一種UO2-石墨烯復合燃料壓制粉末的制備工藝制造技術

本發明專利技術屬于核反應堆燃料制備領域，為解決現有UO2?石墨烯復合燃料壓制粉末的制備工藝中存在的物理混料不均勻，生產效率較低，生產成本較高以及其他燒結工藝燃料密度不高等問題，本發明專利技術提供了一種UO2?石墨烯復合燃料芯塊的制備工藝。該工藝主要包括以下步驟：(1)合成UH3粉末，(2)合成硝酸鈾酰溶液，(3)合成(NH4)2U2O7?石墨烯復合粉末，(4)合成UO2?石墨烯復合粉末，(5)UO2?石墨烯復合粉末與UH3粉末混合，(6)燃料芯塊的生坯的冷壓成型，(7)燃料芯塊的無壓燒結。本發明專利技術的工藝是采用化學方法，具有成產效率高、成本低的優點，解決了復合燃料各元素不均和密度低的問題，制得的復合燃料相對密度約為95％，具有優異的熱物理性能。

The preparation process of UO2 graphene composite fuel

The invention belongs to the field of nuclear reactor fuel preparation, physical preparation to solve the existing UO2 graphene composite fuel in the mixture is not uniform, low production efficiency, high production cost and sintering process of the fuel density is not high, the invention provides a UO2 graphene composite fuel pellets the preparation process. The process comprises the following steps: (1) the synthesis of UH3 powder, the synthesis of uranyl nitrate solution (2), (3) the synthesis of (NH4) 2U2O7 graphene composite powder, (4) the synthesis of UO2 graphene composite powder, (5) UO2 graphene composite powder was mixed with UH3 powder, (6) cold pressing green fuel pellets, (7) sintered fuel pellets. The process of the invention is the use of chemical methods, the production has the advantages of high efficiency and low cost, solves the uneven composite fuel elements and low density, the relative density of composites prepared by about 95%, with good thermal physical properties.

