一种uo2-w金属陶瓷球制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及材料领域，具体地，设及一种U02-W金属陶瓷球制备方法。
【背景技术】
[0002] U化被广泛用于核材料，但热传导率在金属轴，碳化轴，氮化轴中是最低的。热传导 率在核反应堆中是个重要的热物理性质，直接反映着反应堆燃料的性能。通过制备U02-W金 属陶瓷燃料可W使反应堆燃料在相对低的溫度下运行，降低了燃料溫度，减少了燃料核忍 肿胀、减缓了核忍裂变产物的扩散、也减少了裂变产物的释放，甚至可W减少轴富集度，加 深反应堆的燃耗、提高了经济性，延长了反应堆运行寿命。
[0003] 关于U〇2-W金属陶瓷核燃料的报道很少，文献化iterature review of thermal and radiation performance parameters for high-temperature, uranium dioxide fueled cermet materials》介绍了U〇2粉末弥散在金属鹤基体中采用一定模具压制烧结而 制备的金属陶瓷W-U〇2燃料，文献《A fabrication technique for a U〇2 pellet consisting of UO2 grains and a continuous W channel on the grain boundary》中 介绍了通过ADU-U02粉末与鹤粉混合压制成忍块生巧经烧结、退火而制得金属鹤在U〇2晶界 连续均匀分布的U02-W陶瓷忍块，在同样的热传导率下，U02-W燃料比W-U02燃料添加的金属W 更少，更有利于U〇2燃料核性能;运两种方法都是通过粉末法制备金属陶瓷W-U化和U02-W燃 料。而粉末法制备出来的燃料其中的金属鹤在U〇2晶界中的分布并不均匀，使得金属U02-W的 热传导率并不高。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种U02-W金属陶瓷球制备方法，该方法制备 U化-W金属陶瓷球与金属陶瓷W-U化忍块和U02-W忍块制备工艺有很大不同，制备工艺难度大 (例如如何制备完整不开裂的球、如何能够让金属鹤均匀分布在U〇2晶界中），制备出的金属 陶瓷级U02-W球直径为0.05~3mm，且金属鹤均匀分布在U〇2晶界，运种金属陶瓷级U02-W球不 会开裂，热传导率高。
[0005] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是： 一种金属陶瓷级U02-W球的制备方法，其具体步骤如下： 步骤1含鹤溶胶的制备:在5°C下，按照偏鹤酸锭/U质量比为0.10~0.156,尿素/U摩尔 比为1:4比例将偏鹤酸锭、缺硝酸轴酷溶液和尿素混合，揽拌均匀，然后按照HTMA(乌洛托 品）/U的摩尔比为1:4的比例，在不断揽拌的情况下缓慢加入固体HTMA(乌洛托品），揽拌均 匀至含鹤溶胶液透明。
[0006] 步骤2分散胶凝:将含鹤溶胶液通过压力排出，得到溶胶滴。溶胶滴经载带流载 带，滴入装有加热的异辛醇(或石蜡油、四氯化碳CCU)分散柱内在表面张力作用下成球，并 在下降过程中胶凝，得到含鹤凝胶球。为保证足够的胶凝时间，分散柱长度不低于2m，分散 介质即异辛醇(或石蜡油、CC14)应维持在65~80°C。
[0007]步骤3洗涂：将含鹤凝胶球用乙醇水溶液洗涂，乙醇洗液浓度为40%~60%(体积 比），清洗时间为0.5~化，洗涂=次。
[000引步骤4干燥般烧:将含鹤凝胶球放入高溫烘箱里按程序升溫，进行干燥般烧，凝胶 球完成脱水和有机物骨架脱除过程，并转化为U03-W化球。程序升溫方式为室溫到80°C升溫 时间 60min ~120111111;80°0150°(：升溫时间120111111~150111111;150°0200°(：升溫时间90111111~ 120min;200°C 升溫至 350°C 升溫时间为 120min ~150min。
[0009] 步骤5还原烧结:将WO3-UO3球在烧结炉里氨气氛围1300~1400°C下经还原烧结 4〇-60min，W〇3-U〇3球被还原成金属陶瓷级W-U02球。实际上，烧结时间在40-60min内都可， 60min最佳。
