CN1886805A - 核燃料球粒的生产方法 - Google Patents

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Abstract

通过对包含UO2二氧化铀的材料进行烧结生产核燃料球粒，该材料由UF6六氟化铀转变工艺产生的粉末得到。将UF6六氟化铀转变工艺直接得到的粉末引入包含运动压制和混合物体的容器并以如下方式搅动容器，使得在容器内部体积中以三个不共面的轴运动粉末，以便在可动物体之间以及可动物体与容器壁之间对其进行压制，直到形成颗粒材料，该颗粒材料相对于通过转变工艺得到的粉末具有较高密度，并且使用通过在容器内部搅动直接得到的颗粒材料来成型待进行烧结的原料燃料球粒。优选在处理期间使容器处于振动运动。可以在通过容器内部的搅动的处理之前或期间，向容器中引入各种不同的添加剂。

Description

核燃料球粒的生产方法
本发明涉及生产主要包含二氧化铀UO2的核燃料球粒的方法，该方法用于制造核反应堆的燃料元件。
核反应堆且特别是用于压力水冷核反应堆的燃料元件通常包含末端封闭的长管，管内填充通常直径略小于10mm且长度为10mm至20mm的燃料球粒。
对主要包含二氧化铀UO2的材料在通常接近于1700℃的温度下进行烧结获得该燃料球粒，该包含UO2的材料由六氟化铀UF6的转变工艺产生的粉末得到。
人们已经知道由六氟化铀通过转变获得铀氧化物特别是二氧化铀的不同方法。尤其是已知被称为“干法转变工艺”的用于气态六氟化铀转变工艺，其中通过蒸汽对六氟化铀进行高温水解。通过这种方法可以获得平均组成可以分子式UO2+x表示的氧化物。这些氧化物主要包含二氧化物UO2和各种比例的其它氧化物例如U3O8或U3O7，取决于进行UF6转变工艺的方式，通过干法工艺得到的粉末是包含极小尺度(0.1μm至0.4μm)微晶的低密度粉末(密度通常小于1g/cm3)，这些微晶以或大或小程度团聚在一起。这种粉末具有一般的流动性(通过标准流动测试测量)。
生产燃料球粒时，在烧结之前必须通过对颗粒材料进行冷压制造原料球粒。在工业制造的情形中，通过压制制造原料球粒要求以高速率将颗粒材料放入深且窄的圆柱形模具中，因此用于制造随后进行烧结的原料球粒的颗粒材料必需具有良好的流动性并且由该材料能够获得在烧结之前充分坚固可承受操作的原料球粒。
提高原料球粒力学性能的各种方法是已知的(例如法国专利2,599,883和欧洲专利0249,549中所描述的加入确定质量的U3O8粉末)。这些方法通常基于向UO2中加入受控制量的氧化物，例如U3O8或U3O7。通常，帮助原料球粒成型并且可以控制烧结的燃料球粒的孔隙率和密度的添加剂，例如润滑剂和成孔材料，还必需与制造原料球粒的颗粒材料结合。
通过六氟化铀转变工艺特别是干法工艺得到的氧化铀粉末不能未经处理而用于制造原料球粒。许多操作通常是必需的以便获得具有良好流动特性的颗粒材料，该材料的密度明显大于粉末密度并且具有获得良好品质的原料球粒必需的理想特性。特别地，为了获得足够尺寸和形状的颗粒以便提高流动性和可压制性，必须增加粉末的颗粒尺寸并使其一致。
通常，在转变设备中对由干法转变工艺直接得到的粉末首先进行过筛，并且/或者将过筛期间残留的硬颗粒(例如氟化颗粒)磨碎，将粉末均匀化、装填并存储以便用于球粒生产单元，该单元可以位于转变单元附近或者不位于其附近。
然后将粉末装入球粒化单元混合器并加入添加剂，特别是成孔添加剂，然后将该粉末与添加剂混合并均匀化，并以在压机中对粉末混合物进行预压制以便获得预压制材料。然后在研磨机或造粒机中对预压制材料进行造粒操作，接着在搅动容器中进行球化操作以便获得接近于球状的规则形状颗粒。然后在施加压制之前加入润滑剂，通过搅动使其与颗粒混合，以便获得随后将被烧结的原料球粒。
