CN113023782B - 一种重铀酸钠(Na2U2O7)直接制备UO2的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用Al‑Li合金直接还原Na₂U₂O₇制备UO₂的方法。首先在LiCl‑KCl熔盐中电解制备Al‑Li合金，保证生成过量的金属锂用于还原反应，随后加入干燥的Na₂U₂O₇粉末，利用金属锂还原Na₂U₂O₇得到UO₂产品，可通过搅拌促进还原反应的进行。本发明中UO₂的收率可达88.1％，本发明省去了溶解Na₂U₂O₇、沉淀(NH₄)₂U₂O₇、煅烧(NH₄)₂U₂O₇制备U₃O₈过程，不仅节省了设备数量、简化了工艺流程，而且本发明中的还原过程可在空气氛围中进行，使用的熔盐和Al合金可实现循环使用。

Description

一种重铀酸钠(Na2U2O7)直接制备UO2的方法

技术领域

本发明涉及一种重铀酸钠(Na₂U₂O₇)制备UO₂的方法，属于核技术领域。

背景技术

二氧化铀(UO₂)燃料是目前主流的核燃料。因UO₂具有受强辐照时不发生异性变形、在高温下晶格结构不变、不挥发和不与水发生化学反应等特征，已广泛应用于制造反应堆燃料元件。

在铀矿加工工业发展的过程中，曾研究了各种制备铀浓缩物的方法，目前应用最多的还是沉淀法。沉淀法包括酸性溶液中沉淀铀和碱性溶液中沉淀铀。其中，常用碱性溶液如碱浸液、离子交换过程的Na₂CO₃淋洗液和溶剂萃取过程的Na₂CO₃反萃取液，比对应的酸性溶液杂质含量要低很多，从这些碱性溶液中沉淀铀的工业方法主要有两种：碱分解法(加入氢氧化钠直接沉淀出重铀酸钠)和酸分解法(加酸酸化破坏碳酸根，然后加碱中和沉淀出重铀酸盐)。

利用重铀酸钠(Na₂U₂O₇)制备UO₂的常用方法为将Na₂U₂O₇溶解于硝酸中制备成硝酸铀酰溶液，待充分溶解后加入氨水(或通入氨气)将溶液中的硝酸铀酰转化为重铀酸铵沉淀，对重铀酸铵沉淀进行过滤，所得滤饼经干燥后在600～800℃条件下煅烧得到U₃O₈。随后在500～700℃的氢气氛围中对所得U₃O₈粉末进行还原得到UO₂产品。这种方法工艺流程较长。

发明内容

本发明的目的是为克服当前Na₂U₂O₇制备UO₂过程繁琐、工艺复杂问题，而提供一种重铀酸钠(Na₂U₂O₇)直接制备UO₂的方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种重铀酸钠(Na₂U₂O₇)直接制备UO₂的方法，包括如下步骤：

步骤一：还原剂Al-Li合金的制备：首先将混合均匀的LiCl-KCl盐装入坩埚后在井式炉中加热熔化并升温至660℃，以液态铝为阴极，石墨棒为阳极，通以0.1～5A槽电压3.6～5V的电流电解制备Al-(5～10wt.％)Li合金，生成过量3～5倍的金属Li，保证后续加入的Na₂U₂O₇粉末充分还原，电解完成后，将钨丝导线及石墨棒从坩埚中撤出。

步骤二：还原Na₂U₂O₇制备UO₂：完成Al-(5～10wt.％)Li合金制备后，加入预先烘干的Na₂U₂O₇粉末，充分搅拌后，静置一段时间，再将熔盐上清液倾倒回收，然后水洗所余的不溶物，取出Al合金块，最后将水洗后的UO₂烘干可制得产品。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述LiCl-KCl的质量比38：45。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在LiCl-KCl熔盐体系中电解制备Al-Li合金直接还原Na₂U₂O₇制备UO₂产品，与现有UO₂制备方法相比，本发明省去了溶解Na₂U₂O₇、沉淀(NH₄)₂U₂O₇、煅烧(NH₄)₂U₂O₇制备U₃O₈过程，不仅节省了设备数量、简化了工艺流程，而且本发明中的还原过程可在空气氛围中进行，使用的熔盐和Al合金可实现循环使用。

附图说明

图1为LiCl-KCl熔盐体系中电解制备还原剂Al-Li合金的装置图；

图2为Al-Li热还原Na₂U₂O₇制备UO₂的装置图；

图3为UO₂产物的XRD图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种Na₂U₂O₇直接制备UO₂的方法，包括操作：

还原剂Al-Li合金的制备：制备Al-(5～10wt.％)Li合金的装置如图1所示，装置包括：直流电源、钨丝、石墨棒、套管、坩埚。首先将混合均匀的LiCl-KCl(质量比38：45)盐装入坩埚后在井式炉中加热熔化并升温至660℃，以液态铝为阴极，石墨棒为阳极，通以0.1～5A(槽电压3.6～5V)的电流电解制备Al-(5～10wt.％)Li合金，生成过量3～5倍的金属Li，保证后续加入的Na₂U₂O₇粉末充分还原。电解完成后，将钨丝导线及石墨棒从坩埚中撤出。

