RU2522814C1 - Способ получения порошков нитрида урана - Google Patents

Способ получения порошков нитрида урана Download PDF

Info

Publication number
RU2522814C1
RU2522814C1 RU2013100367/02A RU2013100367A RU2522814C1 RU 2522814 C1 RU2522814 C1 RU 2522814C1 RU 2013100367/02 A RU2013100367/02 A RU 2013100367/02A RU 2013100367 A RU2013100367 A RU 2013100367A RU 2522814 C1 RU2522814 C1 RU 2522814C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
uranium
reaction vessel
pressure
powder
temperature
Prior art date
Application number
RU2013100367/02A
Other languages
English (en)
Inventor
Вячеслав Юрьевич Вишневский
Евгений Константинович Дьяков
Александр Юрьевич Котов
Владимир Михайлович Репников
Александр Сергеевич Черкасов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение "ЛУЧ" (ФГУП "НИИ НПО "ЛУЧ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2013100367/02A priority Critical patent/RU2522814C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2522814C1 publication Critical patent/RU2522814C1/ru

Links

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения исходного сырья для изготовления нитридного ядерного топлива. Способ получения порошка нитрида урана включает нагрев металлического урана, который осуществляют в вакуумируемой реакционной емкости при остаточном давлении 10-1÷10-2 мм рт.ст. и температуре 250÷300°С, с последующим напуском водорода до давления 750÷800 мм рт.ст. Гидрирование урана проводят в течение времени, которое определяют по заданной формуле. Реакционную емкость с полученным порошком гидрида урана подвергают повторному вакуумированию при температуре, не превышающей 220°С, до достижения остаточного давления в реакционной емкости 10-1÷10-2 мм рт.ст. Азотирование полученного порошка гидрида урана осуществляют в протоке азота при температуре 250÷300°С, при этом регулируют давление в реакционной емкости от 1 до 800 мм рт.ст. в зависимости от изменения площади реакционной поверхности порошка гидрида урана. Обеспечивается увеличение дисперсности порошков нитрида урана и снижение длительности процесса их получения. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способу получения ультрадисперсных порошков нитрида урана, используемых в качестве исходного сырья для изготовления нитридного ядерного топлива.
Известны способы получения порошков тугоплавких соединений (карбидов, боридов, гидридов, силицидов, нитридов) методом восстановления окислов. Нитриды можно получать путем совмещения процессов восстановления окислов и азотирования образующегося металла по реакции:
MeO+N2(NH3)+C→MeN+CO+H2O+H2
Процесс получения нитридов металлов в атмосфере азота и аммиака протекает в зависимости от получаемого нитрида металла в интервале температур 900-1000°С.
Порошок нитрида металла может быть получен прямым азотированием металлических порошков в атмосфере азота или аммиака при температуре около 1000°С. (И.М. Федорченко, Р.А. Андриевский. Основы порошковой металлургии. Изд-во Академии наук УССР. Киев - 1963, стр.45-49).
Недостатком известного способа получения порошков нитридов металлов является крупность получаемых порошков, составляющая десятки и сотни мкм, поэтому для последующего их использования при получении спеченных изделий требуется операция дополнительного измельчения. Измельчение проводят в шаровых или вибрационных мельницах в течение нескольких десятков часов. Процесс измельчения очень энергоемок, затрачиваемая энергия расходуется на упругие и пластические деформации, на теплоту и образование новых поверхностей. Коэффициент полезного действия измельчающих устройств очень низок. Кроме того, в процессе измельчения происходит дополнительное загрязнение продукта вследствие намола истирающихся элементов мелющих устройств.
Известны различные способы получения порошков нитридов урана. Одним из перспективным методов является получение порошков нитридов урана путем взаимодействия металлического урана с очищенным азотом при 850°С и давлении 0,1 мПа с образованием нитрида урана. Получаемый порошок нитрида урана представляет собой смесь фракций размером от 10 до 100 мкм и спекшийся конгломерат частиц с размером до 1000 мкм (А.Г. Самойлов, B.C. Волков, М.И. Солонин. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. Москва, Энергоатомиздат, 1996 г., стр.141-143).
Недостатком указанного способа получения порошков нитрида урана является крупность порошков, составляющая десятки мкм, необходимость дополнительной активации - механического измельчения, сопряженного с длительностью и энергоемкостью процесса, загрязнением примесями материалов помойного оборудования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению - прототипом, является способ получения порошков нитрида урана, заключающийся в нагреве металлического урана в вакууме до температуры 500°С, выдержке в течение 30 минут, охлаждении до 200°С, напуске водорода до давления 800 мм рт.ст., циклическом гидрировании урана при изменении давления водорода от 400 до 800 мм рт.ст. в течение 6 часов - 15 циклов, повторном нагреве до температуры 600°С с целью дегидрирования урана в течение 3 часов, охлаждении до 200°С и повторном гидрировании в течение 2 часов при 200°С и давлении водорода 800 мм рт.ст., вакуумировании, напуске газообразного азота до давления 800 мм рт.ст. и повышении температуры до 600°С.
Азотирование проходит 2 стадии;
на первой стадии проходит по реакции:
2UH3+XN2=2Nx+3H2↑ - 5 часов;
на второй стадии по реакции:
2U+N2=2UN - 5 часов.