因此由UF6转变工艺直接得到的粉末变化为可压制成原料球粒形式的颗粒材料需要许多操作，必须在满意的条件下进行所有这些操作，以便可以获得良好品质的原料球粒和烧结球粒。所有这些操作需要许多不同的设备例如混合器、压机(辊式压制机)和造粒研磨机，这些设备会由于许多原因而发生故障。主要的风险环节是造粒机出口处的筛的失效，需要该筛用来确保生产原料球粒的颗粒材料具有良好一致的颗粒尺寸。如果该筛失效，需要对得到的产物进行再次处理以便除去筛的损坏产生的金属残留物并确保球粒生产操作所需的适当颗粒尺寸。
人们还知道通过湿法利用悬浮体喷雾的工艺制造铀氧化物粉末的方法。通过“湿法”工艺得到的粉末的密度和流动性优于通过干法工艺得到的粉末，并且具有不能通过目前已知干法工艺直接获得的颗粒尺寸特性。然而还必须在成型为待烧结的原料球粒之前对这些粉末进行调节处理。此外，由于安全性和环境相关的因素，越发希望用干法工艺代替湿法工艺，并且越发必需为通常利用湿法产物的设备提供干法获得的UO2粉末。
特别地，在制造包含二氧化铀UO2和二氧化钚PuO2的混合物的混合MOX燃料时，必需为制造单元提供通过干法获得UO2粉末。
目前使用的氧化铀与氧化钚混合球粒的制造方法需要使用具有良好流动性的UO2粉末，该粉末包含优选为规则形状的颗粒，具有接近于2g/cm3的高密度，和控制在250μm以下的颗粒尺寸，以获得氧化铀和氧化钚的良好混合物，以及可获得具有良好机械强度的原料球粒的性质。
为了向干法粉末提供良好的密度、流动性和颗粒尺寸性质，已提出对于通过可工业实施的干法得到的氧化铀粉末进行喷雾干燥的工艺，该工艺可用于包含有限浓度的235U同位素的氧化铀粉末。
此外还提出，为了提高干法粉末的流动、密度和颗粒尺寸特性，可以通过进行预压制、随后进行造粒来制造颗粒。然而，得到的颗粒过大(最高达1200μm)以致不能与氧化钚粉末紧密混合。因此必需进行进一步的造粒和利用颗粒筛分的研磨操作。常规的研磨技术会对流动性能造成有害影响并降低产物的密度。此外，该操作复杂并且造成一定危险，使用的筛网丝可能损坏，因此碎屑可能混入颗粒中，这可能对使用该颗粒的球粒形成设备造成损坏。更常见地，在MOX燃料制造中除添加氧化钚PuO2以外，可能需要向干法得到的UO2粉末中加入多种添加剂。这些添加剂可以是例如吸收剂和可裂变燃料物质的减速材料，例如ThO2或稀土金属氧化物入Gd2O3、Er2O3。为了将这些添加剂加入并与干法得到的UO2粉末混合，必须对该UO2粉末进行事先的调节处理，例如通过或大或小程度的均匀化或喷雾干燥，之后是预压制和造粒操作，在这些操作之后进行一个或多个阶段的研磨和/或筛分。因此这些工艺是复杂的，并且需要对UO2粉末进行调节和使其与添加剂混合的多个阶段。
如上文所述，在制造主要基于氧化铀UO2的燃料时，通常以80/20或优选90/10的比例制备UO2和U3O8(或U3O7)的混合物。使用的U3O8氧化物可以利用干法工艺，通过调节UF6发生蒸汽高温水解的条件直接得到。也可以通过UO2粉末的低温氧化得到U3O8或U3O7。可以在预压制阶段之前将氧化物U3O8或U3O7加入到初始粉末或加入到球粒单元中的混合物中。
可以在工艺中的不同阶段加入用于调节燃料球粒微结构的其它添加剂如氧化铬、氧化铝、氧化硅、氧化钒和氧化铌或其它化合物并与干法得到的二氧化铀混合，在所有情形中，这要求制备具有制造原料球粒所需特性的颗粒材料。这些添加和混合操作会进一步使颗粒材料的制备复杂化。
在该方法的某些阶段中通常需要使用润滑剂，例如在预压制之前和将颗粒材料压缩成原料球粒形式之前。
特别地，必须在制造原料球粒之前进行的操作众多而且复杂，特别是使用干法工艺得到微细氧化铀UO2的情形中，它的流动性较小或不具有流动性，其中必需用这些工艺来替代湿法工艺。
因此本发明的目的是提供制造核燃料球粒的方法，该方法包括对包含由六氟化铀UF6转变工艺产生的粉末获得的二氧化铀UO2的材料进行烧结，通过该方法可以简化获得含二氧化铀UO2的颗粒材料的操作，该材料具有合适的性质可用于制造随后进行烧结的原料球粒。
为此目的，将六氟化铀UF6转变工艺直接得到的粉末置于包含运动压制与混合物体的容器中，并对该容器进行搅动，以便使粉末在容器内部体积中沿三个不共面的轴运动，以便在运动物体之间以及运动物体与容器壁之间对粉末进行压制，直到形成未致密化状态密度至少为1.7g/cm3的颗粒材料，使用该通过在容器内部搅动得到的颗粒材料通过致密化形成待烧结的原料燃料球粒。