将金属铝熔化于熔盐底部作为阴极并通过套管包覆的钨丝连接到直流电源负极上，将覆有套管的石墨棒作为阳极插入到熔盐中且另一端连接到直流电源正极上。其中，套管的作用为绝缘和防止电极腐蚀。将置于LiCl-KCl熔盐中的液态铝阴极和石墨阳极分别与直流电源接通后，选取合适的电流值和电解时间进行电解，保证生成过量的金属Li对后续加入的Na₂U₂O₇进行还原。阴极通过形成Al-Li合金来防止金属Li上浮，使其在熔盐底部与加入的Na₂U₂O₇粉末充分接触。

还原Na₂U₂O₇制备UO₂：Na₂U₂O₇还原装置如图2所示，装置包括：坩埚、搅拌棒。完成Al-(5～10wt.％)Li合金制备后，加入预先烘干的Na₂U₂O₇粉末，充分搅拌后，静置一段时间，再将熔盐上清液倾倒回收，然后水洗所余的不溶物，取出Al合金块，最后将水洗后的UO₂烘干可制得产品。其中，熔盐上清液和取出的Al合金块可循环使用。

产物的表征和回收率计算：对还原后的产物进行蒸馏水洗涤，然后进行抽滤，并在80～150℃下烘干，得到黑色粉末，对所得产品进行称重和XRD表征，并计算得到UO₂的收率(η)，收率的定义如下：

其中，

为实际得到的UO₂的质量，

为所还原的产品完全回收时应得到的质量。

实施例：

(1)还原剂Al-(8wt.％)Li合金的制备

实施例中制备Al-Li合金的实验装置如图1所示，实验装置包括：直流电源、钨丝、石墨棒、刚玉套管、氧化铝坩埚。将烘干的LiCl-KCl(38g：45g)混合盐置于氧化铝坩埚中，在660℃井式炉中熔化并稳定，将3g的金属铝放入熔盐中熔化，然后将打磨光亮并用刚玉套管保护的钨丝插入液态铝中组成液态阴极，将盐酸煮过且完成干燥并覆有刚玉套管的光谱纯石墨棒插入熔盐中作为阳极。阴、阳极与直流电源连通后，选取1A的恒电流电解1小时制备Al-(8wt.％)Li合金。电解完成后，将钨丝及石墨棒撤出。

(2)还原Na₂U₂O₇制备UO₂

实施例中锂热还原Na₂U₂O₇的实验装置如图2所示，实验装置包括：氧化铝坩埚、搅拌棒。将1.00g烘干后的Na₂U₂O₇粉末加入到完成步骤(1)的氧化铝坩埚中。用搅拌棒对熔盐搅拌10min，然后静置20min。将静置后的熔盐从井式炉中提出并将上清液倾析而出，然后待不溶物降温后使用蒸馏水洗涤得到UO₂和Al合金块。其中，熔盐上清液和Al合金块可循环使用。对洗涤后的UO₂产物进行抽滤，将所得滤饼置于90℃的环境下干燥2小时，得到黑色粉末。

(3)产物表征

对步骤(2)所得黑色粉末进行称重和XRD表征(如图3)，干燥后得到黑色粉末的质量为0.75g，XRD表征结果表明所得产品为UO₂，通过计算得到UO₂的回收率η为88.1％。

综上所述：本发明提供了一种利用Al-Li合金直接还原Na₂U₂O₇制备UO₂的方法。首先在LiCl-KCl熔盐中电解制备Al-Li合金，保证生成过量的金属锂用于还原反应，随后加入干燥的Na₂U₂O₇粉末，利用金属锂还原Na₂U₂O₇得到UO₂产品，可通过搅拌促进还原反应的进行。本发明中UO₂的收率可达88.1％。

Claims (2)

1.一种Na₂U₂O₇直接制备UO₂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：还原剂Al-Li合金的制备：首先将混合均匀的LiCl-KCl盐装入坩埚后在井式炉中加热熔化并升温至660℃，以液态铝为阴极，石墨棒为阳极，通以0.1～5A槽电压3.6～5V的电流电解制备Al-(5～10wt.％)Li合金，生成过量3～5倍的金属Li，保证后续加入的Na₂U₂O₇粉末充分还原，电解完成后，将钨丝导线及石墨棒从坩埚中撤出；

步骤二：还原Na₂U₂O₇制备UO₂：完成Al-(5～10wt.％)Li合金制备后，加入预先烘干的Na₂U₂O₇粉末，充分搅拌后，静置一段时间，再将熔盐上清液倾倒回收，然后水洗所余的不溶物，取出Al合金块，最后将水洗后的UO₂烘干可制得产品。

2.根据权利要求1所述的一种Na₂U₂O₇直接制备UO₂的方法，其特征在于，所述LiCl-KCl的质量比38：45。

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