[發明專利]一種高活性氮化鈾粉末制造工藝

有效

• 申請號: 201710110185.5
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106744734B
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發明（設計）人: 梅華平;吳慶生;陳建偉;劉少軍;黃群英;吳宜燦
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: C01B21/06
• 分類號: C01B21/06;B21C37/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

本發明提供一種高活性氮化鈾粉末制造工藝，通過在高純度氮氣環境下電爆金屬鈾絲，使金屬鈾在爆炸過程中與氮氣發生化學反應，生成超細鈾粉和鈾氮化物粉的混合物，混合物在高溫下與氮氣反應，即可獲得氮化鈾。本發明的優點在于能耗低、制備的氮化鈾產品活性好。

技術領域

本發明涉及一種高活性氮化鈾粉末制造工藝，適用于氮化鈾核燃料制備，屬于核工程領域。

背景技術

氮化鈾燃料具有高鈾密度、高熱導、高溫穩定性、與液態金屬良好的相容性等優良性能。國際上在第四代核能系統的規劃方面，已將氮化鈾燃料作為鉛冷塊堆以及鈉冷快堆等堆型的重要候選燃料。

盡管氮化鈾燃料在反應堆內的服役性能優異，但氮化鈾燃料的制備技術卻較為復雜?，F有氮化鈾燃料制備技術路線中，金屬鈾直接氮化法是主要研究方法之一，其優點是N-15原子的利用率高，經濟性好，得到的氮化鈾粉末燒結性能好，缺點是對主原材料金屬鈾的比表面積要求很高，顆粒尺寸必須小(微米級)和分布均勻。

目前金屬鈾粉制備工藝主要包括四種：(1)機械磨粉；(2)低溫磨粉；(3)氫化-脫氫；(4)霧化法。這四種金屬鈾粉的制造工藝都基于金屬鈾錠作為原材料。

機械磨粉是美國研究試驗堆燃料低濃化項目，阿貢國家實驗室使用的金屬鈾粉制備方法。該方法原理簡單粗暴，即用切割或磨削壓制的設備將鈾金屬錠直接加工成鈾粉，由于鈾的硬度較高、延展性好和化學性質活潑，所以這種采用直接機械加工生產金屬鈾粉的方法技術難度很大，也很難得到細的金屬鈾顆粒，一般只能生產粒徑1毫米左右的鈾粉。機械磨粉的優點是設備成本低、操作簡單、工藝快速，缺點是生成的粉末尺寸偏高，容易沾污引入雜質。

低溫磨粉是在金屬鈾塑性脆性轉變溫度下，待金屬鈾充分脆化后再將大塊金屬磨削粉化，其缺點與機械磨粉類似，但可以得到尺寸稍小的金屬鈾顆粒。

氫化—脫氫是傳統的高品質金屬鈾粉制備方法，其原理是H₂與金屬鈾反應生成UH₃，再將UH₃脫氫還原為金屬鈾，多次循環上述過程，可實現金屬鈾的粉化，被充分活化的鈾粉的平均粒度約10～50μm。氫化—脫氫法的優點是產品粉末質量好，缺點是經濟性差、產量很低、熱氫的反應性和沾污容易帶來安全和質量問題，因此不太適合工業化生產。

霧化法是目前工業規模制造純金屬粉的主流方法，是利用一高速氣流或液流將液態金屬流粉碎成小液滴并凝固成粉末的過程。霧化法可以得到高質量的粉末，但鈾的霧化法研究較少，主要因為鈾密度高、熔點高、化學性質活潑，通常需要把金屬鈾加熱至約1300℃使其充分熔化，再用高壓惰性氣體將其沖擊分散為微小液滴，對設備耐高溫高壓的能力要求很高，能耗很大。韓國原子能研究所JAE HO YANG等，采用離心霧化工藝制備了金屬鈾粉，該工藝用自熔鈾電極為原料，邊熔邊滴邊霧化，霧化在兼做電極的高速旋轉坩堝的離心散射中發生，獲得了金屬鈾粉。

電爆法是近年來金屬納米粉制造的研究熱點，其原理是在一定的氣體介質環境下，利用預先儲存的電能對金屬導體(導體絲或箔)脈沖放電，脈沖大電流使得金屬導體熔化、氣化、膨脹，發生爆炸。電爆法可以用來制備金屬、合金、金屬氧化物及氮化物等超細粉，具有能量利用率高，工藝參數可調，可有效控制制備粉末的粒度，不污染環境，所制粉末粒度分布窄、化學活性好、不易團聚等優點。

電爆法的缺點在于，參加電爆反應的原材料通常為細的金屬絲，加工較為困難；電爆制粉過程中，對于化學性質較為活潑的金屬，容易與電爆容器內的氧反應，造成產品不純；電爆生成的金屬粉末顆粒度小，比表面積大，活性高，難于收集。金屬鈾具有放射性和重金屬毒性，化學性質活潑，室溫下可與氧氣反應，電爆反應生成的超細鈾顆粒在氮氣中呈游離狀態，又處于能量較高的亞穩態，化學活性更高，其收集和防護是亟待解決的難題。

發明內容