Полученный порошок нитрида урана имеет следующие характеристики:
- удельная поверхность, м2/г - 0,56;
- фракционный состав - от 0,1 мкм до 1,4 мкм - 2%;
- от 1,4 мкм до 14 мкм - 65%;
- от 30 мкм до 100 мкм - 30%,
- от 14 мкм до 30 мкм - остальное.
(Шаталов В.В., Мельников С.А., Никонов В.И., Паршин А.П., Разработка безопасной технологии водородной обработки различных функциональных материалов, «Альтернативная энергетика и экология», №7(39), 2006 г. с.25-29).
Недостатком известного способа получения порошков нитрида металлов является низкая дисперсность (большое содержание крупной фракции) и, соответственно малая удельная поверхность получаемого порошка, что негативно сказывается на спекании спрессованных таблеток при получении ядерного топлива для твэлов ядерных реакторов, а так же длительность процесса, составляющая более 20 часов.
Задачей данного изобретения является повышение дисперсности порошков нитрида урана и сокращение длительности процесса их получения.
Указанная задача достигается тем, что в способе получения порошков нитрида урана, включающем нагрев металлического урана в вакуумированной реакционной емкости, напуск водорода и гидрирование в течение определенного времени, повторное вакуумирование реакционной емкости с гидридом урана при температуре не более 220°С и его азотирование газообразным азотом, согласно изобретению нагрев металлического урана осуществляют в вакуумируемой реакционной емкости при остаточном давлении 10-1÷10-2 мм рт.ст. и температуре 250÷300°С с последующим напуском водорода до давления 750÷800 мм рт.ст., гидрирование урана проводят в течение времени, которое определяют по формуле:
τ = Δ h 2 V
Figure 00000001
(час), где
τ - время гидрирования, час;
Δh - толщина гидрируемого образца урана, мм;
V - скорость гидрирования 4±0,5, мм/час,
повторное вакуумирование проводят до достижения остаточного давления в реакционной емкости 10-1÷10-2 мм рт.ст., а азотирование полученного порошка гидрида урана осуществляют в протоке азота при температуре 250÷300°С, регулируя при этом давление азота в реакционной емкости от 1 до 800 мм рт.ст. в зависимости от изменения площади реакционной поверхности порошка гидрида урана.
Давление азота в реакционной емкости можно регулировать путем изменения его расхода на входе в реакционную емкость и на выходе из нее в вакуумную систему.
Причинно-следственная связь между параметрами заявленного способа получения порошков нитридов урана и решаемой задачей заключается в следующем. Заявляемые температуры азотирования (250÷300°С) значительно ниже температуры указанного процесса в известном способе (600°С). При этом образующийся в процессе гидрирования мелкодисперсный порошок гидрида урана сохраняет свою дисперсность и не образует на стадии низкотемпературного азотирования спекшихся конгломератов, что не требует дополнительного измельчения перед процессами прессования и спекания топливных таблеток.
Параметры процесса получения порошков нитрида урана установлены экспериментально и обеспечивают достижение технического результата в заявленном изобретении - снижение крупности порошков нитрида урана и сокращение длительности процесса их получения.
Пример осуществления изобретения.
Металлический уран в виде пластины 100×50×10 мм нагревали в вакуумируемой реакционной емкости при остаточном давлении 5×10-1 мм рт.ст. до температуры 275°С с последующем напуском водорода до давления 800 мм рт.ст. При указанной температуре и давлении водорода 750-800 мм рт.ст. проводили гидрирование урана в течение времени, определенном по формуле:
τ = Δ h 2 V
Figure 00000002
(час), где
τ - время гидрирования, час;
Δh - толщина гидрируемого образца урана, мм;
V - скорость гидрирования - 4±0,5 мм/час.
Время гидрирования составляло 1,3 часа. Реакционную емкость с полученным при гидрировании порошком гидрида урана подвергали повторному вакуумированию при температуре 200÷220°С в течение времени достаточного до достижения остаточного давления 10-1÷10-2 мм рт.ст. Порошок гидрида урана подвергали азотированию газообразным азотом при следующих параметрах процесса:
- давление азота 1÷2 мм рт.ст. и температура в реакторе, установившаяся при этом давлении, - выдержка 10÷15 мин.;
- давление азота 5÷6 мм рт.ст. и установившаяся температура при этом давлении - выдержка 10÷15 мин.;
- давление азота 10÷15 мм рт.ст. и установившаяся температура при этом давлении - выдержка 30÷45 мин.;
- подъем давления азота до 750 мм рт.ст. со скоростью 10÷15 мм рт.ст./мин.;
- выдержка в течение 30÷40 мин. при установившейся температуре.
Полученный порошок нитрида урана охлаждали совместно с реакционной емкостью в среде азота до комнатной температуры. Длительность процесса получения порошка нитрида урана составила 5 часов.
Полученный в данном примере порошок нитрида урана имел следующие характеристики:
- удельная поверхность, м2/г - 1,38;
- фракционный состав - от 0,1 мкм до 1,4 мкм - 45%;
- от 3 мкм до 10 мкм - 12%;
- от 1,4 мкм до 3 мкм - остальное.
В таблице приведены примеры осуществления заявленного способа получения порошков нитрида урана на граничные и промежуточные значения параметров способа в сопоставлении с известным способом - прототипом.
Как следует из приведенной таблицы предложенный способ получения порошков нитрида урана (примеры 1-3) обеспечивает в сравнении с известным способом (пример 4) повышение дисперсности порошков нитрида урана и сокращение длительности процесса его получения.
Figure 00000003