依照本发明的方法可以独立或组合包含下列特征：
-容器进行三维振动运动；
-置于容器中的粉末通过干法转变工艺得到并且具有小于1g/cm3的密度，且通过在容器中搅动得到的未致密化颗粒材料的密度约为2g/cm3；
-通过UF6六氟化物转变工艺直接到的粉末具有小于1g/cm3的密度和由通过15mm孔口的标准测试确定的零流动性，并且在容器中搅动数分钟之后，在容器中通过搅动得到的颗粒材料具有大于10g/s的流动性；
-对包含运动物体以及由UF6六氟化物转变工艺直接得到的粉末的容器进行搅动，持续1至600分钟；
-容器中的运动压制与混合物体是具有任何简单几何形状以及低粗糙度表面的自由物体；
-运动物体是圆柱形；
-运动物体具有大致为球形的珠粒的形状；
-运动物体由下列材料中的一种制成：烧结氧化铝Al2O3，烧结氧化铀，烧结的纯或掺杂氧化锆，碳化钨，钢，金属铀或铀/钛合金；
-对容器进行搅动之前，将包含至少一种成核剂的至少一种添加剂与利用UF6六氟化物转变工艺直接得到的二氧化铀UO2粉末一起加入到容器中，加入比例为至少0.01％；
-将至少一种添加剂与利用UF6六氟化物转变工艺直接得到的二氧化铀UO2粉末一起放入容器中；
-对容器进行搅动处理之前将添加剂放入容器中；
-在对容器进行搅动处理的过程中将添加剂放入容器中；
-该添加剂包含下列物质中的至少一种：氧化铀U3O8、氧化铀U3O7、氧化钚PuO2、氧化钍ThO2、氧化钆Gd2O3、成孔物质、润滑剂、烧结掺杂剂；
-为了制造混合氧化铀-氧化钚(MOX)燃料球粒，将容器置于封闭外罩如手套箱中，并将氧化铀和氧化钚的粉末以及添加剂放入容器中，然后利用从封闭外罩外部进行控制的方式对容器进行搅动；
-通过对在容器中搅动获得的颗粒材料进行压制使原料球粒成型之前，向颗粒材料中加入润滑材料并使颗粒材料与润滑材料混合，以便使润滑材料分布在颗粒材料的颗粒上；
-在运动物体存在时，在形成制造MOX燃料用的原料球粒之前，将通过搅动转变粉末得到的主要包含氧化铀UO2的颗粒材料与氧化钚PuO2粉末混合。
为了更好地理解本发明，下面将描述依照本发明的方法的若干实施方案和用于实施它们的特定装置。
本发明方法的一个基本方面是，它可以在单一的压制和混合操作中，使直接由UF6转变工艺得到的起始材料变成可用于通过通常用于制造原料球粒的压力下的压制来制造原料球粒的颗粒材料。
起始材料是氧化铀粉末，该粉末主要包含通过六氟化铀UF6转变工艺且更具体为干法转变工艺直接得到的UO2。这种由转变单元出口得到的粉末具有通常以形式UO2+x限定的组成，这种粉末主要包含UO2和少量其它氧化物如U3O8和U3O7，可以对这些少量氧化物的量进行调节。由转变单元出口得到的粉末包含尺度为0.1μm至0.4μm的微晶，它们可以以脆性较大或较小、一般为0.5至20微米中等尺寸的团聚体形式部分团聚在一起。这种粉末的密度始终小于2g/cm3或甚至小于1.5g/cm3，并且通常小于1g/cm3且大约为0.7至0.9g/cm3。根据通过锥形容器中的15mm孔口的标准测试确定这种粉末的流动性，以克/秒的数值表示，该粉末的流动性为零，在标准测试中该粉末不能流过孔口。
本文中指出的所有密度均为利用标准测试测得的堆密度(除非另外说明)。
这种低密度、小颗粒尺寸且流动性为零的起始材料在未经过加工的情况下不能用于制造原料球粒的工艺。
例如当它由湿法得到的UO2氧化物粉末组成时，该起始材料在未经过中间处理的情况下也不适用于制造原料球粒。
依照本发明的方法仅包含单一的在容器中应用的由上述起始粉末转变为颗粒材料的阶段，该颗粒材料在未致密化状态具有1.7g/cm3以上的密度和良好的流动性，其中将起始粉末和任何的添加剂放置在容器中，如下文所述。所用容器通常具有内部用合成有机材料层如聚氨酯内衬的钢壁，以便减小或消除容器壁磨损和容器内的产物被污染的风险。该容器壁通常具有绕轴旋转得到的形状，例如圆柱形或环形。该容器包含运动压制与混合物体，该物体优选在容器内自由和/或也可以按照能够运动的方式与容器相连。
