一種UO2-W金屬陶瓷球制備方法技術領域本發明涉及材料領域，具體地，涉及一種UO2-W金屬陶瓷球制備方法。
背景技術：
UO2被廣泛用于核材料，但熱傳導率在金屬鈾，碳化鈾，氮化鈾中是最低的。熱傳導率在核反應堆中是個重要的熱物理性質，直接反映著反應堆燃料的性能。通過制備UO2-W金屬陶瓷燃料可以使反應堆燃料在相對低的溫度下運行，降低了燃料溫度，減少了燃料核芯腫脹、減緩了核芯裂變產物的擴散、也減少了裂變產物的釋放，甚至可以減少鈾富集度，加深反應堆的燃耗、提高了經濟性，延長了反應堆運行壽命。關于UO2-W金屬陶瓷核燃料的報道很少，文獻《Literaturereviewofthermalandradiationperformanceparametersforhigh-temperature,uraniumdioxidefueledcermetmaterials》介紹了UO2粉末彌散在金屬鎢基體中采用一定模具壓制燒結而制備的金屬陶瓷W-UO2燃料，文獻《AfabricationtechniqueforaUO2pelletconsistingofUO2grainsandacontinuousWchannelonthegrainboundary》中介紹了通過ADU-UO2粉末與鎢粉混合壓制成芯塊生坯經燒結、退火而制得金屬鎢在UO2晶界連續均勻分布的UO2-W陶瓷芯塊，在同樣的熱傳導率下，UO2-W燃料比W-UO2燃料添加的金屬W更少，更有利于UO2燃料核性能；這兩種方法都是通過粉末法制備金屬陶瓷W-UO2和UO2-W燃料。而粉末法制備出來的燃料其中的金屬鎢在UO2晶界中的分布并不均勻，使得金屬UO2-W的熱傳導率并不高。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是提供一種UO2-W金屬陶瓷球制備方法，該方法制備UO2-W金屬陶瓷球與金屬陶瓷W-UO2芯塊和UO2-W芯塊制備工藝有很大不同，制備工藝難度大（例如如何制備完整不開裂的球、如何能夠讓金屬鎢均勻分布在UO2晶界中），制備出的金屬陶瓷級UO2-W球直徑為0.05～3mm，且金屬鎢均勻分布在UO2晶界，這種金屬陶瓷級UO2-W球不會開裂，熱傳導率高。本發明解決上述問題所采用的技術方案是：一種金屬陶瓷級UO2-W球的制備方法，其具體步驟如下：步驟1含鎢溶膠的制備：在5℃下，按照偏鎢酸銨/U質量比為0.10～0.156，尿素/U摩爾比為1：4比例將偏鎢酸銨、缺硝酸鈾酰溶液和尿素混合，攪拌均勻，然后按照HTMA（烏洛托品）/U的摩爾比為1：4的比例，在不斷攪拌的情況下緩慢加入固體HTMA（烏洛托品），攪拌均勻至含鎢溶膠液透明。步驟2分散膠凝：將含鎢溶膠液通過壓力排出，得到溶膠滴。溶膠滴經載帶流載帶，滴入裝有加熱的異辛醇（或石蠟油、四氯化碳CCl4）分散柱內在表面張力作用下成球，并在下降過程中膠凝，得到含鎢凝膠球。為保證足夠的膠凝時間，分散柱長度不低于2m，分散介質即異辛醇（或石蠟油、CCl4）應維持在65~80℃。步驟3洗滌：將含鎢凝膠球用乙醇水溶液洗滌，乙醇洗液濃度為40%~60%（體積比），清洗時間為0.5~1h，洗滌三次。步驟4干燥煅燒：將含鎢凝膠球放入高溫烘箱里按程序升溫，進行干燥煅燒，凝膠球完成脫水和有機物骨架脫除過程，并轉化為UO3-WO3球。程序升溫方式為室溫到80℃升溫時間60min~120min；80℃~150℃升溫時間120min~150min；150℃~200℃升溫時間90min~120min；200℃升溫至350℃升溫時間為120min~150min。步驟5還原燒結：將WO3-UO3球在燒結爐里氫氣氛圍1300～1400℃下經還原燒結40～60min，WO3-UO3球被還原成金屬陶瓷級W-UO2球。實際上，燒結時間在40～60min內都可，60min最佳。步驟6退火：將金屬陶瓷級W-UO2球在燒結爐里CO2氣體氛圍（1550～1600）℃下20～30min，金屬陶瓷級W-UO2球的金屬鎢被CO2氣體氧化成WO3，并液化進入陶瓷級UO2晶間（WO3熔點為1470℃），得到UO2-WO3球。步驟7還原：將步驟6制得的液化后的UO2-WO3球于燒結爐氫氣氛圍1500～1600℃下經還原燒結100～120min，得到金屬鎢均勻分布在陶瓷UO2晶界的金屬陶瓷級UO2-W球。