[发明专利]一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化铀晶体的方法

说明书

本发明申请属于晶体生长技术领域，具体公开了一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化铀晶体的方法，包括以下步骤：(1)将UO₂‑Al₂O₃原料按照设计的摩尔比配料混合均匀，然后压制成芯块；(2)将步骤(1)中的芯块装入钨坩埚并放置石墨坩埚中；(3)将步骤(2)中的石墨坩埚放置高频感应加热装置的感应线圈中间；(4)加热将原料充分熔融，缓慢冷却后得到二氧化铀晶锭；(5)将所得晶锭中助熔剂与晶体分离，得到二氧化铀单晶。本方案主要用于制备二氧化铀单晶，为研究单晶物理化学性能，进而解决核燃料棒在裂变过程中产生的裂变产物引起辐照肿胀导致燃料与包壳相互作用的问题，同时拓展其在半导体、太阳能以及热电领域的应用。

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体公开了一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化铀晶体的方法。

背景技术

二氧化铀(UO₂)属于立方晶系，熔点2878℃，沸点3500℃。二氧化铀是一种重要的核材料，是动力堆使用最广泛的核燃料。二氧化铀熔点高达2878℃，扩大了反应堆可选用的工作温度；UO₂辐照稳定性好，经长期辐照能保持其稳定的尺寸和形状；UO₂在熔点以下只有一种结晶形态，各向同性。二氧化铀也是一种性能优异的半导体材料，带宽约为1.3eV，介于硅和砷化镓之间。二氧化铀接近太阳能最佳吸收的效率-带宽曲线，被认为是最高效的肖特基二极管太阳能电池材料。有人认为，如果把贫铀都制备成二氧化铀单晶，做成太阳能电池，可代替现有的硅晶太阳能，大大减少硅开发带来的能耗和污染。二氧化铀对辐射损伤具有更大的抵抗力，使得二氧化铀更适合于制造用于特殊(如太空和军事)应用的电子设备。

现有技术中，UO₂是陶瓷型燃料，与铀、氮化铀、碳化铀以及锆外壳材料相比，UO₂热导率非常低，由此造成燃料芯块较大的温度梯度形成较大热应力，会发生重结构、开裂、裂变气体释放等不利现象。此外，二氧化铀在裂变过程中产生的裂变产物会引起辐照肿胀，使燃料芯块的形状和表面状态发生变化，导致燃料与包壳相互作用。氧化铀单晶将克服陶瓷热性能方面的缺陷，有助于解决辐照肿胀等问题。因此，氧化铀单晶无论作为新型高性能半导体材料还是核燃料材料都具有极为重要的研究意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化铀晶体的方法，以解决二氧化铀陶瓷燃料棒的热问题，并拓展其在半导体、太阳能、热电等领域的应用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化铀晶体的方法，包括以下步骤：

(1)将UO₂-Al₂O₃原料按照摩尔配比10-50mol％UO₂配料混合，将UO₂-Al₂O₃原料进行压制成型为20×40mm圆柱体芯块；

(2)将步骤(1)中的圆柱体芯块装入钨坩埚中，将钨坩埚放置石墨坩埚中，不超过坩埚体积的3/4；

(3)将步骤(2)中的石墨坩埚放置高频感应加热装置的感应线圈中间，石墨坩埚中间连接石墨管引至加热装置上端；

(4)将步骤(3)中的加热装置内部填充隔热粉以保温，利用高频感应加热法将原料充分熔融，缓慢冷却后得到二氧化铀单晶芯块。

进一步，步骤(1)中，UO₂原料纯度为99.99％，助熔剂Al₂O₃原料纯度为99.9％。

进一步，步骤(4)中，高频感应加热温度为至2100℃～2600℃，加热时间为4～5h，保温时间长12h。

进一步，步骤(4)中高频感应加热装置隔绝空气，在Ar/H₂气氛下进行。