将容器以可动方式安装在支架上并且该容器包含可以施加搅动的运动装置，因此容器中的材料如粉末与该运动压制和混合物体，以三维运动在容器的容积内运动，即它们的运动矢量具有沿空间中不共面的三个轴的分量。可以仅通过容器的搅动或同时通过容器的搅动与容器内的提升部件引起材料在容器内的运动。
位于容器内的运动部件通常由硬金属或合金制成或者由陶瓷材料制成。这些运动部件优选包含烧结氧化铝或氧化铀，由此达到需要硬度以便防止可能对粉末或纯净球粒的性能产生有害影响的材料对氧化铀粉末的产生污染。
位于容器内部的运动压制与混合物体可以具有多种形状，例如圆柱形，球形或立方形；这些运动物体可以包含例如球、环、珠、立方体、具有平端面或半圆端面的圆柱、碟状，或任何其它形状的物体。
该容器的容量可以广泛变化而不影响实施该工艺的条件。该容器的容量可以从几公斤到几百公斤，甚至最高可达几吨，容器的容量对应于它可以容纳的组分(粉末和运动物体)的最大质量。
根据容器的容量，必须对许多参数进行调节以便获得将氧化铀粉末转变成制造原料球粒的颗粒材料的最佳转变产率。这些参数具体有运动物体的含量，其定义为运动物体的总体积与容器的可用体积之比；粉末填充率，其定义为放入容器中的粉末的总体积与容器的可用体积之比，以及粉末/运动物体填充系数，定义为当容器静止时放入容器中的粉末的总体积与运动物体的间隙体积之比。
通常以这样的方式填充容器：覆盖所有的运动物体并填充运动物体的间隙。也可以使用其它填充条件。
优选将包含可动物体的容器以可引起振动的方式安装在固定支架上，并且其包含通常含不平衡电动机的振动驱动装置。
在已证实可以用干法转变得到的UO2粉末很好地生产颗粒材料的一个特定实施方案中，使用SWECO公司生产的参考名为DM1的市售研磨机。
该研磨机容器具有环形的壁，并用其旋转的垂直轴通过垂直轴螺旋形支撑弹簧安装在固定支架上。将振动电机牢固的安装在容器壁上，并使其轴线沿容器的垂直轴线方向。该电机的重量不均衡，因此当使其旋转时，它将以三维摆动振动运动驱动该容器，容器的轴同时发生旋转和摆动运动。容器内含自由运动的物体，该物体可以是例如球形或圆柱形或更复杂的形状，在启动搅动容器的电机之前，将需要进行处理的粉末倒在该物体之上。自由运动物体和粉末在容器的运动和振动作用下运动，以三维轨迹填充容器内部容积的大部分。在自由运动物体和粉末在容器的运动和振动作用下运动的过程中，粉末在运动物体之间以及运动物体与容器壁之间受到压制。
出乎意料的是，将UF6干法转变工艺产生的氧化铀粉末放入SWECODM1研磨机时，观察到粉末的颗粒尺寸随时间持续增加。SWECO设备被其制造商描述为振动研磨机，它可以将颗粒材料或粉末的颗粒尺寸减小到低至0.5μm的亚微米尺度。干法转变粉末具有接近于0.8g/cm3的密度，包含0.1μm至0.4μm的微晶，这些微晶较大或较小程度地相互结合成团块形式，在这种已知设备中的加工通过运动物体之间的压制从而产生颗粒，该颗粒尺寸随时间而变均匀并且介于10μm至150μm之间。粉末的密度随在包含运动物体的容器内的处理时间持续增加，直到大约一小时至两小时以后密度值达到大约2g/cm3。如上文所述，干法转变粉末的流动性为零，并且在包含运动物体的容器中进行振动处理数分钟之后，颗粒的流动性超过10g/s并且可迅速达到最高60g/s以及更大的明显更高的数值(使用上述设备测得)。
在包含运动物体的容器中处理一小时或两小时后，且某些情形中最多150分钟后，得到的颗粒材料可用于通过压制生产原料球粒，因为其密度、流动性和可压制性是由于所得颗粒的形状和它们的颗粒尺寸。
此外，在包含运动物体的振动容器中进行处理同时可以产生干法转变工艺得到的氧化铀粉末与添加剂的紧密混合，添加剂例如PuO2，ThO2，Gd2O3和Er2O3或再如成孔剂如烧结期间容易被破坏的有机或无机物质，或润滑剂例如硬脂酸锌或硬脂酸铝或亚乙基双硬酯酰胺(bistearamide)，或用于调节烧结球粒的晶体结构的掺杂剂。可以向容器内混合物中加入可以调节球粒的结构与组成的任何其它添加剂，例如上述的那些添加剂。
