[发明专利]制备二氧化铀陶瓷燃料微球的方法

说明书

技术领域

本发明涉及核材料技术领域，尤其涉及一种具制备二氧化铀陶瓷燃料微球的方法。

背景技术

高温气冷堆燃料元件是将二氧化铀包覆颗粒均匀分布在石墨基体中构成，二氧化铀陶瓷微球的设计要求为直径500微米，密度大于10.40g/cm³。

二氧化铀陶瓷微球的成型工艺通常分为湿法和干法。湿法工艺主要以溶胶凝胶工艺为主，分为内胶凝和外胶凝两种。对于内胶凝方法，首先在5℃的低温下制备尿素和六次甲基四胺(HMTA)溶液，随后与欠酸溶解获得的硝酸铀酰溶液(UO₂(NO₃)₂)充分混合均匀制得溶胶，然后分散成滴并在热石蜡油中固化，再依次经过洗涤、干燥、焙烧、还原和烧结等工序得到致密的二氧化铀陶瓷微球。在我国高温气冷堆示范工程(HTR-PM)燃料元件生产期间，采用基于10MW高温气冷堆(HTR-10)期间的全胶凝工艺而改进的外胶凝工艺制备二氧化铀陶瓷微球：将尿素加入到UO₂(NO₃)₂溶液中进行络合，然后加入PVA、4-HF等配置成胶液。该胶液通过振动分散形成液滴，液滴先经过氨气发生表面胶凝，然后进入氨水中进一步胶凝(Fu X M，Liang TX，Tang Y P，Xu Z C，Tang C H.Preparation of UO₂ kernel for HTR-10fuel element，Journal of Nuclear Science and Technology，2004，41(9)：943-948)，胶凝后的小球经过陈化、洗涤、干燥、焙烧、还原和烧结等工序，得到致密的二氧化铀陶瓷微球。

胶凝后的干燥微球中含有部分游离水和结晶水，还包含PVA、4-HF等有机物及胶凝过程产生的硝酸铵等杂质，必须在焙烧过程中去除。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种将溶胶凝胶法制得的干燥后的重铀酸铵微球，经焙烧还原后，通过精确地控制反应气氛和温控程序，对微球进行烧结，最终得到高成品率并且密度、微观组织结构、直径等符合设计要求的二氧化铀微球的方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提出了一种制备二氧化铀陶瓷燃料微球的方法，包括步骤：

S1、将焙烧还原后的微球均匀地放置在烧结炉中的钼质料盘中；

S2、对烧结炉在室温下抽真空，测试烧结炉的压升率，随后再充入氩气至正压，再对烧结炉抽真空，随后充入氢气至正压，并对排出的尾气进行爆鸣测试，以彻底去除炉内的空气；

S3、对烧结炉进行升温，尾气自动点火，在相应的温度点进行保温，从而得到二氧化铀陶瓷燃料微球。

其中，所述步骤S1中所用的微球采用溶胶凝胶法制备。

其中，所述步骤S3中，在100～150℃、700～800℃、1000～1100℃及1500～1700℃温度下进行保温。

其中，所述步骤S3中，烧结过程在1500～1700℃下保温3～4小时。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明的方法将焙烧还原后获得的准二氧化铀微球装入烧结炉，加热升温，并在不同温度下进行一定时间的保温，最后在1600℃下纯氢气气氛下高温烧结3小时，获得密度、微观组织结构、直径等符合设计要求的二氧化铀微球。

附图说明

图1为本发明的方法所使用的高温烧结炉的一个示意图；

图2为本发明的方法所使用的高温烧结炉的另一个示意图。

其中，1：U形水槽；2：冷却水管；3：炉壁；4：焊缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明是将溶胶凝胶法制得的干燥后的重铀酸铵微球，经焙烧还原后，通过精确地控制反应气氛和温控程序，对微球进行烧结，最终得到高成品率并且密度、微观组织结构、直径等符合设计要求的二氧化铀微球。其方法是：

1.微球的排布：

将焙烧还原后的微球均匀地放置在钼质料盘中，料盘上的通气孔可保证整个烧结过程中料盘内的气氛分布均匀；

2.烧结炉的压升率：

对烧结炉在室温下抽真空，测试烧结炉的压升率，随后再充入氩气至正压，再对烧结炉抽真空，随后充入氢气至正压，并对排出的尾气进行爆鸣测试，以彻底去除炉内的空气；

3.微球的烧结：