[發明專利]一種鈾鉬合金粉體的制備方法

有效

• 申請號: 201110186620.5
• 申請日: 2011-07-05
• 公開（公告）號: CN102240812A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 熊義富;陳長安;張鵬程;陳淼;敬文勇;吳文清
• 申請（專利權）人: 四川材料與工藝研究所
• 主分類號: B22F9/04
• 分類號: B22F9/04;G21C3/60
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明;何勇盛

技術領域

本發明屬于核材料制備技術領域，具體涉及一種鈾鉬合金粉體的制備方法，本發明用于制備混合堆多孔鈾鉬合金燃料元件制備所需的且滿足一定粒徑要求的鈾鉬合金粉體。

背景技術

在天然化石能源日益枯竭的今天，核能占據了越來越重要的地位。裂變核燃料的使用技術目前已經相當成熟，這其中基于鈾元素的核燃料應用最為廣泛。然而普通的金屬鈾在668℃以下為α相，抗腐蝕性能和抗輻照性能都很差。為了提高燃料的輻照穩定性，通常采用在金屬鈾中加入少量合金元素，形成鈾合金作為燃料材料。

在鈾鉬系合金中γ固溶體占有很寬的溫度范圍和濃度范圍。添加一定量的鉬有助于將立方結構的γ相向低溫方向穩定，獲得各向同晶格結構，從而增強鈾的抗輻照性能。此外，一定成分的鈾鉬合金在特定熱處理工藝條件下可形成多種亞穩相。當改變鈾鉬合金中鉬的含量和熱處理工藝時，有可能在很寬的范圍內改變相的組成、組織，進而改變合金的物理性能和力學性能，這具有重要的實際意義。

在RERTR計劃（Reduced?Enrichment?for?Research?and?Test?Reactors，降低研究試驗堆燃料富集度實驗計劃）的支持下，美國從1996年開始研究燃料用鈾鉬合金，領頭的是阿貢國家實驗室，愛達荷國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、Y-12工廠還有若干燃料技術公司都有參與。早期的研究開始于合金成分的設計和驗證。經過輻照考核以及其他手段的分析，后來對彌散燃料的研究目標逐漸鎖定為U-7Mo和U-10Mo。隨后俄羅斯、法國、阿根廷、韓國等也均開展了鈾鉬合金作為反應堆燃料的研究。

彌散燃料的制備是以鈾燃料材料粉體作為基礎的。傳統核能工業中應用的二氧化鈾和鈾的金屬間化合物材料的粉化工藝已經較為成熟。它們多采用機械研磨法，由于它們普遍比較脆，所以研磨起來毫無困難。但是這種工藝很難直接應用到鈾鉬合金燃料材料的粉體制備中，最重要的一個原因就是，鈾鉬合金表現出很強的金屬性質，它的塑性要比二氧化鈾和鈾的金屬間化合物材料好得多。后來又逐漸提出了氫化脫氫法和霧化法，后兩種方法由于引入雜質較少而更具優勢。

霧化法包括噴射霧化法，離心霧化法，旋轉電極霧化法等，其原理是通過機械方法將熔融合金分離冷卻形成球形粉體。在已研究的霧化方法中，以韓國開發的離心霧化工藝最為成功^[1]。該工藝的具體方法如下：將設計配比的金屬鈾塊和鉬塊（最初的研究使用了U-2Mo和U-10Mo）置于涂覆了高溫陶瓷的石墨坩堝中，使用感應熔煉。熔融的金屬液通過一個小孔倒在一個氬氣氛保護下飛速旋轉的石墨圓盤上。液滴受離心力作用分散飛出固化，隨后落到容器底部的漏斗狀收集罐中。實驗過程中，投料速度和圓盤的旋轉速度對于成品粉末尺寸和形狀的控制至關重要，需要調節到合適的參數以優化粉末形貌。這種方法的突出優點是所得粉末近似為球形，表面光滑，但是該方法初期投資巨大。

早在上世紀50年代，氫化脫氫方法就被應用與金屬鈾粉末的生產，該方法被認為是一種非常好的制備超細（一般在38μm以下）粉體的方法。其工藝流程如下：將鈾鉬合金塊體在氫氣氛下加熱，在適當的溫度下（一般低于300℃）鈾會與氫氣反應，鈾的氫化物密度（10.9g/cm³）比金屬鈾密度（約19g/cm³）要低得多，在應力作用下會逐步以氫化物粉末的形式從塊體上脫落下來。氫化完成后，將氫化物粉末在真空下加熱，氫氣會逐漸解離放出，最后留下鈾合金的粉末。

在250℃的氫化溫度下，????????????????????????????????????????????????相鈾鉬合金的吸氫速率比相低得多。由不同相結構鈾鉬合金的氫化動力學曲線可以看出，含相越多的鈾鉬合金氫化越快。因此，欲通過氫化法得到相鈾鉬合金粉末，通常需采取如步驟：首先將合金通過熱處理得到合適的相結構；其次通過氫化去氫工藝粉化；最后通過適當的熱處理措施讓粉末回復為相。