一种以废旧UO₂粉料为原料的高密度UO₂芯块制备方法

一种以废旧UO₂粉料为原料的高密度UO₂芯块制备方法
【专利摘要】本发明公布了本发明一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法，首先将废旧UO2粉料装到钼舟中，在烧结炉中氢气保护下500?550℃，保温2小时；然后放到装有氧化铝球磨石的聚胺脂球磨罐中，倒入介质，在球磨机内球磨2～4小时，然后粉料烘干，过筛；加入0.5％聚乙烯醇溶液混料，然后进行烘干并造粒；200?300MPa的压力下成型制成生坯，在氢气气氛下1680～1730℃保温2小时后，烧结成芯块。本发明解决废旧UO2粉料烧结活性低、无法制备出高密度UO2芯块的问题，与传统的湿法重溶工艺相比，工艺流程大幅简化，提高了UO2粉末的利用率，并减少了放射性废物的排放量，降低了芯块生产成本，使废旧UO2粉料得到重新利用，既解决了UO2芯块的制备问题，又解决了废旧UO2粉料的处理问题。
【专利说明】
一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种核工业中核燃料的制备领域，具体是指一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法。
【背景技术】
[0002]UO2粉末一般在新制后需要立即使用，UO2粉料在存放过程中会被空气不断氧化，粉末的0/U增加，烧结活性下降，如果存放时间过长则这种粉料将不能直接制备出密度合格的UO2芯块，核燃料生产单位的核燃料库中存放大量的废旧UO2粉原料，这些粉料已不能直接制备出密度合格的UO2芯块。以在燃料库存放10年的UO2粉末为例，这种粉末的0/U为2.33，超过U02粉末的对0/U的技术要求，如果直接以这种粉末作原料经过压制成型，在氢气气氛保护下1730-1750°C保温2小时烧结制得UO2芯块的最高密度仅为89%TD，不能满足芯块的使用要求。
[0003]对于这种烧结活性低的废旧UO2粉末按《陶瓷二氧化铀制备》所描述的方法，一般需要经过硝酸溶解，经湿法工艺，制备出烧结活性合格的UO2粉末，再进行成型烧结处理制备出密度合格的UO2芯块。但这种工艺相对比较复杂，流程长，会产生大量的放射性废液，生产成本相对较高，生产周期较长。
[0004]对于废旧的U02芯块另一个用途是为了降低生产成本把少量废旧的U02粉末或U3O8粉末添加到新制的UO2粉末中，也能制备也合格的UO2芯块。但这种工艺中废旧UO2粉末的渗入量少，需要配合新制UO2粉末使用。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于提供一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法，解决目前的废旧UO2粉料烧结活性低、无法制备出高密度1]02芯块、现有的废旧UO2粉料处理工艺复杂、周期长的问题。
[0006]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0007 ] 一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法，包括以下步骤:
[0008](A)废旧UO2粉末还原:将废旧UO2粉料装到钼舟中，在烧结炉中氢气保护下500-550C，保温2小时；
[0009](B)UO2粉料破碎球磨，将经过步骤(A)还原后的粉末放到装有氧化铝球磨石的聚胺脂球磨罐中，倒入介质，在球磨机内球磨2?4小时，然后粉料烘干，过筛；
[0010](C) UO2粉料混料、烘干、造粒:将步骤(B)制得的UO2粉料加入0.5 %聚乙烯醇溶液混料，然后进行烘干并造粒；
[0011](D)成型:将步骤(C)制得颗粒料在200-300MPa的压力下成型制成生坯；
[0012](E)烧结:将步骤(D)制得的生坯在氢气气氛下1680?1730°C保温2小时后，烧结成芯块。