【技術實現步驟摘要】
一種UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝
本專利技術屬于核反應堆燃料制備領域，特別涉及一種UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝。
技術介紹
石墨烯是一種新興的二維納米材料，研究表明，其在很多方面具有優異的屬性，在材料領域具有廣泛的應用價值。在核反應堆燃料領域，國際上有在動力堆UO2燃料芯塊中摻入石墨烯制成UO2-石墨烯復合燃料，利用石墨烯所具有的熔點高、熱中子吸收截面小、熱導率極高的物理性質來提高動力堆UO2燃料芯塊熱物理性能的研究。另外，石墨烯獨特的二維納米結構使其具有較好的力學性能，可對UO2起到彌散強化作用。對于UO2-石墨烯復合燃料的制備，目前，國外的相關研究主要是采用物理混合與放電等離子(SPS)燒結工藝，而國內文獻中基本未見到相關報道。然而，物理混合法的工藝存在UO2與石墨烯難于混合均勻，石墨烯極易出現偏析、團聚的不足，影響燃料芯塊的性能提升；放電等離子(SPS)燒結工藝存在生產效率較低，生產成本較高的缺陷；其他燒結工藝存在燃料燒結密度不高的缺點。因此要提高燃料第二相均勻度、燃料密度與生產效率，就應當尋求新的工藝突破。
技術實現思路
(一)專利技術目的為解決現有UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝中存在的物理混料不均勻，生產效率較低，生產成本較高以及其他燒結工藝燃料密度不高等問題，本專利技術提供了一種UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝。(二)技術方案該UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝主要包括以下步驟：(1)合成(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末將石墨烯加入到硝酸鈾酰溶液中，得到混合物溶液液；之后將氨水加入到混合物溶液中，得到(NH4)2U2O7沉淀；將沉淀過濾、真空干燥得到(NH4)2U2O7沉淀，經破碎、過篩，得到(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末；(2)合成UO2-石墨烯復合粉末將(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末在真空環境下加熱得到U3O8，再通入還原性氣體，加熱還原，之后將最終混合物粉末破碎、過篩，得到UO2-石墨烯混合物粉末；(3)UO2-石墨烯復合粉末與UH3粉末混合將UO2-石墨烯混合物粉末與UH3粉末，干法混料得到最終的壓制粉末。所述步驟(1)之前還包括以下步驟：a.合成UH3粉末將金屬鈾塊放在氫化爐內通入純H2氣體，得到UH3粉末；b.合成硝酸鈾酰溶液取濃硝酸和UO2粉末，二者混合加熱，反應時間為1～3h，得到硝酸鈾酰溶液。步驟a中，所述將金屬鈾塊放在氫化爐內通入純H2氣體，反應溫度為500～600℃，氫化-脫氫反應次數為3～5，每次反應時間為30～50min。步驟b中，所述濃硝酸和UO2粉末摩爾比為2～4:1，反應溫度為50～70℃。步驟(1)中，所述石墨烯加入到硝酸鈾酰溶液混合采用超聲振蕩1～3h，得到混合物溶液。步驟(1)中，所述石墨烯粉末、氨水和硝酸鈾酰溶液摩爾比為0.001～0.003:2～4:1。步驟(1)中，所述將(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末在真空環境下加熱反應，反應時間為1～2h，再通入還原性氣體，加熱還原時間為2～3h。步驟(2)中，所述(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末在真空環境加熱溫度為350～400℃。步驟(2)中，所述(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末在真空環境通入還原性氣體為含H2氣體，加熱溫度為600～700℃。步驟(3)中，所述UO2-石墨烯混合物粉末與UH3粉末質量比為20～50:1。所述步驟(3)之后還包括以下步驟：c.燃料芯塊的生坯的冷壓成型對壓制粉末冷壓成型，保壓一段時間，制得燃料芯塊生坯；d.燃料芯塊的無壓燒結將燃料芯塊生坯加熱，在還原性氣氛下無壓燒結1～2h，制得UO2-石墨烯復合燃料芯塊。步驟c中，所述對壓制粉末冷壓成型的壓力為400～600MPa，保壓時間≥20s。步驟d中，所述燃料芯塊生坯在加熱溫度為1550～1650℃，其中還原性氣氛為Ar-6％H2氣氛。(三)有益效果為克服UO2與石墨烯物理混合法存在混料不均勻的問題，本專利技術嘗試采用化學合成法制備UO2-石墨烯復合粉末。將UO2粉末溶解成硝酸鈾酰溶液后，再與石墨烯粉末混合，可使鈾離子與石墨烯達到在分子水平上接觸結合，同時，由于石墨烯表面能較大，通過氨水對硝酸鈾酰沉淀，可使(NH4)2U2O7會優先在石墨烯表面形核、長大，使沉淀物將石墨烯包裹起來，這顯著改善了石墨烯與UO2基體的相容性，使石墨烯在UO2基體中得到均勻分散，使燃料芯塊中的各元素均勻分布。為克服放電等離子燒結的效率低、生產成本高以及其他工藝芯塊密度低的問題，本專利技術嘗試采用在芯塊中加入UH3粉末，促進芯塊燒結而提升芯塊的密度。將UH3粉末加入到燃料芯塊中會對芯塊燒結產生兩個有益的效果：一是UH3在高溫時會分解出氫，而氫會與UO2中多余的間隙氧原子反應，這就保護了石墨烯而避免了石墨烯與間隙氧原子發生反應；二是高溫下UH3分解后形成的金屬鈾會以液相的狀態存在，液相會對芯塊的燒結起到一定的促進作用，加速芯塊中鈾元素的遷移與擴散，進而大幅度提高芯塊的密度。本專利技術制備的燃料芯塊相對密度約為95％，具有優異的熱物理性能。具體實施方式下面結合具體實施例對本專利技術的實施方式做進一步的說明。該UO2-石墨烯復合燃料芯塊的制備工藝主要包括以下步驟：(1)合成UH3粉末將金屬鈾塊在氫化爐內通入純H2氣體，在500～600℃的溫度下，進行3～5次氫化-脫氫反應，每次反應時間為30～50min，得到UH3粉末。(2)合成硝酸鈾酰溶液按照摩爾比2～4:1的比例分別取濃硝酸和UO2粉末，二者混合加熱溫度至50～70℃，反應時間為1～3h，得到硝酸鈾酰溶液。(3)合成(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末按照摩爾比0.001～0.003:2～4:1的比例分別取石墨烯粉末、氨水和硝酸鈾酰溶液。將石墨烯加入到硝酸鈾酰溶液中，經過超聲振蕩1～3h得到混合物溶液；之后將氨水緩慢加入到混合物溶液中，生成(NH4)2U2O7沉淀。將沉淀過濾、真空干燥得到(NH4)2U2O7沉淀，將沉淀破碎、過篩，得到(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末。(4)合成UO2-石墨烯復合粉末將(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末在真空環境350～400℃分級得到U3O8，反應時間1～2h，再通入還原性氣體H2(主要是參與還原反應)，在600～700℃下還原2～3h。之后將最終混合物粉末破碎、過篩，得到UO2-石墨烯混合物粉末。(5)UO2-石墨烯復合粉末與UH3粉末混合按照質量比20～50:1的比例分別量取UO2-石墨烯混合物粉末與UH3粉末，干法混料得到最終的壓制粉末。(6)燃料芯塊的生坯的冷壓成型采用400～600MPa壓力對混合粉末冷壓成型，保壓時間≥20s，制得燃料芯塊生坯；(7)燃料芯塊的無壓燒結將燃料芯塊生坯在1550～1650℃下于還原性氣氛(主要保證還原性環境，防止物質氧化)中無壓燒結1～2h，制得相對密度為93～95％TD的UO2-石墨烯復合燃料芯塊。實施例1本實施例采用以下步驟制備UO2-石墨烯復合燃料：(1)合成UH3粉末將金屬鈾塊在氫化爐內通入純H2氣體，在500℃的溫度下，進行3次氫化-脫氫反應，每次反應時間為30min，得到UH3粉末。(2)合成硝酸鈾酰溶液按照摩爾比2:1的比例分別取濃硝酸和UO2粉末，二者混合加熱溫度至50℃，反應時間為1h，得到本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種UO2?石墨烯復合燃料的制備工藝，其特征在于，該UO2?石墨烯復合燃料的制備工藝主要包括以下步驟：(1)合成(NH4)2U2O7?石墨烯復合粉末將石墨烯加入到硝酸鈾酰溶液中，得到混合液；之后將氨水加入到混合物溶液中，得到(NH4)2U2O7沉淀；將沉淀過濾、真空干燥得到(NH4)2U2O7沉淀，經破碎、過篩，得到混合粉末；(2)合成UO2?石墨烯復合粉末將(NH4)2U2O7?石墨烯復合粉末在真空環境下加熱得到U3O8，再通入還原性氣體，加熱還原，之后將最終混合物粉末破碎、過篩，得到UO2?石墨烯混合物粉末；(3)UO2?石墨烯復合粉末與UH3粉末混合將UO2?石墨烯混合物粉末與UH3粉末，干法混料得到最終的壓制粉末。