还可以向混合物中加入还具有成孔作用并用于替代常规成孔剂的润滑剂，例如名称为AZB的产品或草酸铝或其衍生物。
可以在开始处理之前填充容器时或者在处理过程中的特定时间，将添加剂全部或部分加入氧化物粉末(通常包含UO2和U3O8)中。
可以将(一种或多种)润滑剂加入并与颗粒混合，颗粒可以已经在起始粉末中形成或者也可以未形成，以便在随后的压制阶段过程中获得润滑效果。
依照本发明的方法可以生产主要包含氧化铀UO2和其它材料的燃料，例如中子吸收材料如氧化钆或氧化铒或可裂变燃料物质如氧化钚或其它可裂变制品如氧化钍。在需要的时间将这些制品加入到容器中以便获得这些材料与UF6转变得到的粉末产生的铀氧化物形成的颗粒很好地混合。
在有毒和/或放射性材料如氧化钚的情形中，毫无疑问必须采用本领域技术人员所熟知的预防措施。然而，使用依照本发明的方法使之可以在包含运动压制物体的单一容器中以单个操作得到可用于生产原料球粒的颗粒材料，通过将容器置于保护性外罩如手套箱内，从手套箱外部可以对填料的制备、添加和容器的振动操作进行控制，从而可以方便的进行这些操作而且不会对操作人员产生危险。
在一个优选实施方案的情形中，运动压制与混合物体在容器内部完全自由，并且构成容器内填料的一部分。在该情形中，以预定的量将压制物体如珠粒或圆柱首先放入容器中。然后加入由UF6和转变工艺直接得到的粉末以及不同的添加剂(若适合)。然后使容器开始运动且优选进行振动运动。运动物体始终保持在容器内，通过容器底部的栅网将处理后的材料排出。
依照一个优选实施方案，容器内的运动物体是极硬的氧化铝Al2O3。当实施依照本发明的方法时，传递到运动物体上对粉末产生压制的动能适中，因此运动物体之间以及运动部件与容器壁之间的碰撞中使用的能量较低。因此该运动压制与混合物体受到非常有限的破坏，且因此粉末不会被来自运动压缩物体的物质污染。此外，向燃料球粒中加入少量氧化铝不会产生损害，而且铝甚至可以提供有益的作用。进一步的测量显示铝产生的该污染不超过百万分之几。
当使用烧结氧化铀UO2运动物体而不是氧化铝物体时，完全消除了被氧化铀粉末中不存在的元素污染的风险。此外，由于烧结氧化铀物体的密度高(理论密度为10.96g/cm3)使动能提高，从而减少了处理时间。然而，由于运动物体中的一些劣化，向粉末中加入烧结氧化铀形式的铀会大大降低混合物的可烧结性，并且不会产生其它显著优点。
下面将描述若干实施方案以便更好地理解本发明。
下面将描述本发明的三个实施方案，分别以实施例1、2和3表示，以及比较例。
依照本发明方法的特征阶段包括，在包含运动物体的容器中对干法转变工艺直接得到的粉末进行处理，以便得到可用于生产原料球粒的颗粒材料，可以SWECO公司生产的名为DM1的市售振动研磨机中进行该处理。
在四个实施例的情形中，环形垂直轴研磨容器包含20kg运动物体，该运动物体由直径和长度约为1/2″(12.7mm)烧结氧化铝圆柱体构成。当进行处理时将粉末倒在运动压制物体上，该物体在容器内部完全自由。然后启动附属于该容器的非均衡电机，对该容器进行振动运动。
                      实施例1
由UF6六氟化物的干法转变工艺产生的氧化铀UO2连续制备几种颗粒材料填料。为了制备第一系列中的八种填料，将10kg粉末形式的材料放入研磨机的容器中，该粉末材料包含89wt％氧化铀UO2，6％UROX和5％U3O8，向其中加入0.2％的亚乙基双硬酯酰胺和0.55wt％的草酸铵，该研磨机容器中包含氧化铝运动物体。
为了制备第二系列中的八种填料，向与第一系列的八种填料组成相同的材料中加入0.2wt％的亚乙基双硬酯酰胺和0.47wt％的草酸铵，并将其相继放入容器中。
名为UROX的制品是在获得铀氧化物的UF6转变中由氟氧化铀UO2F2得到的氧化铀U3O8，或者是在高温熔炉内由UO2氧化物得到的氧化铀U3O8。
在球粒的生产过程中或者之后，将加入混合物中的U3O8氧化物和UROX在燃料球粒中回收。