[0013]本发明的工艺是将废旧的UO2粉料进行重复利用的工艺，其加工的对象是在核燃料库中存放多年的废旧UO2粉末，存放前UO2粉末的o/u、杂质含量等各项指标合格，存放多年后0/U超标达到2.33，杂质含量等其它各项指标合格，若直接用来造粒，成型，烧结，在氢气气氛下1750°C保温2小时后，芯块的致密度仅能达到89%TD，即使增加成型压力提高生坯的密度、提高烧结温度、延长烧结时间、改变烧结气氛均不能提高芯块的烧结密度。本发明的工艺中在将废旧UO2粉末进行混料造粒工序前，把UO2粉料装到钼舟中，氢气保护气氛下在500-550°C保温2小时，出炉后UO2的0/U为2.003，如此，将被氧化的UO2粉末首先进行还原，然后把还原后的粉末放到装有氧化铝球磨石的聚胺脂球磨罐中，倒入介质，在球磨机上球磨2-4小时，转速为100-300转/分，把粉料烘干，过筛，再向粉末加入0.5wt %聚乙烯醇混料造粒，在200-300MPa的成型压力下成型，生坯密度5.5-6.0g/cm3，在氢气气氛下1680_1730°C保温2小时后，烧结芯块的最高密度达到98.5%W,把烧结芯块进行破碎并进行化学分析，分析结果表明，杂质含量符合《烧结二氧化铀芯块技术条件》要求。本发明的工艺可以解决废I日UO2粉料烧结活性低、无法制备出高密度1]02芯块的问题，与传统的湿法重溶工艺相比，工艺流程大幅简化，提高了 UO2粉末的利用率，并减少了放射性废物的排放量，降低了芯块生产成本，使废旧1]02粉料得到重新利用，既解决了 UO2芯块的制备问题，又解决了废旧UO2粉料的处理问题。
[0014]所述步骤(B)中介质为酒精、丙酮中一种或其混合物。通过采用酒精或者丙酮做为介质，用于球磨机进行UO2粉料的研磨，可以形成均匀、细致的粉料。
[0015]本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果:
[0016]本发明一种以废旧U02粉料为原料的高密度U02芯块制备方法，解决废旧UO2粉料烧结活性低、无法制备出高密度UO2芯块的问题，与传统的湿法重溶工艺相比，工艺流程大幅简化，提高了 UO2粉末的利用率，并减少了放射性废物的排放量，降低了芯块生产成本，使废旧1]02粉料得到重新利用，既解决了 UO2芯块的制备问题，又解决了废旧1]02粉料的处理问题。
【具体实施方式】
[0017]下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0018]实施例一
[0019]一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法，在核燃料库中存放3年的废旧UO2粉末，存放前UO2粉末的各项指标合格，存放后0/U为2.30，杂质含量等其它各项指标合格，
[0020](A)废旧UO2粉末还原:将2公斤废旧UO2粉料装到钼舟中，在烧结炉中氢气保护下5000C，保温2小时，出炉后UO2粉料的0/U为2.01,
[0021](B)UO2粉料破碎球磨，将经过步骤(A)还原后的粉末放到装有氧化铝球磨石的聚胺脂球磨罐中，倒入酒精，在球磨机内球磨4小时，然后粉料烘干，过筛；
[0022](C)UO2粉料混料、烘干、造粒:将步骤⑶制得的UO2粉料加入0.5%聚乙烯醇溶液混料，然后进行烘干并造粒；
[0023](D)成型:将步骤(C)制得颗粒料在200MPa的压力下成型制成生坯，生坯密度5.5g/cm3 ；
[0024](E)烧结:将步骤(D)制得的生坯在氢气气氛下1680°C保温2小时后，烧结成芯块，芯块的烧结密度97 % TD，杂质含量满足UO2芯块技术条件要求。
[0025]实施例二
[0026]一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法，在核燃料库中存放10年的废旧1]02粉末，存放前UO2粉末的各项指标合格，存放后0/U为2.33，杂质含量等其它各项指标合格，
[0027](A)废旧UO2粉末还原:将2公斤废旧UO2粉料装到钼舟中，在烧结炉中氢气保护下5500C，保温2小时，出炉后UO2粉料的0/U为2.003，
[0028](B )U02粉料破碎球磨，将经过步骤(A)还原后的粉末放到装有氧化铝球磨石的聚胺脂球磨罐中，倒入酒精，在球磨机内球磨4小时，然后粉料烘干，过筛；
[0029](C)UO2粉料混料、烘干、造粒:将步骤(B)制得的UO2粉料加入0.5%聚乙烯醇溶液混料，然后进行烘干并造粒；
[0030](D)成型:将步骤(C)制得颗粒料在300MPa的压力下成型制成生坯，生坯密度5.6g/cm3 ；
[0031](E)烧结:将步骤(D)制得的生坯在氢气气氛下1730°C保温2小时后，烧结成芯块，芯块的烧结密度98 % TD，杂质含量满足UO2芯块技术条件要求。
