CN113012836A - 一种轻水堆用un芯块的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核燃料核芯材料制造技术领域，具体涉及一种轻水堆用UN芯块的制备方法。以铸态铀锭为原料，通过循环氢化‑脱氢工艺，制备金属铀粉，再通过氮化得到高氮铀比化合物粉末；将高氮铀比化合物粉末置于石墨模具中预压后，连同模具一起在钨钼烧结炉中高温脱氮分解，再经球磨后获得纯净的细微UN粉体；将获得的UN粉体置于石墨模具中，在热压烧结炉中，获得致密的UN燃料芯块。本发明通过氢化‑脱氢‑氮化‑脱氮工序，获得了纯度高、粒径小的高活性UN粉末，相较于碳热还原法，粉末纯度大大提高，再通过优化后的热压烧结工艺，获得致密度密90％以上的燃料芯块。

Description

一种轻水堆用UN芯块的制备方法
技术领域
本发明属于核燃料核芯材料制造技术领域，具体涉及一种轻水堆用UN芯块的制备方法。
背景技术
UN的铀密度为13.55gU/cm3，显著高于UO2(9.66gU/cm3)。UN的热传导性至少比UO2高5倍，并且熔点相似(～2850℃)。UN燃料因其具有高热导、高铀密度、高熔点、高温稳定性、中子谱硬、热膨胀系数低、辐照稳定性好、裂变气体释放率低、与液态金属良好的相容性等诸多优良性能，已成为未来第四代核能系统的重要候选燃料。
目前，通过无压和压力烧结制备出的UN芯块存在两大技术问题：一是目前UN粉末基本采用碳热还原工艺进行制备，获得的粉末中含有大量的C及O，还要通过脱碳、除氧等工序进行进一步的纯化操作，即便如此，粉末中的O含量也很难控制在2000ppm以下。此外，通过上述工艺获得的UN粉末粒度大，活性低，其烧结性能大打折扣。其二，由于UN分子扩散系数低，烧结活性差，同时存在烧结温度受限于分解温度的问题，很难获得致密度高于85％的芯块。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轻水堆用UN芯块的制备方法，通过氢化-脱氢-氮化-脱氮工序，获得了纯度高、粒径小的高活性UN粉末，相较于碳热还原法，粉末纯度大大提高，再通过优化后的热压烧结工艺，获得致密度密90％以上的燃料芯块。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种轻水堆用UN芯块的制备方法，以铸态铀锭为原料，通过循环氢化-脱氢工艺，制备金属铀粉，再通过氮化得到高氮铀比化合物粉末；将高氮铀比化合物粉末置于石墨模具中预压后，连同模具一起在钨钼烧结炉中高温脱氮分解，再经球磨后获得纯净的细微UN粉体；将获得的UN粉体置于石墨模具中，在热压烧结炉中，获得致密的UN燃料芯块。
通过2-5次循环氢化-脱氢工艺，制备金属铀粉。
制备粉末D90<20微米的金属铀粉。
再通过氮化得到高氮铀比化合物粉末UxNy，0.6<x/y<1。
连同模具一起在钨钼烧结炉中加热至1300～1500℃高温脱氮分解。
在热压烧结炉中，20-50MPa压力下，经1500-1600℃烧结2h以上后，获得致密的UN燃料芯块。
本发明所取得的有益效果为：
通过氢化-脱氢-氮化-脱氮工艺获得了平均粒径2.926μm的UN粉末，粉末中碳含量低于500ppm，氧含量低于1000ppm，比碳热还原法制备的粉末具有更度及平均粒径，以及更低的杂质含量；使用氢化脱氢工艺获得的纯净UN粉末作为原料进行热压烧结，采用合适的热压烧结工艺，获得了致密度超过90％的致密UN芯块。
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。
本发明所述轻水堆用UN芯块的制备方法如下：
以铸态铀锭为原料，通过2-5次循环氢化-脱氢工艺，制备粉末D90<20微米的金属铀粉，再通过氮化得到高氮铀比化合物粉末(UxNy，0.6<x/y<1)。为防止高氮铀比化合物粉末氧化，将高氮铀比化合物粉末置于石墨模具中预压后，连同模具一起在钨钼烧结炉中加热至1300～1500℃高温脱氮分解，再经球磨后获得纯净的细微UN粉体。将获得的UN粉体置于石墨模具中，在热压烧结炉中，20-50MPa压力下，经1500-1600℃烧结2h以上后，获得致密的UN燃料芯块。
实施例1
本发明所述的一种轻水堆用UN芯块的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一：将Φ30×3mm金属铀片置入硝酸中浸泡，去除铀片表面氧化膜，再用无水乙醇清洗去除铀块表面的残留酸液。随后将金属铀片置入盛有无水乙醇的容器内；
步骤二：将浸泡有金属铀片的容器转移至氢化脱氢炉内，在氢化脱氢炉内将浸泡在无水乙醇中的金属铀片取出干燥后进行氢化反应：在氢气气氛中加热金属铀片，使其发生吸氢反应生成UHx粉末，氢化温度250℃，氢化时间4h；
步骤三：将氢化后的UHx粉末在真空气氛中升温至480℃，保温4h，使其分解获得纯U微米粉末，真空度为10-2Pa；
步骤四：将金属铀粉置于炉中升温至450℃，置换炉内气氛为氮气，通入氮气1～5m3/h，使U粉与N2充分反应获得高氮铀比粉末；
步骤五：将粉末置于石墨模具中，预压后转移至烧结炉内，在真空气氛中进行高温脱氮反应，使粉末分解为纯UN粉末，分解温度1400℃；
步骤六：将分解后的UN粉末，通过行星式球磨机进行机械球磨，使粉末粒度细化，并使粒度分布及颗粒形貌趋于均匀，为后续热压烧结提供高活性粉末。在惰性保护气氛中进行干磨，磨球为ZrO2磨球，球磨转速300r/min，球磨时间10-30min；
步骤七：将球磨、筛分后的UN粉末置于石墨模具中，通过热压烧结炉完成真空热压，热压时间2h、热压温度1550℃、热压压强40MPa；
步骤八：将获得的芯块进行磨削、抛光等机械加工，除去表面渗碳层。
实施例2
本发明所述的一种轻水堆用UN芯块的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一：将Φ30×3mm金属铀片置入硝酸中浸泡，去除铀片表面氧化膜，再用无水乙醇清洗去除铀块表面的残留酸液。随后将金属铀片置入盛有无水乙醇的容器内；
步骤二：将浸泡有金属铀片的容器转移至氢化脱氢炉内，在氢化脱氢炉内将浸泡在无水乙醇中的金属铀片取出干燥后进行氢化反应：在氢气气氛中加热金属铀片，使其发生吸氢反应生成UHx粉末，氢化温度270℃，氢化时间4h；
步骤三：将氢化后的UHx粉末在真空气氛中升温至480℃，保温4h，使其分解获得纯U微米粉末，真空度为10-2Pa；
步骤四：将金属铀粉置于炉中升温至450℃，置换炉内气氛为氮气，通入氮气1～5m3/h，使U粉与N2充分反应获得高氮铀比粉末；
步骤五：在真空气氛中进行高温脱氮反应，使高氮铀比粉末分解为纯UN粉末，分解温度1450℃；
步骤六：将分解后的UN粉末，通过行星式球磨机进行机械球磨，使粉末粒度细化，并使粒度分布及颗粒形貌趋于均匀，为后续热压烧结提供高活性粉末。在惰性保护气氛中进行干磨，磨球为ZrO2磨球，球磨转速300r/min，球磨时间10-30min；
步骤七：将球磨、筛分后的UN粉末置于石墨模具中，通过热压烧结炉完成真空热压，热压时间2h、热压温度1600℃、热压压强50MPa；
步骤八：将获得的芯块进行磨削、抛光等机械加工，除去表面渗碳层。
实施例3
步骤一：将Φ30×3mm金属铀片置入硝酸中浸泡，去除铀片表面氧化膜，再用无水乙醇清洗去除铀块表面的残留酸液。随后将金属铀片置入盛有无水乙醇的容器内；
步骤二：将浸泡有金属铀片的容器转移至氢化脱氢炉内，在氢化脱氢炉内将浸泡在无水乙醇中的金属铀片取出干燥后进行氢化反应：在氢气气氛中加热金属铀片，使其发生吸氢反应生成UHx粉末，氢化温度280℃，氢化时间4h；
步骤三：将氢化后的UHx粉末在真空气氛中升温至520℃，保温4h，使其分解获得纯U微米粉末，真空度为10-2Pa；
步骤四：将金属铀粉置于炉中升温至480℃，置换炉内气氛为氮气，通入氮气1～5m3/h，使U粉与N2充分反应获得高氮铀比粉末；
步骤五：在真空气氛中进行高温脱氮反应，使高氮铀比粉末分解为纯UN粉末，分解温度1400℃；
步骤六：将分解后的UN粉末，通过行星式球磨机进行机械球磨，使粉末粒度细化，并使粒度分布及颗粒形貌趋于均匀，为后续热压烧结提供高活性粉末。在惰性保护气氛中进行干磨，磨球为ZrO2磨球，球磨转速300r/min，球磨时间10-30min；
步骤七：将球磨、筛分后的UN粉末置于石墨模具中，通过热压烧结炉完成真空热压，热压时间2h、热压温度1650℃、热压压强70MPa；
步骤八：将获得的芯块进行磨削、抛光等机械加工，除去表面渗碳层。
表1三种实施例中UN粉末成分
Figure BDA0002328686350000051
表2三种实施例中UN芯块密度
Figure BDA0002328686350000061
本发发明以低碳铸态铀为原料，通过氢化-脱氢-氮化-脱氮工艺，制备高纯度、低粒径的UN粉末。再通过热压烧结工艺，获得致密度90％以上的UN芯块，作为一种轻水堆燃料芯块进行应用。

