CN118173294A - 一种氮化铀燃料微球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮化铀燃料微球的制备方法，包括以下步骤：步骤1：在液体中加入碳源并使其均匀分散在溶液中；步骤2：通过外凝胶法制得含碳微球；步骤3：将含碳微球在一定气氛下和温度完成含碳微球的碳化还原反应，并在高温下使用氮气置换原气氛完成氮化反应得到碳化铀微球。本发明通过外凝胶法胶液的制备过程加入碳源，使碳源在溶液中分散并制得含碳微球，再将含碳微球在一定气氛和一定温度下得到碳化铀微球，拓展氮化铀燃料的应用领域。
Description
技术领域
本发明涉及核燃料核芯材料制备技术领域，尤其涉及一种氮化铀燃料微球的制备方法。
背景技术
目前，国内外现有制造工艺主要有循环氢化-脱氢-氮化、低温氮化、高温氮化法、碳热还原-高温氮化法制备氮化铀燃料粉末或芯块。现有碳热还原-高温氮化技术存在以下缺点：产品形态多为粉末状，不能满足弥散型燃料元件制造中需要的球形颗粒的制备的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化铀燃料微球的制备方法，解决解决氮化铀颗粒制备问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种氮化铀燃料微球的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在液体中加入碳源并使其均匀分散在溶液中；
步骤2：通过外凝胶法制得含碳微球；
步骤3：将含碳微球在一定气氛下和温度完成含碳微球的碳化还原反应，并在高温下使用氮气置换原气氛完成氮化反应得到碳化铀微球。
步骤1具体包括：
步骤1.1：增稠剂制备：将聚乙烯醇、四氢糠醇和去离子水按一定比例混合后，制备出增稠剂；
步骤1.2：碳源加入：以一定的碳铀比向增稠剂中加入碳源，向碳源内加入一定量的增稠剂并不断搅拌使碳源与增稠剂充分融合，制得含碳增稠剂备用；
步骤1.3：煮胶液制备：使用硝酸将八氧化三铀粉末溶解，制得浓度为400g/L-750g/L和pH为1.0-5.0的硝酸铀酰溶液，向硝酸铀酰溶液中加入一定量的尿素和硝酸铵，制得煮胶液；
步骤1.4：溶胶液制备：将步骤1.2制得的含碳增稠剂按照一定比例加入步骤1.3制得的煮胶液进行均匀混合，制得溶胶液；
步骤1.5：将步骤1.4制得的溶胶液以一定流量通过喷嘴喷出，喷嘴在激振器带动下将溶胶液切割成无数小液滴，小液滴经过空气段成球和氨气段固化落入氨水中形成凝胶球，经洗涤、干燥后得到含碳微球。
步骤1.1中，聚乙烯醇和去离子水需按比例混合在90℃～100℃下进行混合。
步骤1.2中添加的碳源包括高纯碳粉、炭黑、乳果糖的其中一种无机或有机碳源。
步骤1.5中将含碳液体通过氨水或氨气固化成所需直径的球形颗粒。
步骤3具体包括：将步骤1.5中的含碳微球在氩气气氛下进行使碳与铀进行反应，再通入氮气置换微球中的碳，得到氮化铀微球。
步骤6具体包括：在1680℃-1900℃使碳与铀进行反应，然后在高于1680℃下通入氮气置换气氛，得到氮化铀微球。
与现有技术相比，本发明提供的氮化铀燃料微球的制备方法具有以下有益效果：
本发明制备的氮化铀燃料为球形，球形颗粒的粒径(100-800μm)可根据制备要求进行确定。
本发明通过外凝胶法胶液的制备过程加入碳源，使碳源在溶液中分散并制得含碳微球，再将含碳微球在一定气氛和一定温度下得到碳化铀微球，拓展氮化铀燃料的应用领域。
进一步地，本发明通过将碳源优先添加到增稠剂中来增加碳源的溶解度，通过对增稠剂进行过滤来降低碳颗粒对胶液的影响，通过适当的碳源添加比例配制符合外凝胶分散使用的含碳溶胶液，用于制备出纯度较高的氮化铀微球。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明所提供的氮化铀燃料微球的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种氮化铀燃料微球的制备方法，采用碳热还原-高温氮化法，先通过外凝胶法(步骤1.1至1.3)制备含碳微球，再将含碳微球在氩气或真空气氛下还原得到UC(碳化铀)，再在氮气气氛下完成氮化反应制得UN(氮化铀)微球。
步骤1：制备含碳干燥微球，具体如下：
步骤1.1：增稠剂制备：将聚乙烯醇、四氢糠醇和去离子水按一定比例(1:0:8-1:15:15))混合后，制备出增稠剂。
步骤1.2：碳源加入：以一定的碳铀比(1:1-5:1)(摩尔比)向增稠剂中加入碳源，向碳源(碳粉、炭黑、有机糖)内加入一定量的增稠剂并不断搅拌使碳源与增稠剂充分融合，制得含碳增稠剂备用；其中，碳源包括高纯碳粉(≥4N)、炭黑(TPX1408，0.4μm)、乳果糖等含碳量和纯度较高的其中一种无机或有机碳源。
