[发明专利]一种制备陶瓷级UO2核燃料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及核燃料的制备技术，具体涉及陶瓷级UO₂的制备方法。

背景技术

核能作为一种清洁高效的能源，成为减少环境污染、代替化石能源、促进人类社会发展的动力源。随着核能的发展，对核燃料的需求会急剧增加。发展先进核燃料循环技术将有助于降低核燃料制备成本，提高铀资源的利用效率^[1]。陶瓷级UO₂的制备，目前至少有4种流程达工业规模，它们是以重铀酸铵(ADU)和三碳酸铀酰铵(AUC)工艺为代表的湿法流程，以及以流化床和转炉法为代表的干法流程。其中，AUC法不仅可在核燃料循环前端由加浓UF₆制备陶瓷级UO₂，还可在核燃料循环后端由乏燃料后处理回收的UO₂(NO₃)₂制备陶瓷级UO₂，因而在制备陶瓷级UO₂核燃料中具有重要地位^[2-6]。

图1为由AUC法制备陶瓷UO₂的传统工艺流程图^[6]，主要包括UO₂(NO₃)₂浓缩、AUC晶体制备、AUC分解还原、AUC废液处理和废甲醇回收处理等过程。AUC法具有以下的优点：AUC组成恒定，产物稳定性好，不随反应条件的改变而发生改变；AUC法产物的重现性好，严格控制实验条件便可得到粒径分布均匀、大小合适的AUC颗粒；所得UO₂纯度高、活性高。但是，AUC法也具有一些明显的缺点：废液量大，每生产1吨UO₂产生7-33m³废液，需要对AUC滤液、淋洗液及废甲醇进行后处理，这使得该法面临淘汰；废气的后处理量大；工艺条件复杂，制备条件严格，否则AUC晶体不能有效生长，需要重新溶解制备；所制备的UO₂必须在1700℃以上的高温下至少烧结4小时，消耗大量能源^[3-6]。

近年来，纳米技术的发展为核燃料的制备带来新的机遇。2011年，Nenoff等^[7]发现辐照法制得的UO₂纳米粒子(φ：3-5nm)可在500-600℃下熔合，大大低于传统工艺的烧结温度。在众多的纳米粒子制备方法中，电离辐射法(γ射线、电子束等)因具有可在常温常压或低温下进行、工艺简单、不引入杂质等特点而被广泛应用^[8]。在文献中，已有一些在酸性体系中通过辐射还原U(VI)制备UO₂的报道^[7,9,10]。但是酸性体系条件下制得的UO₂为溶胶，其纯化、收集耗时长。更为关键的是，空气中此法制备的UO₂溶胶易被氧化而溶解^[10]。因而，该法对UO₂的工业生产不实用，有必要探索新的方法。

本文中提到的参考文献如下：

[1]季彪,核燃料循环成本与核电的竞争力.中国核电-核燃料循环,3(2010)270-275.

[2]夏德长,AUC工艺特点及应用.铀矿冶,25(2006)148-152。

[3]赵裙邱,履福,钟兴,许贺卿,三碳酸铀酰铵流化床分解－还原制备二氧化铀的研究.中国核科技报告(CNIC-00322,TU-0009),(1989).

[4]夏德长,AUC工艺纯化能力剖析.铀矿冶,28(2009)181-186.

[5]夏德长,论TBP萃取－AUC工艺联合纯化法的特点.铀矿冶,30(2011)14-17.

[6]朱常桂,贺德禄,吴观和,缪运胜,杨竹,刘锦洪,胡柏贵,AUC流程制备陶瓷级UO₂工艺在中国的工业实践.中国核科技报告(CNIC-01478,SINRE-0091),(2000).

[7]T.M.Nenoff,B.W.Jacobs,D.B.Robinson,P.P.Provencio,J.Huang,S.Ferreira,D.J.Hanson,Synthesis and low temperature in situ sintering of uranium oxide nanoparticles.Chem.Mater.,23(2011)5185-5190.