Claims (6)

1.一种轻水堆用UN芯块的制备方法，其特征在于：以铸态铀锭为原料，通过循环氢化-脱氢工艺，制备金属铀粉，再通过氮化得到高氮铀比化合物粉末；将高氮铀比化合物粉末置于石墨模具中预压后，连同模具一起在钨钼烧结炉中高温脱氮分解，再经球磨后获得纯净的细微UN粉体；将获得的UN粉体置于石墨模具中，在热压烧结炉中，获得致密的UN燃料芯块。
2.根据权利要求1所述的轻水堆用UN芯块的制备方法，其特征在于：通过2-5次循环氢化-脱氢工艺，制备金属铀粉。
3.根据权利要求1所述的轻水堆用UN芯块的制备方法，其特征在于：制备粉末D90<20微米的金属铀粉。
4.根据权利要求1所述的轻水堆用UN芯块的制备方法，其特征在于：再通过氮化得到高氮铀比化合物粉末UxNy，0.6<x/y<1。
5.根据权利要求1所述的轻水堆用UN芯块的制备方法，其特征在于：连同模具一起在钨钼烧结炉中加热至1300～1500℃高温脱氮分解。
6.根据权利要求1所述的轻水堆用UN芯块的制备方法，其特征在于：在热压烧结炉中，20-50MPa压力下，经1500-1600℃烧结2h以上后，获得致密的UN燃料芯块。
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