CN112521151A - 二氧化铀-石墨烯燃料芯块及其制备方法 - Google Patents

二氧化铀-石墨烯燃料芯块及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氧化铀‑石墨烯燃料芯块及其制备方法，制备方法包括：S1、将重铀酸铵粉末在高温下煅烧，使重铀酸铵转化成U3O8；S2、用浓硝酸将U3O8溶解，获得缺酸硝酸铀酰溶液；S3、将获得的缺酸硝酸铀酰溶液制成溶胶溶液；S4、制备石墨烯悬浮液；S5、将溶胶溶液和石墨烯悬浮液混合，形成混合液；S6、将混合液进行加热使凝胶化，形成含水的铀化物‑石墨烯混合物凝胶；S7、将含水的铀化物‑石墨烯混合物凝胶进行洗涤并晾干，获得凝胶粉末；S8、依次将凝胶粉末进行干燥煅烧，还原烧结，获得二氧化铀‑石墨烯复合粉末；S9、致密化烧结，制得二氧化铀‑石墨烯燃料芯块。本发明的制备方法，提高燃料芯块的成分均匀性和热导率。

Description

二氧化铀-石墨烯燃料芯块及其制备方法
技术领域
本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种二氧化铀-石墨烯燃料芯块及其制备方法。
背景技术
UO2具有熔点高、化学稳定性好、抗辐照性能强等优点，被广泛用于核电燃料。然而，UO2陶瓷芯块的导热系数低，制成的燃料棒在服役过程中温差大，降低了燃料元件的耐事故容错能力。在芯块基体中添加一定体积含量的石墨烯相，可提高燃料芯块的导热系数。但是，由于石墨烯颗粒和UO2颗粒物理性能差异大，很容易发生团聚，导致粉末均匀性差。此外，石墨烯和UO2在1300℃以上易发生反应，阻碍芯块致密。
目前，国内外一些关于炭黑C-UO2或金刚石C-UO2制备方面的文献多是涉及传统的粉末冶金制备方法。将C粉末与UO2粉末机械混合，然后采用SPS烧结，可以降低烧结温度，减少C与UO2的化学反应，但粉末均匀性不理想。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高成分均匀性、提升燃料芯块热导率的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法以及制得的二氧化铀-石墨烯燃料芯块。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：
S1、将重铀酸铵粉末在高温下煅烧，使所述重铀酸铵转化成U3O8；
S2、用浓硝酸将所述U3O8溶解，获得缺酸硝酸铀酰溶液；
S3、将获得的所述缺酸硝酸铀酰溶液制成溶胶溶液；
S4、制备石墨烯悬浮液；
S5、将所述溶胶溶液和石墨烯悬浮液混合，在低温下搅拌，形成混合液；
S6、将所述混合液进行加热使凝胶化，形成含水的铀化物-石墨烯混合物凝胶；
S7、将所述含水的铀化物-石墨烯混合物凝胶进行洗涤并晾干，获得凝胶粉末；
S8、依次将所述凝胶粉末进行干燥煅烧，还原烧结，获得二氧化铀-石墨烯复合粉末；
S9、将二氧化铀-石墨烯复合粉末进行致密化烧结，制得二氧化铀-石墨烯燃料芯块。
优选地，步骤S1中，将所述重铀酸铵粉末在800℃～900℃下煅烧2～4小时，使所述重铀酸铵转化成U3O8。
优选地，步骤S2中，所述U3O8和浓硝酸的质量比例为1:1.35-1.45；
在所述U3O8溶解于浓硝酸后，过滤，获得的滤液即为缺酸硝酸铀酰溶液。
优选地，步骤S3中，在所述缺酸硝酸铀酰溶液中加入尿素以及六次甲基四胺或氨水，溶解完全后形成溶胶溶液；
其中，所述尿素与缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1:1.2-1.6；所述六次甲基四胺或氨水与缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1:1.2-1.6。
优选地，步骤S4包括：按质量比为2:8-4:6将石墨烯通过搅拌加入去离子水中，形成石墨烯混合液；在石墨烯混合液加入0.5％-2％的分散剂聚乙烯亚胺，搅拌均匀后获得石墨烯悬浮液。
优选地，步骤S5中，按石墨烯与二氧化铀的体积百分比为1-10:100，将所述溶胶溶液和石墨烯悬浮液混合；在低于5℃下搅拌形成混合液。
