[發(fā)明專利]二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810069503.9
• 申請日: 2008-03-26
• 公開（公告）號: CN101254950A
• 公開（公告）日: 2008-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高家誠;王勇;吳曙芳
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: C01G43/025
• 分類號: C01G43/025;G21C3/60;G21C21/02
• 代理公司: 重慶志合專利事務(wù)所
• 代理人: 胡榮琿

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種表面氧化處理方法，特別涉及一種對UO₂進行表面氧化處理，以提高其O/U原子比和粉末比表面積的工藝方法。

背景技術(shù)

核電是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗浞磻?yīng)堆所用的UO₂燃料芯塊傳統(tǒng)上是在約1700℃的還原性氣氛中燒結(jié)而成。由于燒結(jié)溫度高，而且需要使用氫氣氣氛，所以該工藝具有一定的危險性，且能耗很高；同時還必須使用高溫?zé)Y(jié)爐和高溫?zé)Y(jié)用舟皿等，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本偏高。隨著世界范圍的能源危機問題日益凸現(xiàn)以及環(huán)保意識的增強，一方面世界各國的核電需求量持續(xù)增加，另一方面芯塊燒結(jié)工藝的節(jié)能降耗要求也不斷提高。

因此，低溫?zé)Y(jié)(也有人稱之為兩段燒結(jié)或中溫?zé)Y(jié))技術(shù)應(yīng)運而生。該工藝是將UO₂燃料芯塊先在1200℃左右的微氧化氣氛下燒結(jié)，然后在1400℃左右的還原性氣氛中最終燒結(jié)。由于該能耗低、生產(chǎn)周期短，所以近期得到廣泛關(guān)注，尤其對于我國這種能源緊張的發(fā)展中國家具有重大意義。低溫?zé)Y(jié)本質(zhì)上是活化燒結(jié)。UO₂燒結(jié)是擴散控制過程，由于氧的擴散系數(shù)比鈾高出幾個數(shù)量級，故鈾擴散是控制因素。研究發(fā)現(xiàn)在偏離化學(xué)劑量比的UO₂中，鈾擴散激活能隨過剩氧量的增加呈指數(shù)下降。因此只有保證了超化學(xué)劑量氧在UO₂芯塊中的存在(即O/U原子比大于2)，才能有效地實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)。同時，若要提高燒結(jié)速度和燒結(jié)后坯塊密度，則需要高比表面積的粉末，即超化學(xué)粉末。

目前，超化學(xué)粉末是用一定比例的UO₂粉末和U₃O₈粉末混合而成，但是研究表明，摻入UO₂的U₃O₈量有一定限制，否則會造成坯塊可燒結(jié)性大大下降。因此這種方法限制了O/U原子比的提高幅度。混入U₃O₈也不能提高粉末的比表面積。同時，直接加入U₃O₈顆粒還可能引起還原不透的問題，使最終燒結(jié)以后的芯塊中仍然存在少量U₃O₈，降低芯塊性能。

燒結(jié)過程主要取決于粉末的表面特性，表面氧化處理得到過量氧主要存在于顆粒表面，更容易在還原過程中去除，同時表面氧化也可以改變顆粒形貌，提高比表面積。但是目前對UO₂進行表面氧化處理的方法尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法。本發(fā)明將UO₂置于不同的氧化介質(zhì)中，在一定溫度下保溫，使其表面氧含量增加、比表面積增大，提高二氧化鈾O/U原子比和二氧化鈾粉末比表面積。本發(fā)明氧化介質(zhì)來源豐富，氧化溫度低，能耗少，有制作工藝簡單、成本低的優(yōu)點。

為了達到上述目的，所使用的原料為O/U原子比為2.0的UO₂粉末，氧化性介質(zhì)可以是流通空氣、閉爐空氣或水蒸氣，氧化過程在管式氣氛電阻爐中進行，氧化溫度為250-400℃，升溫速率為5-20℃/min，保溫時間2-6h。UO₂粉末隨爐冷卻到100℃至室溫時，取出空冷。

本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明提供的技術(shù)不僅能夠有效地提高二氧化鈾粉末的O/U原子比，而且可以提高其單位重量的表面積(即比表面積)，而比表面積正是粉末燒結(jié)過程中的主要熱力學(xué)驅(qū)動力，因此，采用這種粉末進行燒結(jié)，其熱力學(xué)驅(qū)動力高于未經(jīng)處理的粉末，燒結(jié)過程更加容易進行。

2)本發(fā)明使用的氧化介質(zhì)為空氣和水蒸氣，因此氧化介質(zhì)來源豐富，而且氧化溫度低，能耗少，因此制作成本低廉。

3)利用本發(fā)明所制備的O/U原子比大于2.0(超化學(xué)計量比)的二氧化鈾粉末，其中超出化學(xué)計量比的那部分氧原子(過量氧)主要存在于粉末顆粒表面，在以后的燒結(jié)過程中有利于促進二氧化鈾粉末中鈾原子在顆粒表面擴散，提高燒結(jié)過程中顆粒連接部位(即燒結(jié)頸)的形成和長大速度，從而降低燒結(jié)溫度、加快燒結(jié)速度。

4)利用本發(fā)明所制備的超化學(xué)計量比二氧化鈾粉末，其過量的氧主要存在于粉末顆粒表面，將其壓制成坯塊進行燒結(jié)時，表面的過量氧在還原燒結(jié)過程中更容易與燒結(jié)爐內(nèi)的還原性氣氛接觸，也易于通過坯塊中的顆粒間的殘余空隙排除，從而保障燒制結(jié)成品塊中的化學(xué)計量二氧化鈾(O/U原子比為2.0)含量。