蚀刻后UO2-ZrO2陶瓷燃料用于显微组织分析。
2.根据权利要求1所述的一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法，其特征在于，将所述混合溶液加热至沸腾；然后将UO2-ZrO2陶瓷燃料置于沸腾的混合溶液中腐蚀；取出腐蚀后的UO2-ZrO2陶瓷燃料用于显微组织分析。
3.根据权利要求2所述的一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法，其特征在于，将UO2-ZrO2陶瓷燃料置于沸腾的混合溶液中腐蚀20s～70s。
4.根据权利要求2或3任一项所述的一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法，其特征在于，所述UO2-ZrO2陶瓷燃料中，ZrO2的含量在0～10wt％范围内时，使用沸腾的混合溶液腐蚀UO2-ZrO2陶瓷燃料20s～30s。
5.根据权利要求2或3任一项所述的一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法，其特征在于，所述UO2-ZrO2陶瓷燃料中，ZrO2的含量在10wt％～15wt％范围内时，使用沸腾的混合溶液腐蚀UO2-ZrO2陶瓷燃料30s～50s。
6.根据权利要求2或3任一项所述的一种UO2-ZrO2陶瓷燃料显微组织分析用样品的制备方法，其特征在于，所述UO2-ZrO2陶瓷燃料中，ZrO2的含量在15wt％～20wt％范围内时，使用沸腾的混合溶液腐蚀UO2-ZrO2陶瓷燃料50s～70s。
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