專利名稱：二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法
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(duì)U02進(jìn)行表面氧化處 理，以提高其0/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?，其反?yīng)堆所用的1102燃料芯塊傳統(tǒng)上 是在約170(TC的還原性氣氛中燒結(jié)而成。由于燒結(jié)溫度高，而且需要使用氬氣 氣氛，所以該工藝具有一定的危險(xiǎn)性，且能耗很高；同時(shí)還必須使用高溫?zé)Y(jié) 爐和高溫?zé)Y(jié)用舟亞等，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本偏高。隨著世界范圍的能源危機(jī)問(wèn)題 日益凸現(xiàn)以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)， 一方面世界各國(guó)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(yùn)而生。該 工藝是將U(U然料芯塊先在120(TC左右的微氧化氣氛下燒結(jié)，然后在140(TC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(duì)于我國(guó)這種能源緊張的發(fā)展中國(guó)家具有重大意義。低溫?zé)Y(jié)本質(zhì) 上是活化燒結(jié)。1)02燒結(jié)是擴(kuò)散控制過(guò)程，由于氧的擴(kuò)散系數(shù)比鈾高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故鈾擴(kuò)散是控制因素。研究發(fā)現(xiàn)在偏離化學(xué)劑量比的U02中，鈾擴(kuò)散激活能隨過(guò)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1102芯塊中的存 在(即0/U原子比大于2),才能有效地實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)。同時(shí)，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1102粉末和11308粉末混合而成，但是研究 表明，摻入1102的11308量有一定限制，否則會(huì)造成坯塊可燒結(jié)性大大下降。因此 這種方法限制了 0/U原子比的提高幅度?；烊險(xiǎn)^也不能提高粉末的比表面積。 同時(shí)，直接加入1]308顆粒還可能引起還原不透的問(wèn)題，使最終燒結(jié)以后的芯塊中仍然存在少量UA,降低芯塊性能。燒結(jié)過(guò)程主要取決于粉末的表面特性，表面氧化處理得到過(guò)量氧主要存在 于顆粒表面，更容易在還原過(guò)程中去除，同時(shí)表面氧化也可以改變顆粒形貌， 提高比表面積。但是目前對(duì)1102進(jìn)行表面氧化處理的方法尚未見報(bào)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U02 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0/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(lái) 源豐富，氧化溫度低，能耗少，有制作工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，所使用的原料為0/U原子比為2. 0的1)02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(guò)程在管式氣氛電阻爐中進(jìn)行， 氧化溫度為250-400°C,升溫速率為5-20°C/min，保溫時(shí)間2-6h。 1)02粉末隨爐 冷卻到100。C至室溫時(shí)，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(guò)程 中的主要熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，因此，采用這種粉末進(jìn)行燒結(jié)，其熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力高于 未經(jīng)處理的粉末，燒結(jié)過(guò)程更加容易進(jìn)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(lái)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0/U原子比大于2.0 (超化學(xué)計(jì)量比)的二氧化鈾 粉末，其中超出化學(xué)計(jì)量比的那部分氧原子(過(guò)量氧)主要存在于粉末顆粒表 面，在以后的燒結(jié)過(guò)程中有利于促進(jìn)二氧化鈾粉末中鈾原子在顆粒表面擴(kuò)散， 提高燒結(jié)過(guò)程中顆粒連接部位(即燒結(jié)頸)的形成和長(zhǎng)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(jì)量比二氧化鈾粉末，其過(guò)量的氧主要存在 于粉末顆粒表面，^1奪其壓制成坯塊進(jìn)行燒結(jié)時(shí)，表面的過(guò)量氧在還原燒結(jié)過(guò)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(guò)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(jì)量二氧化鈾(0/U原子比為2. 0)含量。用本發(fā)明所述方法得到的二氧化鈾粉末，用于后續(xù)燒結(jié)加工有利于促進(jìn)鈾 原子在顆粒表面擴(kuò)散，提高燒結(jié)頸的形成和長(zhǎng)大速度，降低燒結(jié)溫度、加快燒 結(jié)速度。
具體實(shí)施方式