在容器中对第一系列填料中的各种填料以及第二系列填料中的各种填料进行搅动，使填料和运动物体在空间所有方向上运动。
经过大约120分钟的处理时间之后，容器中得到主要包含铀氧化物的颗粒材料，该材料具有如下性质：
未致密化状态的平均密度(DNT)：约2.2g/cm3。
致密化状态的平均密度(DT)：约2.9g/cm3。
平均流动性：约57g/s。
在混合器中对每个系列八种填料中的颗粒进行均匀化，以便使其具有一致的性质(特别是集中于上述值的密度和流动性)。
为了对两个系列的各个填料进行均匀化，将八种填料颗粒放入通常用于核燃料球粒制造设备的旋转容器混合器中，并使该容器旋转。
该混合器容器的形状优选为双圆锥形。这种通常被称为双圆锥混合器的容器常规上用于核燃料制造设备中。
使用容量至少为80kg的双圆锥，并向其中放入每个系列填料的八种填料，然后使双圆锥旋转并持续大约5分钟以便获得均匀的颗粒材料，该材料具有上述的平均特性。
非常明显，在本发明的工业应用中，当可利用容量足够(例如80kg)并具有运动物体的搅动容器时，可以在单一操作中对起始粉末混合物进行搅动以便获得均匀颗粒材料，而无需在双圆锥中进行进一步的均匀化处理。
然而，在对填料进行均匀化之后或者在大容量的容器中对粉末进行搅动之后使用双圆锥，以便使润滑剂与颗粒材料混合。
在利用双圆锥均匀化填料的情形中，向双圆锥中的均匀化的填料加入润滑剂，以及在单一操作中得到全部颗粒材料的情形中，将颗粒材料转移到双圆锥中并加入润滑剂。
例如，向颗粒材料中加入0.25wt％的亚乙基双硬酯酰胺。通过使双圆锥容器旋转约1分30秒使润滑剂与颗粒材料混合。
选择作为润滑剂的亚乙基双硬酯酰胺优选为HOECHST公司的商品CIREC的形式，它具有确保最佳润滑作用所需的颗粒尺寸。
然而，运动物体存在时搅动会引起相互作用，且存在的物质的“硬”混合物倾向于降低或损害作为润滑剂加入的物质的润滑效果。
为了获得满意的润化条件，因此必须在混合设备如双圆锥中产生颗粒与润滑剂的“软”混合物。
由于颗粒在压制过程中的摩擦，提高的压制力与研磨反映了不充足的润滑作用。
得到均匀化和润滑的颗粒材料，该材料具有约2.4g/cm3的DNT和约2.9g/cm3的DT。该颗粒混合物的流动性是大约80g/s。
由混合物得到的两种颗粒材料填料仅在起始材料中成孔材料(草酸铵)的比例有所不同，这两种填料具有相同的性质，随后将它们放入球化压机中，对颗粒材料产生压制作用以便获得原料球粒。
该原料球粒具有良好的强度性能。
由第一种填料(包含0.55％成孔剂)得到的原料球粒的密度是6.3g/cm3，而由第二种填料(包含0.47％成孔剂)得到的原料球粒的密度是5.8g/cm3。
添加成孔剂可以达到需要的烧结密度(95％)。
将润滑剂正确分散到两种情形的颗粒材料中。压制期间未观察到研磨。
在运动物体存在下对粉末混合物进行搅动的阶段可以获得颗粒材料，该颗粒材料在未致密化状态和致密化状态的密度非常显著的大于起始粉末的密度，该起始粉末主要包含由六氟化铀UF6的干法转变工艺得到的氧化铀UO2。
与润滑剂混合的阶段可以略微提高密度(至少在未致密化状态)并显著提高颗粒材料的流动性。
                     实施例2
将5kg二氧化铀UO2粉末放入包含运动氧化铝物体的容器中，该UO2粉末是通过干法由UF6转变工艺直接得到并且不能流过15mm的孔口，其密度为0.9g/cm3。不向UO2粉末填料中加入成孔剂或润滑剂，并使包含填料的容器振动从而开始进行处理。
处理过程中分别在10、15、30、60和120分钟后取出颗粒材料，120分钟后终止处理。
如上文所述通过筛分测量颗粒材料的密度和流动性，结果如表2所示。
                                       表2
  测试   填充方法：20kg氧化铝研磨介质(11-13mm)
  N°2   处理时间   分钟   0   10   15   30   60   120