Claims (2)

1. Способ получения порошка нитрида урана, включающий нагрев металлического урана в вакуумируемой реакционной емкости, напуск водорода и гидрирование урана в течение определенного времени, повторное вакуумирование реакционной емкости с гидридом урана при температуре не более 220°С и его азотирование газообразным азотом, отличающийся тем, что нагрев металлического урана осуществляют в вакуумируемой реакционной емкости при остаточном давлении 10-1÷10-2 мм рт.ст. и температуре 250÷300°С с последующим напуском водорода до давления 750÷800 мм рт.ст., гидрирование урана проводят в течение времени, определяемого по формуле: τ = Δ h 2 V
Figure 00000004
(час), где τ - время гидрирования, час, Δh - толщина гидрируемого образца урана, мм, V - скорость гидрирования 4±0,5, мм/час, повторное вакуумирование проводят до достижения остаточного давления в реакционной емкости 10-1÷10-2 мм рт.ст., а азотирование полученного порошка гидрида урана осуществляют в протоке азота при температуре 250-300°С, при этом регулируют давление азота в реакционной емкости от 1 до 800 мм рт.ст. в зависимости от изменения площади реакционной поверхности порошка гидрида урана.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление азота в реакционной емкости регулируют путем изменения его расхода на входе в реакционную емкость и на выходе из нее в вакуумную систему.
RU2013100367/02A 2013-01-09 2013-01-09 Способ получения порошков нитрида урана RU2522814C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013100367/02A RU2522814C1 (ru) 2013-01-09 2013-01-09 Способ получения порошков нитрида урана