以流通空氣、閉爐空氣或水蒸氣為氧化介質(zhì)時(shí)，按下列步驟處理二氧化鈾 粉末1) 取1102粉末，置于人1203坩鍋中，將表面粉末刮平，使其在坩堝內(nèi)鋪展均勻。2) 將裝有U02粉末的坩鍋放入管式氣氛爐內(nèi)，以流通空氣、閉爐空氣或水 蒸氣為氧化介質(zhì)，加熱，控制其升溫速率為5-2(TC/min,加熱至250°C ~ 400°C , 保溫2 6小時(shí)；3) 以流通空氣或閉爐空氣為氧化介質(zhì)時(shí)，分別在敞開爐門或關(guān)閉爐門的條 件下直接接通氣氛爐電源進(jìn)行加熱，保溫結(jié)束后電源自動(dòng)切斷，待粉末在爐內(nèi) 冷卻到IO(TC以下取出空冷，即得本發(fā)明所述的表面經(jīng)氧化處理的二氧化鈾粉末；氧化介質(zhì)為水蒸氣時(shí)，先關(guān)閉爐門，將二氧化鈾粉末加熱至250°C ~ 400°C, 再通入水蒸氣，保溫結(jié)束后停止通氣，待爐溫降到IO(TC以下，取出空冷，即得 本發(fā)明所述的表面經(jīng)氧化處理的二氧化鈾粉末。實(shí)施例1取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2. 70m7g的U(U分末20g,裝入A1203 坩鍋中，表面粉末刮平，氧化介質(zhì)為空氣，氣氛為敞開爐門。將裝有U02粉末的 人1203坩鍋放入管式爐，敞開爐門加熱至250°C，升溫速率為10。C/min左右，保 溫2h后電源自動(dòng)切斷，冷卻至90。C左右，取出坩堝空冷，即得本發(fā)明所述的表 面經(jīng)氧化處理的二氧化鈾粉末。經(jīng)測(cè)試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 10、比表面積為2. 90m2/g。 實(shí)施例2取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2. 70mVg的1102粉末20g,裝入人1203 坩鍋中，表面粉末刮平，氧化介質(zhì)為空氣，氣氛為敞開爐門。將裝有1102粉末的 Ah03坩鍋放入管式爐，敞開爐門加熱至30(TC，升溫速率為15°C/min左右，保 溫4h后電源自動(dòng)切斷，冷卻至6(TC左右，取出坩堝空冷，即得本發(fā)明的表 面經(jīng)氧化處理的二氧化鈾粉末經(jīng)測(cè)試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 35、比表面積為4. 10mVg。實(shí)施例3取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2, 70m2/g的U(U分末20g，裝入A1203 坩鍋中，表面粉末刮平，氧化介質(zhì)為空氣，氣氛為閉爐空氣。將裝有1102粉末的 Ah03坩鍋放入管式爐，關(guān)閉爐門加熱至30(TC,升溫速率為20。C/min左右，保 溫4h后電源自動(dòng)切斷，冷卻至8(TC左右，取出坩堝空冷，即得本發(fā)明所述的表 面經(jīng)氧化處理的二氧化鈾粉末。經(jīng)測(cè)試，該工藝處理后的UO^分末0/U原子比為2. 29、比表面積為3. 80mVg。實(shí)施例4取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2. 70m7g的U(M分末20g,裝入A1203 坩鍋中，將表面粉末刮平。氧化介質(zhì)為空氣，氣氛為閉爐空氣。將裝有1)02粉末 的八1203坩鍋放入管式爐，關(guān)閉爐門加熱至360°C，升溫速率為2(TC/min左右， 保溫6h后電源自動(dòng)切斷，冷卻至5(TC左右，取出坩堝空冷，即得本發(fā)明所述的 表面經(jīng)氧化處理的二氧化鈾粉末。經(jīng)測(cè)試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 43、比表面積為4. 30m7g。實(shí)施例5取原始0/U原子比為2.0、比表面積為2. 70mVg的U02粉末20g，裝入人1203 蚶鍋中，表面粉末刮平，氧化介質(zhì)為水蒸氣，氣氛為水蒸氣。將裝有U02粉末的 Ah03坩鍋放入管式爐，關(guān)閉爐門加熱至30(TC，升溫速率為15。C/min左右，再 通入水蒸氣，保溫4h后，停止通氣電源自動(dòng)切斷，冷卻至7(TC左右，取出坩堝空冷，即得本發(fā)明所述的表面經(jīng)氧化處理的二氧化鈾粉末。經(jīng)測(cè)試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 18、比表面積為3. 50mVg。 實(shí)施例6取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2. 70mVg的1102粉末20g,裝入A1203 蚶鍋中，表面粉末刮平，氧化介質(zhì)為水蒸氣，氣氛為水蒸氣。將裝有1102粉末的 人1203蚶鍋放入管式爐，關(guān)閉爐門加熱至380°C,升溫速率為15。C/min左右，再 通入水蒸氣，保溫4h后，停止通氣電源自動(dòng)切斷，冷卻至9(TC左右，取出坩堝 空冷，即得本發(fā)明所述的奉面經(jīng)氧化處理的二氧化鈾粉末。經(jīng)測(cè)試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 43、比表面積為4. 60m7g。結(jié)論上述實(shí)施例表明，采用本發(fā)明提供的技術(shù)，在開爐空氣、閉爐空氣和水蒸 氣條件下對(duì)0/U原子比為2. 0的化學(xué)計(jì)量U02粉末進(jìn)行不同溫度和時(shí)間的熱處理 后，其0/U原子比均提高到2. 0以上，比表面積也得以增大。
權(quán)利要求
1. 一種二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征在于有以下步驟1)將盛有UO2粉末的容器，放入管式氣氛爐內(nèi)，在氧化介質(zhì)條件下加熱，升溫速率為5-20℃/min，加熱至250℃～400℃，保溫2～6小時(shí)；2)待UO2粉末在管式氣氛爐內(nèi)冷卻到100℃至室溫時(shí)，取出空冷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征在于 所述氧化介質(zhì)為空氣或水蒸氣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征在于 所述空氣為流通空氣或閉爐空氣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征 在于氧化介質(zhì)為空氣時(shí)，敞開或關(guān)閉爐門，將二氧化鈾粉末加熱至25CTC ~400 。C,保溫2 6小時(shí)，隨爐冷卻到IO(TC ~室溫時(shí)，取出二氧化鈾粉末，空冷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征 在于氧化介質(zhì)為水蒸氣時(shí)，先關(guān)閉爐門，將二氧化鈾粉末加熱至25(TC-400 。C，再通入水蒸氣，保溫2 ~ 6小時(shí)，保溫結(jié)束后停止通氣，隨爐冷卻到IO(TC ~ 室溫時(shí)，取出二氧化鈾粉末，空冷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征在于有以下步驟1)取UO₂粉末，放入管式氣氛爐內(nèi)，在氧化介質(zhì)條件下加熱，升溫速率為5～20℃/min，加熱至250℃～400℃，保溫2～6小時(shí)；2)待UO₂粉末在爐內(nèi)冷卻到100℃至室溫時(shí)，取出于空氣中冷卻，即得表面經(jīng)氧化處理的二氧化鈾粉末。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(lái)源豐富，氧化溫度低，能耗少，有制作工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01G43/025GK101254950SQ20081006950
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者吳曙芳, 勇 王, 高家誠(chéng) 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)