  密度   DNT   g/cm3   0.9   1.3   1.3   1.5   1.8   2.1
  DT   g/cm3   1.6   1.9   1.9   2.1   2.4   2.6
  流动性   15mm圆锥   g/s   0   0   42   58   66   79
在两小时的处理过程中，未致密化状态的密度从0.9g/cm3增加到2.1g/cm3。15分钟处理后，流动性急剧提高，并在处理结束时达到79g/s的值。
如上文所述，在用于获得原料球粒的模具中对该处理得到的颗粒材料进行压制。为了进行该操作，将润滑剂与颗粒混合以便帮助原料球粒形式的颗粒的压制。(如果需要可以在压制之前向颗粒材料中加入成孔材料以便将烧结球粒的密度调节到需要的值)。
                             实施例N°3
                                表3
  测试   填充方法：20kg氧化铝研磨介质(11-13mm)
  N°2   处理时间   分钟   0   60
  密度   DNT   g/cm3   1.1   2.1
  DT   g/cm3   1.8   2.6
  流动性   15mm圆锥   g/s   0   65
将4kg二氧化铀UO2粉末装入包含圆柱形压制物体的容器中，该UO2粉末是通过干法获得，不能流过15mm的孔口，其密度为0.8g/cm3，然后装入2kg其中含25％氧化钆(Gd2O3)的铀氧化物混合物以及36g含有机物质的成孔材料。一小时后停止处理，在开始处理时包含氧化铀和氧化钆混合物的粉末的密度是1.1g/cm3，经过一小时处理之后其密度为2.1g/cm3。该粉末具有65g/s的良好流动性。
向粉末中加入18g包含硬脂酸锌的润滑剂。然后直接对与润滑剂混合的颗粒材料进行压制并形成原料球粒，然后利用常规工艺对该原料球粒进行烧结。
                     比较例
将通过干法转变工艺直接得到的未致密化态密度为0.85g/cm3氧化铀UO2粉末放入刀片磨床(knife grinder)，如依照现有技术的方法在转变设备中处理粉末所用的刀片磨床。
在刀片磨床中处理之后，粉末的密度未变化或者甚至略微降低至0.8g/cm3。开始时粉末的流动性为零，刀片磨床中的处理完成时其流动性保持为零。
因此依照本发明的实施例显示，本发明的方法使用了包含运动物体并且优选自由运动物体的搅动容器，可以将干法转变工艺得到的粉末的密度显著提高到接近或略高于2g/cm3的值。此外，该处理可以获得具有极好流动性的颗粒材料，可以利用常规方法方便地将该颗粒材料成型为原料球粒。
烧结后的原料球粒具有依照现有技术方法制造的燃料球粒的性能。
此外，进行的测试显示可以在容器中开始处理之前，或者在处理期间或者在容器中处理的最后，向干法工艺得到的氧化铀粉末中加入添加剂。当使用有机成孔材料时，通常需要向具有氧化铀的处理容器中添加多于0.1wt％的成孔材料，并且在所有情形中大于0.01wt％。由于每种添加剂或其它材料具有其自身的成孔作用，知道需要获得的最终密度以及不含添加剂基体的烧结密度，可以计算为获得要求的烧结密度需要加入的添加剂和成孔材料的量。依照本发明的方法只包含一个阶段(或者至多两个阶段，若将“软”混合物的润滑阶段考虑在内)以将六氟化铀转变工艺得到的氧化铀粉末制成可成型为原料球粒的颗粒材料，而不是现有方法中的七个阶段，这可以大大简化核燃料生产的过程和使用的设备。
可以在不同于双圆锥形混和器的装置中对润滑剂和颗粒材料进行混合；这样的装置必需提供“软混合物”以便不破坏润滑剂。
本发明适用于生产组成变化极大的燃料球粒。
在生产包含氧化铀(主要为UO2)和氧化钚PuO2的MOX燃料球粒时，可以在运动物体存在下于搅动处理之前将氧化钚加入到混合物中，或者加入到研磨容器中进行搅动处理得到的颗粒材料中。可以将粉末形式的氧化钚与粉末形式的颗粒材料混合。
在成型原料球粒之前可以向颗粒材料中加入许多(润滑)物质，可以使用选自其中的一种或多种润滑剂。具体地，这些润滑剂可以是例如亚乙基双硬酯酰胺或ADS(二硬脂酸铝)。