[0010] 步骤6退火:将金属陶瓷级W-U化球在烧结炉里C〇2气体氛围（1550~1600)°C下20-30min，金属陶瓷级W-U02球的金属鹤被C〇2气体氧化成W〇3，并液化进入陶瓷级U〇2晶间(W〇3烙 点为 1470°C )，得到U〇2-W〇3球。
[001 U 步骤7还原:将步骤6制得的液化后的U02-W03球于烧结炉氨气氛围1500~1600°C 下经还原烧结100-120min，得到金属鹤均匀分布在陶瓷UO2晶界的金属陶瓷级UO2-W球。
[0012] 本发明的关键点在于如何将鹤均匀分散在U〇2中，本发明通过将在制备过程中的 工艺严格控制，例如烧结溫度不能超过1400°C，烧结时间不能超过60min，制备过程中不同 气体氛围的切换等，能够保证鹤能够均匀分散在在U〇2中，同时制备得来的U02-W金属陶瓷球 不会因烧结过度而致密，保证了 U02-W金属陶瓷球不会开裂。
[0013] 综上，本发明的有益效果是： 本发明通过含鹤溶胶的制备、分散胶凝、洗涂、干燥般烧、还原烧结、退火、还原得到了 金属鹤均匀分布在陶瓷U〇2晶界的金属陶瓷级U02-W球，运种方法制得的金属陶瓷级U02-W球 中的金属鹤均匀分布在在陶瓷U〇2晶界，比粉末法制得的金属陶瓷材料具有更好的热传导 性。
【附图说明】
[0014] 图巧W均匀分布在U〇2晶体之间的金相图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合实施例和附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式 不限于此。
[0016] 实施例1: 一种金属陶瓷级U〇2-W球的制备方法，具体包括W下步骤： 步骤1含鹤溶胶的制备：在5°C下，在20ml缺酸硝酸轴酷溶液（[U]=500g/L)中，添加 35.3g尿素和1. Og偏鹤酸锭，通过揽拌至固体完全溶解，然后在不断揽拌的情况下缓慢添加 HTMA(乌洛托品）82.3g，直至含鹤溶胶液透明。
[0017] 步骤2分散胶凝：将含鹤溶胶液WO.07~0.1 Mpa压力排出，溶胶通过直径为 0.2mm、0.3mm的孔板分散，孔板振动而得到溶胶滴。溶胶流经到分散孔板通道应保持在5°C W下。溶胶滴经载带流载带，滴入装有加热的异辛醇分散柱或石蜡油分散柱内，溶胶滴在表 面张力作用下成球，并在下降过程中胶凝，得到含鹤凝胶球。为保证足够的胶凝时间，分散 柱长度不低于2m，分散介质即异辛醇(或石蜡油)应维持在70~80°C。
[0018] 步骤3洗涂：将含鹤凝胶球用乙醇水溶液洗涂，乙醇洗液浓度为40%~60%(体积 比），清洗时间为0.5~化，洗涂=次。
[0019] 步骤4干燥般烧:将含鹤凝胶球放入高溫烘箱里进行干燥般烧，凝胶球完成脱水 和有机物骨架脱除过程，并转化为U03-W化球。程序升溫方式为室溫到80°C升溫时间60min~ 120min;80°C~150°C 升溫时间 120min ~150min;150°C~200°C 升溫时间 90min ~120min;200°C 升溫至350°C升溫时间为120min~150min。
[0020] 步骤5还原烧结:将WO3-UO3球在烧结炉里氨气氛围1300~1400°C下经还原烧结 4〇-60min，W〇3-U〇3球被还原成金属陶瓷级W-U02球。
[0021] 步骤6退火:将金属陶瓷级W-U化球在烧结炉里C〇2气体氛围（1550~1600)°C下20-30min，金属陶瓷级W-U02球的金属鹤被C〇2气体氧化成W〇3，并液化进入陶瓷级U〇2晶间(W〇3烙 点为 1470°C )，得到U〇2-W〇3球。
[0022] 步骤7还原:将步骤6制得的液化后的U02-W03球于烧结炉氨气氛围1500~1600°C 下经还原烧结100-120min，得到直径为0.05~0.5mm的金属鹤均匀分布在陶瓷UO2晶界的金 属陶瓷级U02-6. lm%W球，其中W占金属陶瓷球质量分数为6.1%。