优选地，步骤S6中，将所述混合液放入烘箱，在80℃～90℃下加热48～96小时进行凝胶化。
优选地，步骤S7中，采用稀氨水对所述含水的铀化物-石墨烯混合物凝胶进行洗涤，去除残留的酸。
优选地，步骤S8中，干燥煅烧包括：从室温升温1～2小时至110℃，保温3～4小时；接着升温至200℃～220℃，保温2～2.5小时；再升温至300℃，保温2～2.5小时；最后冷却至室温；
还原烧结包括：在氩气和氢气的混合气体气氛下进行还原煅烧，温度按5～10℃/分钟升温至600℃，保温3～4小时，然后冷却至室温。
优选地，步骤S9中，所述致密化烧结采用SPS烧结，升温至1200℃～1500℃，保温5～30分钟，然后冷却至室温。
本发明还提供一种二氧化铀-石墨烯燃料芯块，采用以上任一项所述的制备方法制得。
本发明的有益效果：以溶胶-凝胶法工艺制备二氧化铀-石墨烯复合粉末，再制得二氧化铀-石墨烯燃料芯块；该复合粉末成分分布均匀、粉末活性高，提高芯块成分均匀性且有利于芯块致密，能够显著降低生坯的烧结温度，减少氧化铀与石墨烯界面的物理化学反应。
另外，石墨烯的热导率优于SiC粉末，对燃料芯块的热导率提升也由于添加SiC的燃料芯块。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的制备方法流程图；
图2是本发明制得的燃料芯块的显示石墨烯分布的结构示意图.
具体实施方式
参考图1，本发明的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，可包括以下步骤：
S1、预处理：将重铀酸铵粉末在800℃～900℃下煅烧2～4小时，使重铀酸铵在高温下转化成U3O8。
S2、溶解：用浓硝酸将U3O8溶解，获得缺酸硝酸铀酰(UO2(NO3)2)溶液。
其中，按固液的质量比例为1:1.35-1.45(g/ml)将U3O8溶解于浓硝酸中。
在U3O8溶解于浓硝酸后，过滤，去除未完全溶解的U3O8(去渣)，获得的滤液即为缺酸硝酸铀酰溶液。
S3、配胶：将获得的缺酸硝酸铀酰溶液制成溶胶溶液。
具体地，在缺酸硝酸铀酰溶液中加入尿素以及六次甲基四胺或氨水，溶解完全后形成溶胶溶液。
其中，尿素与缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1:1.2-1.6；六次甲基四胺或氨水与缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1:1.2-1.6。
S4、制备石墨烯悬浮液；
该步骤S4包括：按石墨烯与去离子水的质量比为2:8-4:6将石墨烯通过搅拌加入去离子水中，形成石墨烯混合液；在石墨烯混合液加入0.5％-2％(占石墨烯混合液总质量分数)的分散剂聚乙烯亚胺(PEI)，搅拌均匀后获得石墨烯悬浮液。
S5、混料：将溶胶溶液和石墨烯悬浮液混合，在低温下搅拌，形成混合液。
其中，按石墨烯与二氧化铀的体积百分比为1-10:100，将溶胶溶液和石墨烯悬浮液混合。在低于5℃下搅拌冷却，形成混合液。
S6、将混合液进行加热使凝胶化，形成含水的铀化物-石墨烯混合物凝胶。
作为选择，将混合液放入烘箱，在80℃～90℃下加热48～96小时进行凝胶化。
S7、将含水的铀化物-石墨烯混合物凝胶进行洗涤并晾干，获得凝胶粉末。
其中，采用稀氨水对含水的铀化物-石墨烯混合物凝胶进行洗涤，去除残留的酸。
S8、依次将凝胶粉末进行干燥煅烧，还原烧结，获得二氧化铀-石墨烯复合粉末。
干燥煅烧包括：将凝胶粉末从室温升温1～2小时至110℃，保温3～4小时；接着升温至200℃～220℃，保温2～2.5小时；再升温至300℃，保温2～2.5小时；最后冷却(自然冷却)至室温。
还原烧结包括：将干燥煅烧后的凝胶粉末在氩气和氢气的混合气体气氛下进行还原煅烧，温度按5～10℃/分钟升温至600℃，保温3～4小时，然后冷却(自然冷却)至室温，得到二氧化铀-石墨烯复合粉末。
S9、将二氧化铀-石墨烯复合粉末进行致密化烧结，制得二氧化铀-石墨烯燃料芯块(UO2-石墨烯燃料芯块)。
致密化烧结采用SPS烧结，升温至1200℃～1500℃，保温5～30分钟，然后冷却至室温。