本發明的關鍵點在于如何將鎢均勻分散在UO2中，本發明通過將在制備過程中的工藝嚴格控制，例如燒結溫度不能超過1400℃，燒結時間不能超過60min，制備過程中不同氣體氛圍的切換等，能夠保證鎢能夠均勻分散在在UO2中，同時制備得來的UO2-W金屬陶瓷球不會因燒結過度而致密，保證了UO2-W金屬陶瓷球不會開裂。綜上，本發明的有益效果是：本發明通過含鎢溶膠的制備、分散膠凝、洗滌、干燥煅燒、還原燒結、退火、還原得到了金屬鎢均勻分布在陶瓷UO2晶界的金屬陶瓷級UO2-W球，這種方法制得的金屬陶瓷級UO2-W球中的金屬鎢均勻分布在在陶瓷UO2晶界，比粉末法制得的金屬陶瓷材料具有更好的熱傳導性。附圖說明圖1為W均勻分布在UO2晶體之間的金相圖。具體實施方式下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步地的詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。實施例1：一種金屬陶瓷級UO2-W球的制備方法，具體包括以下步驟：步驟1含鎢溶膠的制備：在5℃下，在20ml缺酸硝酸鈾酰溶液（[U]=500g/L）中，添加35.3g尿素和1.0g偏鎢酸銨，通過攪拌至固體完全溶解，然后在不斷攪拌的情況下緩慢添加HTMA（烏洛托品）82.3g，直至含鎢溶膠液透明。步驟2分散膠凝：將含鎢溶膠液以0.07～0.1Mpa壓力排出，溶膠通過直徑為0.2mm、0.3mm的孔板分散，孔板振動而得到溶膠滴。溶膠流經到分散孔板通道應保持在5℃以下。溶膠滴經載帶流載帶，滴入裝有加熱的異辛醇分散柱或石蠟油分散柱內，溶膠滴在表面張力作用下成球，并在下降過程中膠凝，得到含鎢凝膠球。為保證足夠的膠凝時間，分散柱長度不低于2m，分散介質即異辛醇（或石蠟油）應維持在70~80℃。步驟3洗滌：將含鎢凝膠球用乙醇水溶液洗滌，乙醇洗液濃度為40%~60%（體積比），清洗時間為0.5~1h，洗滌三次。步驟4干燥煅燒：將含鎢凝膠球放入高溫烘箱里進行干燥煅燒，凝膠球完成脫水和有機物骨架脫除過程，并轉化為UO3-WO3球。程序升溫方式為室溫到80℃升溫時間60min~120min；80℃~150℃升溫時間120min~150min；150℃~200℃升溫時間90min~120min；200℃升溫至350℃升溫時間為120min~150min。步驟5還原燒結：將WO3-UO3球在燒結爐里氫氣氛圍1300～1400℃下經還原燒結40～60min，WO3-UO3球被還原成金屬陶瓷級W-UO2球。步驟6退火：將金屬陶瓷級W-UO2球在燒結爐里CO2氣體氛圍（1550～1600）℃下20～30min，金屬陶瓷級W-UO2球的金屬鎢被CO2氣體氧化成WO3，并液化進入陶瓷級UO2晶間（WO3熔點為1470℃），得到UO2-WO3球。步驟7還原：將步驟6制得的液化后的UO2-WO3球于燒結爐氫氣氛圍1500～1600℃下經還原燒結100～120min，得到直徑為0.05～0.5mm的金屬鎢均勻分布在陶瓷UO2晶界的金屬陶瓷級UO2-6.1m%W球，其中W占金屬陶瓷球質量分數為6.1%。實施例2步驟1添加偏鎢酸銨為1.56g，其余同實施1；步驟2分散膠凝：將含鎢溶膠液采用蠕動泵經過分散孔徑為2mm、4mm、6mm的分散頭得到一定尺寸的溶膠滴。溶膠流經到分散孔板通道應保持在5℃以下。溶膠滴經載帶流載帶，滴入裝有加熱的CCl4分散柱內在表面張力作用下成球，并在下降過程中膠凝，得到含鎢凝膠球。為保證足夠的膠凝時間，分散柱長度不低于2m，分散介質即CCl4，應維持在65~75℃；步驟3同實施1；步驟4同實施1；步驟5同實施1；步驟6同實施1；步驟7同實施1得到直徑為0.6～3mm的金屬鎢均勻分布在陶瓷UO2晶界的金屬陶瓷級UO2-9.4m%W球如圖1，其中W占金屬陶瓷球質量分數為9.4%。本發明制備出的金屬陶瓷級UO2-W球和其他球的熱傳導率比較如表1所示：從上表可以看出，經本發明制備的金屬陶瓷級UO2-W球的熱傳導率明顯高于粉末法制備金屬陶瓷W-UO2燃料。如上所述，可較好的實現本發明。