Claims (17)

1.通过对包含二氧化铀UO2的材料进行烧结制造核燃料球粒的方法，该二氧化铀UO2由六氟化铀UF6转变工艺产生的粉末获得，该方法的特征在于将直接由六氟化物UF6转变工艺得到的粉末置于包含运动压制与混合物体的容器中，并对该容器进行搅动，使粉末在容器内部体积中沿三个不共面的轴运动，以便在运动物体之间以及运动物体与容器壁之间对粉末进行压制，直至形成未致密化态密度至少为1.7g/cm3的颗粒材料，并使用在容器内搅动得到的颗粒材料来成型进行烧结的原料燃料球粒。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于该容器进行三维振动运动。
3.根据权利要求1和2任一个的方法，其特征在于置于容器中的粉末是通过干法转变工艺得到并且具有小于1g/cm3的密度，而通过在容器中搅动得到的颗粒材料的未致密化态密度约为2g/cm3。
4.根据权利要求1至3中任一个的方法，其特征在于通过六氟化物UF6转变工艺直接得到的粉末具有小于1g/cm3的密度和利用通过15mm孔口的标准测试确定的零流动性，并且在容器中搅动数分钟之后，在容器中通过搅动得到的颗粒材料具有大于10g/s的流动性。
5.根据权利要求1至4中任一个的方法，其特征在于对包含运动物体以及由六氟化物UF6转变工艺得到的粉末的容器进行搅动，持续1至600分钟。
6.根据权利要求1至5中任一个的方法，其特征在于容器中的运动压制与混合物体是具有任何简单几何形状以及低粗糙度表面的自由物体。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于该运动物体是圆柱形。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于该运动物体具有大致为球形的珠粒的形状。
9.根据权利要求1至8中任一个的方法，其特征在于该运动物体由下列材料中的一种制成：烧结氧化铝Al2O3，烧结氧化铀，纯或掺杂的烧结氧化锆，碳化钨，钢，金属铀或铀/钛合金。
10.根据权利要求1至9中任一个的方法，其特征在于对容器进行搅动之前，将包含至少一种成孔剂的至少一种添加剂与利用六氟化物UF6转变工艺直接得到的二氧化铀UO2粉末一起加入到容器中，加入的比例为至少0.01％。
11.根据权利要求1至10中任一个的方法，其特征在于将至少一种添加剂与利用六氟化物UF6转变工艺直接得到的二氧化铀UO2粉末一起加入到容器中。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于在通过搅动容器进行处理之前将添加剂放入容器中。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于在通过搅动容器进行处理的过程中将添加剂放入容器中。
14.根据权利要求11至13中任一个的方法，其特征在于该添加剂包含下列物质中的至少一种：氧化铀U3O8、氧化铀U3O7、氧化钚PuO2、氧化钍ThO2、氧化钆Gd2O3、成孔物质、润滑剂、烧结掺杂剂。
15.根据权利要求1至14中任一个的方法，用于制造混合氧化铀-氧化钚(MOX)燃料球粒，其特征在于，将容器置于封闭外罩如手套箱中，并将氧化铀和氧化钚的粉末以及添加剂放入容器中，然后利用从封闭外罩外部进行控制的方式对容器进行搅动；
16.根据权利要求1至15中任一个的方法，其特征在于对在容器中搅动获得的颗粒材料进行压制使原料球粒成型之前，向颗粒材料中加入润滑材料并制备颗粒材料与润滑材料的软混合物，以便使润滑材料分布在颗粒材料的颗粒上。
17.根据权利要求1至16中任一个的方法，其特征在于，在制造MOX燃料用的原料球粒成型之前，在运动物体的存在下，将通过搅动转变粉末得到的主要包含氧化铀UO2的颗粒材料与氧化钚PuO2粉末混合。
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