[0023] 实施例2 步骤1添加偏鹤酸锭为1.56g，其余同实施1; 步骤2分散胶凝:将含鹤溶胶液采用蠕动累经过分散孔径为2mm、4mm、6mm的分散头得 到一定尺寸的溶胶滴。溶胶流经到分散孔板通道应保持在5°C W下。溶胶滴经载带流载带， 滴入装有加热的ca4分散柱内在表面张力作用下成球，并在下降过程中胶凝，得到含鹤凝 胶球。为保证足够的胶凝时间，分散柱长度不低于2m，分散介质即〇n4,应维持在65~75°C ; 步骤3同实施1; 步骤4同实施1; 步骤5同实施1; 步骤6同实施1; 步骤7同实施1得到直径为0.6~3mm的金属鹤均匀分布在陶瓷U〇2晶界的金属陶瓷级 U02-9.4m%W球如图1，其中W占金属陶瓷球质量分数为9.4%。
[0024] 本发明制备出的金属陶瓷级U02-W球和其他球的热传导率比较如表1所示：
从上表可W看出，经本发明制备的金属陶瓷级U02-W球的热传导率明显高于粉末法制 备金属陶瓷W-U02燃料。
[0025] 如上所述，可较好的实现本发明。
【主权项】
1. 一种u〇2-w金属陶瓷球制备方法，其特征在于，具体步骤如下： a、 含钨溶胶的制备:在5°C下，按照偏钨酸铵/U质量比为0.10~0.156,尿素/U摩尔比为 1:4的比例将偏钨酸铵、缺硝酸铀酰溶液和尿素混合，搅拌均匀，然后按照乌洛托品/U的摩 尔比为1:4的比例，在不断搅拌的情况下缓慢加入固体乌洛托品，搅拌均匀至含钨溶胶液透 明； b、 分散胶凝:将步骤a所述的含钨溶胶液通过压力排出，得到溶胶滴，溶胶滴经载带流 载带，滴入装有加热的异辛醇、石蜡油或四氯化碳的任一种分散柱内，使溶胶滴在表面张力 作用下成球，并在下降过程中胶凝，得到含钨凝胶球； c、 洗涤:将含钨凝胶球用乙醇水溶液洗涤； d、 干燥煅烧:将含钨凝胶球放入高温烘箱里进行干燥煅烧以脱水和脱除有机物骨架 脱，最后转化为U〇3-W03球； e、 第一次还原烧结:将W03-U〇3还原烧结得到金属陶瓷级W-U02球； f、 退火:金属陶瓷级W-U02球的金属钨被C02气体氧化成W03，并液化进入陶瓷级1]〇 2晶间， 得到U〇2_W〇3球； g、 第二次还原烧结:将步骤f制得的液化后的U〇2-W〇3球还原烧结得到金属陶瓷级U02-W 球。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中的分散柱长度不低于2m，分散介质 即异辛醇、石蜡油或CC14的温度在65~80 °C。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c洗涤用的乙醇洗液浓度体积比为40% ~60%，清洗时间为0.5~lh，洗涤三次。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d的干燥煅烧过程为:室温到80°C升温 时间 60min~120min，80°0150°C 升温时间 120min~15〇11^11，150°0200°(：升温时间9〇11^11~ 120min，200°C 升温至 350°C 升温时间为 120min~150min。5. 根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤e的还原烧结的条件具体为： 氢气氛围1300~1400°C下还原烧结40-60min。6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤f在C02气体氛围下，将金属陶瓷级W-U〇2球投入烧结炉里，在1550~1600°C下烧结20-30min。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤g的还原烧结的条件具体为:氢气氛围 1500~1600 °C下经还原烧结100-120min。
【专利摘要】本发明公开了一种金属陶瓷级UO2-W球的制备方法，该方法包括含钨溶胶的制备、分散胶凝、洗涤、干燥煅烧、还原烧结、退火。该方法制备出的金属陶瓷级UO2-W球直径为0.05~3mm，且金属钨均匀分布在UO2晶界，较粉末法制备的金属陶瓷级W-UO2燃料具有更好的热传导性。
【IPC分类】B22F9/22
【公开号】CN105642907
【申请号】
【发明人】唐向阳, 刘锦洪, 康武, 李佳, 张捷, 刘睿睿, 孙超
【申请人】中国核动力研究设计院
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年1月29日