[0032]实施例三
[0033]一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法，在核燃料库中存放10年的废旧1]02粉末，存放前UO2粉末的各项指标合格，存放后0/U为2.33，杂质含量等其它各项指标合格，
[0034](A)废旧UO2粉末还原:将2公斤废旧UO2粉料装到钼舟中，在烧结炉中氢气保护下5500C，保温2小时，出炉后UO2粉料的0/U为2.003，
[0035](B)UO2粉料破碎球磨，将经过步骤(A)还原后的粉末放到装有氧化铝球磨石的聚胺脂球磨罐中，倒入丙酮，在球磨机内球磨4小时，然后粉料烘干，过筛；
[0036](C)UO2粉料混料、烘干、造粒:将步骤⑶制得的UO2粉料加入0.5%聚乙烯醇溶液混料，然后进行烘干并造粒；
[0037](D)成型:将步骤(C)制得颗粒料在300MPa的压力下成型制成生坯，生坯密度5.6g/cm3 ；
[0038](E)烧结:将步骤(D)制得的生坯在氢气气氛下1730°C保温2小时后，烧结成芯块，芯块的烧结密度98.3 % TD，杂质含量满足UO2芯块技术条件要求。
[0039]实施例四
[0040]一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法，在核燃料库中存放10年的废旧1]02粉末，存放前UO2粉末的各项指标合格，存放后0/U为2.33，杂质含量等其它各项指标合格，
[0041](A)废旧UO2粉末还原:将2公斤废旧UO2粉料装到钼舟中，在烧结炉中氢气保护下5500C，保温2小时，出炉后UO2粉料的0/U为2.003，
[0042](B)UO2粉料破碎球磨，将经过步骤(A)还原后的粉末放到装有氧化铝球磨石的聚胺脂球磨罐中，倒入丙酮与酒精的混合物，在球磨机内球磨2小时，然后粉料烘干，过筛；
[0043](C)UO2粉料混料、烘干、造粒:将步骤⑶制得的UO2粉料加入0.5%聚乙烯醇溶液混料，然后进行烘干并造粒；
[0044](D)成型:将步骤(C)制得颗粒料在300MPa的压力下成型制成生坯，生坯密度5.6g/cm3 ；
[0045](E)烧结:将步骤(D)制得的生坯在氢气气氛下1730°C保温3小时后，烧结成芯块，芯块的烧结密度98.5 % TD，杂质含量满足UO2芯块技术条件要求。
[0046]根据以上实施例，所制成芯块的各项指标可以看出，本发明的工艺方法具有较强的再现性，与现有技术中的两种处理工艺相比，相对于硝酸溶解、经湿法工艺，制备出烧结活性合格的UO2粉末的工艺而言，本发明技术方案的工艺周期大大缩短，现有工艺的周期为72小时以上，而本发明方案的周期为10?12小时，周期大大缩短，效率提高;相对于把少量废旧的UO2粉末或U3O8粉末添加到新制的UO2粉末中，制备合格的UO2芯块的工艺而言，处理的效率大大提高，掺杂工艺中，单次的参和量一般不超过重量的15%，而本申请技术方案是完全采用废旧UO2粉末进行生产制造，废旧UO2粉末的消耗速度大大提高。
[0047]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (A)废旧UO2粉末还原:将废旧UO2粉料装到钼舟中，在烧结炉中氢气保护下500-550°C，保温2小时； (B)UO2粉料破碎球磨，将经过步骤(A)还原后的粉末放到装有氧化铝球磨石的聚胺脂球磨罐中，倒入介质，在球磨机内球磨2?4小时，然后粉料烘干，过筛； (C)UO2粉料混料、烘干、造粒:将步骤(B)制得的UO2粉料加入0.5 %聚乙烯醇溶液混料，然后进行烘干并造粒； (D)成型:将步骤(C)制得颗粒料在200-300MPa的压力下成型制成生坯； (E)烧结:将步骤(D)制得的生坯在氢气气氛下1680?1730°C保温2小时后，烧结成芯块。2.根据权利要求1所述的一种以废旧UO2粉料为原料的高密度UO2芯块制备方法，其特征在于:所述步骤(B)中介质为酒精、丙酮中一种或其混合物。
【文档编号】C04B35/622GK105924169SQ201610280704
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】李圆圆, 杨静, 喻冲, 段盼盼, 刘海, 刘桂良, 孙超
【申请人】中国核动力研究设计院