步骤1.3：煮胶液制备：使用硝酸将八氧化三铀粉末溶解，制得浓度为(400g/L-750g/L)和pH为(1-3)1.0-5.0的硝酸铀酰溶液，向硝酸铀酰溶液中加入一定量的尿素(尿素/铀为2:1-3:1)和硝酸铵，制得煮胶液。
步骤1.4：溶胶液制备：将步骤1.2制得的含碳增稠剂按照一定比例加入步骤1.3制得的煮胶液进行均匀混合，制得溶胶液。
步骤1.5：将步骤1.4制得的溶胶液以一定流量通过喷嘴喷出，喷嘴在激振器带动下将溶胶液切割成无数小液滴，小液滴经过空气段成球和氨气段固化落入氨水中形成凝胶球，经洗涤、干燥后得到含碳微球。
步骤2：将含碳微球在一定气氛下(氢气、氩气或氩气或真空)和温度(1680℃以上)完成含碳微球的碳化还原反应，并在高温(大于1800℃)下使用氮气置换原气氛完成氮化反应得到碳化铀微球。
(1)碳源的引入
向增稠剂熬制设备中加入30～70kg去离子水，启动搅拌，调节控制器频率为30～50Hz，称取4.0～5.2kg聚乙烯醇(PVA)缓慢加入增稠剂熬制设备内，将槽内温度逐渐加热至85～95℃后，保温搅拌1.5～3.0小时，停止加热，降至室温。向槽内缓慢加入0-70kg四氢糠醇，搅拌2～5h后停止搅拌，在容器中静置备用。
按1.0～2.0kg增稠剂/kgU用量，取出1000～2000g增稠剂置于不锈钢桶内，再按碳铀比(C/U)＝2.5(摩尔比)向增稠剂中加入碳粉，使用机械搅拌器充分搅拌，制得含碳增稠剂后静置备用。
(2)制备含碳干燥微球
取1.0kgU的煮胶液与含碳增稠剂进行混合。混合后溶胶液以一定流量通过喷嘴喷出，喷嘴在激振器带动下将溶胶液切割成无数小液滴，小液滴经过空气段成球和氨气段固化落入氨水中形成凝胶球，经洗涤、干燥后得到含碳微球。
(3)制备氮化铀微球
将含碳微球在一定气氛下(氢气、氩气或氩气或真空)和温度(1680℃以上)完成含碳微球的碳化还原反应，并在高温(大于1800℃)下使用氮气置换原气氛完成氮化反应得到碳化铀微球。
通过使用上述工艺，制备得到600g氮化铀微球，粒径范围300～700mm，球形度：≤1.2，密度：≥12.8g/cm3(90％TD)。
本发明采用外凝胶法制备初期产品，再经过碳热还原-高温氮化制备的氮化铀微球状产品，过程中通过调节分散喷头尺寸、调节分散压力、适当的原料添加配比、氢气-氮气-氩气比例，可实现小批量致密度好、氮化铀微球产品制备，且可根据需求调节产品尺寸。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种氮化铀燃料微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在液体中加入碳源并使其均匀分散在溶液中；
步骤2：通过外凝胶法制得含碳微球；
步骤3：将含碳微球在一定气氛下和温度完成含碳微球的碳化还原反应，并在高温下使用氮气置换原气氛完成氮化反应得到碳化铀微球。
2.根据权利要求1所述的氮化铀燃料微球的制备方法，其特征在于，步骤1具体包括：
步骤1.1：增稠剂制备：将聚乙烯醇、四氢糠醇和去离子水按一定比例混合后，制备出增稠剂；
步骤1.2：碳源加入：以一定的碳铀比向增稠剂中加入碳源，向碳源内加入一定量的增稠剂并不断搅拌使碳源与增稠剂充分融合，制得含碳增稠剂备用；
步骤1.3：煮胶液制备：使用硝酸将八氧化三铀粉末溶解，制得浓度为400g/L-750g/L和pH为1.0-5.0的硝酸铀酰溶液，向硝酸铀酰溶液中加入一定量的尿素和硝酸铵，制得煮胶液；
步骤1.4：溶胶液制备：将步骤1.2制得的含碳增稠剂按照一定比例加入步骤1.3制得的煮胶液进行均匀混合，制得溶胶液；
步骤1.5：将步骤1.4制得的溶胶液以一定流量通过喷嘴喷出，喷嘴在激振器带动下将溶胶液切割成无数小液滴，小液滴经过空气段成球和氨气段固化落入氨水中形成凝胶球，经洗涤、干燥后得到含碳微球。
3.根据权利要求2所述的氮化铀燃料微球的制备方法，其特征在于，步骤1.1中，聚乙烯醇和去离子水需按比例混合在90℃～100℃下进行混合。
4.根据权利要求2所述的氮化铀燃料微球的制备方法，其特征在于，步骤1.2中添加的碳源包括高纯碳粉、炭黑、乳果糖的其中一种无机或有机碳源。
5.根据权利要求2所述的氮化铀燃料微球的制备方法，其特征在于，步骤1.5中将含碳液体通过氨水或氨气固化成所需直径的球形颗粒。
6.根据权利要求1所述的氮化铀燃料微球的制备方法，其特征在于，将步骤1.5中的含碳微球在氩气气氛下进行使碳与铀进行反应，再通入氮气置换微球中的碳，得到氮化铀微球。
7.根据权利要求8所述的氮化铀燃料微球的制备方法，其特征在于，步骤6具体包括：在1680℃-1900℃使碳与铀进行反应，然后在高于1680℃下通入氮气置换气氛，得到氮化铀微球。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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