本发明制得的二氧化铀-石墨烯燃料芯块，如图1所示，石墨烯10均匀分布在芯块基体20中，具体可如图所示的呈网状分布在芯块基体20中。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将重铀酸铵粉末在高温下煅烧，使所述重铀酸铵转化成U3O8；
S2、用浓硝酸将所述U3O8溶解，获得缺酸硝酸铀酰溶液；
S3、将获得的所述缺酸硝酸铀酰溶液制成溶胶溶液；
S4、制备石墨烯悬浮液；
S5、将所述溶胶溶液和石墨烯悬浮液混合，在低温下搅拌，形成混合液；
S6、将所述混合液进行加热使凝胶化，形成含水的铀化物-石墨烯混合物凝胶；
S7、将所述含水的铀化物-石墨烯混合物凝胶进行洗涤并晾干，获得凝胶粉末；
S8、依次将所述凝胶粉末进行干燥煅烧，还原烧结，获得二氧化铀-石墨烯复合粉末；
S9、将二氧化铀-石墨烯复合粉末进行致密化烧结，制得二氧化铀-石墨烯燃料芯块。
2.根据权利要求1所述的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将所述重铀酸铵粉末在800℃～900℃下煅烧2～4小时，使所述重铀酸铵转化成U3O8。
3.根据权利要求1所述的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述U3O8和浓硝酸的质量比例为1:1.35-1.45；
在所述U3O8溶解于浓硝酸后，过滤，获得的滤液即为缺酸硝酸铀酰溶液。
4.根据权利要求1所述的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S3中，在所述缺酸硝酸铀酰溶液中加入尿素以及六次甲基四胺或氨水，溶解完全后形成溶胶溶液；
其中，所述尿素与缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1:1.2-1.6；所述六次甲基四胺或氨水与缺酸硝酸铀酰溶液中金属铀的摩尔比为1:1.2-1.6。
5.根据权利要求1所述的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S4包括：按质量比为2:8-4:6将石墨烯通过搅拌加入去离子水中，形成石墨烯混合液；在石墨烯混合液加入0.5%-2%的分散剂聚乙烯亚胺，搅拌均匀后获得石墨烯悬浮液。
6.根据权利要求1所述的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S5中，按石墨烯与二氧化铀的体积百分比为1-10:100，将所述溶胶溶液和石墨烯悬浮液混合；在低于5℃下搅拌形成混合液。
7.根据权利要求1所述的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S6中，将所述混合液放入烘箱，在80℃～90℃下加热48～96小时进行凝胶化。
8.根据权利要求1所述的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S7中，采用稀氨水对所述含水的铀化物-石墨烯混合物凝胶进行洗涤，去除残留的酸。
9.根据权利要求1所述的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S8中，干燥煅烧包括：从室温升温1～2小时至110℃，保温3～4小时；接着升温至200℃～220℃，保温2～2.5小时；再升温至300℃，保温2～2.5小时；最后冷却至室温；
还原烧结包括：在氩气和氢气的混合气体气氛下进行还原煅烧，温度按5～10℃/分钟升温至600℃，保温3～4小时，然后冷却至室温。
10.根据权利要求1所述的二氧化铀-石墨烯燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S9中，所述致密化烧结采用SPS烧结，升温至1200℃～1500℃，保温5～30分钟，然后冷却至室温。
11.一种二氧化铀-石墨烯燃料芯块，其特征在于，采用权利要求1-10任一项所述的制备方法制得。
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