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013100367/02A RU2522814C1 (ru) 2013-01-09 2013-01-09 Способ получения порошков нитрида урана

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2522814C1 true RU2522814C1 (ru) 2014-07-20

Family

ID=51217495

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013100367/02A RU2522814C1 (ru) 2013-01-09 2013-01-09 Способ получения порошков нитрида урана

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2522814C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2732721C1 (ru) * 2020-03-23 2020-09-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Способ отделения нитридного ядерного топлива от оболочки фрагментов тепловыделяющих элементов
CN113012836A (zh) * 2019-12-20 2021-06-22 中核北方核燃料元件有限公司 一种轻水堆用un芯块的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2293060C2 (ru) * 2004-12-16 2007-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Научно-исследовательский институт атомных реакторов" Способ получения мононитрида урана и смеси мононитридов урана и плутония
US7192466B2 (en) * 2000-09-21 2007-03-20 Framatome Anp Method for preparing nuclear metal or metal alloy particles
US20100180727A1 (en) * 2006-08-11 2010-07-22 Outotec Oyj Method for the production of metal powder

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7192466B2 (en) * 2000-09-21 2007-03-20 Framatome Anp Method for preparing nuclear metal or metal alloy particles
RU2293060C2 (ru) * 2004-12-16 2007-02-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации - Научно-исследовательский институт атомных реакторов" Способ получения мононитрида урана и смеси мононитридов урана и плутония
US20100180727A1 (en) * 2006-08-11 2010-07-22 Outotec Oyj Method for the production of metal powder

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ШАТАЛОВ В.В. и др., Разработка безопасной технологии водородной обработки различных функциональных материалов, Альтернативная энергетика и экология, N 7(39), 2006, стр.48. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113012836A (zh) * 2019-12-20 2021-06-22 中核北方核燃料元件有限公司 一种轻水堆用un芯块的制备方法
RU2732721C1 (ru) * 2020-03-23 2020-09-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Способ отделения нитридного ядерного топлива от оболочки фрагментов тепловыделяющих элементов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2762897C1 (ru) Способ получения порошка карбида высокоэнтропийного сплава со сферической формой частиц
CN103924111B (zh) 一种硬质合金纳米粒径粉末与高性能烧结块体材料的制备方法
RU2522814C1 (ru) Способ получения порошков нитрида урана
CN101927996A (zh) 一种沥青基泡沫炭的制备方法
CN105755541A (zh) 一种利用微波诱发燃烧合成反应合成氧化锌晶须的方法
CN104495765A (zh) 一种利用多孔硅制备高α相氮化硅的方法
JP2013204075A (ja) 細還元鉄粉の製造方法
CN101780960B (zh) 一种粗硼粉提纯的方法
Li et al. Influence of high-energy ball milling and additives on the formation of sphere-like α-Al2O3 powder by high-temperature calcination
RU2631692C1 (ru) Способ получения мелкодисперсных сферических титансодержащих порошков
CN104495845B (zh) 一种纯净 Fe3C 块体的制备工艺
CN1281487C (zh) 一种低压力下烧结碳纳米管直接合成金刚石的方法
CN106866152B (zh) 一种yb4块体的制备方法
Hao et al. Large-scale production of UO2 kernels by sol–gel process at INET
RU2428376C1 (ru) Способ получения нитрида алюминия
CN103553628B (zh) 一种超细、高纯γ-AlON透明陶瓷粉末的制备方法
Li et al. Evolution of metal nitriding and hydriding reactions during ammonia plasma-assisted ball milling
CN103288074A (zh) 一种纳米新金刚石粉体的制备方法
US3230278A (en) Method of manufacture of uranium dioxide having a high density
Yurlova et al. Properties of un sintered by high voltage electric discharge consolidation
RU2641428C1 (ru) Способ получения квазисферических частиц титана
Marych et al. Features of structure, phase composition and properties of hotforged high-entropy alloys of Ti-Cr-Fe-Ni-C system
Yang et al. Fabrication of non-oxide uranium ceramic powders
CN102491413A (zh) 一种制备三氧化二钛材料的方法
Meng et al. Fabrication of ultrafine-grained alumina ceramics by two different fast sintering methods