【技術特征摘要】
1.一種UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝，其特征在于，該UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝主要包括以下步驟：(1)合成(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末將石墨烯加入到硝酸鈾酰溶液中，得到混合液；之后將氨水加入到混合物溶液中，得到(NH4)2U2O7沉淀；將沉淀過濾、真空干燥得到(NH4)2U2O7沉淀，經破碎、過篩，得到混合粉末；(2)合成UO2-石墨烯復合粉末將(NH4)2U2O7-石墨烯復合粉末在真空環境下加熱得到U3O8，再通入還原性氣體，加熱還原，之后將最終混合物粉末破碎、過篩，得到UO2-石墨烯混合物粉末；(3)UO2-石墨烯復合粉末與UH3粉末混合將UO2-石墨烯混合物粉末與UH3粉末，干法混料得到最終的壓制粉末。2.根據權利要求1所述的一種UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝，其特征在于，所述步驟(1)之前還包括以下步驟：a.合成UH3粉末將金屬鈾塊放在氫化爐內通入純H2氣體，得到UH3粉末；b.合成硝酸鈾酰溶液取濃硝酸和UO2粉末，二者混合加熱，反應時間為1～3h，得到硝酸鈾酰溶液。3.根據權利要求2所述的一種UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝，其特征在于，所述將金屬鈾塊放在氫化爐內通入純H2氣體，反應溫度為500～600℃，氫化-脫氫反應次數為3～5，每次反應時間為30～50min。4.根據權利要求2所述的一種UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝，其特征在于，所述濃硝酸和UO2粉末摩爾比為2～4:1，反應溫度為50～70℃。5.根據權利要求1所述的一種UO2-石墨烯復合燃料的制備工藝，其特征在于，所述石墨烯加入到硝酸鈾酰溶液混合采用超聲振蕩1～3h，得到混合物溶液。6.根據權利要求1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳學志，尹邦躍，
申請(專利權)人：中國原子能科學研究院，
類型：發明
國別省市：北京,11