[发明专利]一种掺杂Nb2O5二氧化钍芯块的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钍基核燃料芯块应用技术领域，具体涉及一种掺杂Nb₂O₅二氧化钍芯块的制备方法。

背景技术

裂变核能的燃料可分为铀基和钍基两类，钍基核燃料的研究与铀基核燃料的研究一样也始于美国“曼哈顿”计划，但由于各种原因，目前在核工业中钍的利用并不多。钍作为核燃料，其资源量是铀的3倍，钍燃料的应用将极大地丰富核燃料资源。ThO₂的导热性能比UO₂高50％，熔化温度比UO₂高340℃，燃料的运行温度更低，裂变气体的释放在同样功率下比较UO₂低，而且所有的钍都是可直接利用的核燃料，因此它是一种良好高效的燃料源。²³²Th与²³⁸U一样，是重要的可转换核素，尽管其本身不是易裂变材料，但²³²Th在俘获一个中子后生成可裂变的²³³U，²³³U类似于²³⁵U和²³⁹Pu，可通过裂变链式反应产生核能。钍作为一种高效的燃料源，不像铀入堆之前必须经过高浓缩，所有的钍都是可以直接利用的核燃料。印度、美国、日本、土耳其、法国、俄罗斯、德国等核能发达国家对钍基燃料循环开展了大量不同程度试验规模的研究工作。由于ThO₂熔点很高(约3350℃)，其芯块制备时的烧结温度一般要达到1650℃以上。采用掺杂的方法，可以降低ThO₂芯块的烧结温度，印度、土耳其等国开展了掺杂制备ThO₂芯块的相关研究，就ThO₂中添加CaO、MgO、Nb₂O₅、V₂O₅和Ta₂O₅等掺杂开展了试验,这些掺杂不会对钍燃料造成不利影响。文献中采用1400℃保温2h～6h的高温烧结工艺获得了相对密度约为95％的Nb₂O₅掺杂ThO₂芯块，为低温烧结效果最好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺杂Nb₂O₅二氧化钍芯块的制备方法，制备的掺杂0.25wet％Nb₂O₅的ThO₂芯块，降低了ThO₂芯块的烧结温度，在1500℃以下烧结就可以获得高密度的ThO₂芯块，降低了ThO₂芯块的制备难度以及生产成本，对于钍基核燃料的应用具有重要意义。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种掺杂Nb₂O₅二氧化钍芯块的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，采用压力8～10T、保压时间为20～25s的压制工艺压制坯体，然后对压坯进行破碎筛分获取150μm～300μm之间的颗粒作为成品粒；进行Nb₂O₅粉末和ThO₂粉末均匀化混合：首先称取0.25gNb₂O₅粉末加入150ml无水乙醇中使其完全溶解，再称取99.75gThO₂粉末，加入乙醇溶液中，加入时不断搅拌，使ThO₂粉末能够完全浸润，将混合后的溶液自然干燥，获得掺杂Nb₂O₅后的ThO₂粉末做为成型粉末；

步骤2，二氧化钍芯块成型为冷压模压成型，成型模具阴模内径为圆柱型结构，使用制粒后的ThO₂-0.25wet％Nb₂O₅粉末进行芯块成型，芯块成型粉末均为1.58±0.20g，升压速率为0.8～1.2KN/s，成型保压时间均为10～15s，生坯密度控制在5.3～5.5g/cm³；

步骤3，掺杂Nb₂O₅二氧化钍芯块烧结，烧结经历低温、中温和高温三个保温阶段，经过1.5h由室温升温至500℃保温1.5h，继续升温1.5h至1200℃保温1h，升温0.5h至1300～1350℃保温2～3h。