專利名稱：二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法
技術領域：
本發明涉及一種表面氧化處理方法，特別涉及一種對U02進行表面氧化處 理，以提高其0/U原子比和粉末比表面積的工藝方法。
背景技術：
核電是一種極具發展潛力的清潔能源，其反應堆所用的1102燃料芯塊傳統上 是在約170(TC的還原性氣氛中燒結而成。由于燒結溫度高，而且需要使用氬氣 氣氛，所以該工藝具有一定的危險性，且能耗很高；同時還必須使用高溫燒結 爐和高溫燒結用舟亞等，導致其生產成本偏高。隨著世界范圍的能源危機問題 日益凸現以及環保意識的增強， 一方面世界各國的核電需求量持續增加，另一 方面芯塊燒結工藝的節能降耗要求也不斷提高。因此，低溫燒結(也有人稱之為兩段燒結或中溫燒結)技術應運而生。該 工藝是將U(U然料芯塊先在120(TC左右的微氧化氣氛下燒結，然后在140(TC左 右的還原性氣氛中最終燒結。由于該能耗低、生產周期短，所以近期得到廣泛 關注，尤其對于我國這種能源緊張的發展中國家具有重大意義。低溫燒結本質 上是活化燒結。1)02燒結是擴散控制過程，由于氧的擴散系數比鈾高出幾個數量級，故鈾擴散是控制因素。研究發現在偏離化學劑量比的U02中，鈾擴散激活能隨過剩氧量的增加呈指數下降。因此只有保證了超化學劑量氧在1102芯塊中的存 在(即0/U原子比大于2),才能有效地實現低溫燒結。同時，若要提高燒結速 度和燒結后坯塊密度，則需要高比表面積的粉末，即超化學粉末。目前，超化學粉末是用一定比例的1102粉末和11308粉末混合而成，但是研究 表明，摻入1102的11308量有一定限制，否則會造成坯塊可燒結性大大下降。因此 這種方法限制了 0/U原子比的提高幅度。混入U^也不能提高粉末的比表面積。 同時，直接加入1]308顆粒還可能引起還原不透的問題，使最終燒結以后的芯塊中仍然存在少量UA,降低芯塊性能。燒結過程主要取決于粉末的表面特性，表面氧化處理得到過量氧主要存在 于顆粒表面，更容易在還原過程中去除，同時表面氧化也可以改變顆粒形貌， 提高比表面積。但是目前對1102進行表面氧化處理的方法尚未見報道。發明內容本發明的目的是提供一種二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法。本發明將U02 置于不同的氧化介質中，在一定溫度下保溫，使其表面氧含量增加、比表面積 增大，提高二氧化鈾0/U原子比和二氧化鈾粉末比表面積。本發明氧化介質來 源豐富，氧化溫度低，能耗少，有制作工藝簡單、成本低的優點。為了達到上述目的，所使用的原料為0/U原子比為2. 0的1)02粉末，氧化性介質可以是流通空氣、閉爐空氣或水蒸氣，氧化過程在管式氣氛電阻爐中進行， 氧化溫度為250-400°C,升溫速率為5-20°C/min，保溫時間2-6h。 1)02粉末隨爐 冷卻到100。C至室溫時，取出空冷。 本發明的有益效果是1) 本發明提供的技術不僅能夠有效地提高二氧化鈾粉末的o/u原子比，而且可以提高其單位重量的表面積(即比表面積)，而比表面積正是粉末燒結過程 中的主要熱力學驅動力，因此，采用這種粉末進行燒結，其熱力學驅動力高于 未經處理的粉末，燒結過程更加容易進行。2) 本發明使用的氧化介質為空氣和水蒸氣，因此氧化介質來源豐富，而且 氧化溫度低，能耗少，因此制作成本低廉。3) 利用本發明所制備的0/U原子比大于2.0 (超化學計量比)的二氧化鈾 粉末，其中超出化學計量比的那部分氧原子(過量氧)主要存在于粉末顆粒表 面，在以后的燒結過程中有利于促進二氧化鈾粉末中鈾原子在顆粒表面擴散， 提高燒結過程中顆粒連接部位(即燒結頸)的形成和長大速度，從而降低燒結 溫度、加快燒結速度。4) 利用本發明所制備的超化學計量比二氧化鈾粉末，其過量的氧主要存在 于粉末顆粒表面，^1奪其壓制成坯塊進行燒結時，表面的過量氧在還原燒結過程 中更容易與燒結爐內的還原性氣氛接觸，也易于通過坯塊中的顆粒間的殘余空隙排除，從而保障燒制結成品塊中的化學計量二氧化鈾(0/U原子比為2. 0)含量。用本發明所述方法得到的二氧化鈾粉末，用于后續燒結加工有利于促進鈾 原子在顆粒表面擴散，提高燒結頸的形成和長大速度，降低燒結溫度、加快燒 結速度。
具體實施方式
以流通空氣、閉爐空氣或水蒸氣為氧化介質時，按下列步驟處理二氧化鈾 粉末1) 取1102粉末，置于人1203坩鍋中，將表面粉末刮平，使其在坩堝內鋪展均勻。2) 將裝有U02粉末的坩鍋放入管式氣氛爐內，以流通空氣、閉爐空氣或水 蒸氣為氧化介質，加熱，控制其升溫速率為5-2(TC/min,加熱至250°C ~ 400°C , 保溫2 6小時；3) 以流通空氣或閉爐空氣為氧化介質時，分別在敞開爐門或關閉爐門的條 件下直接接通氣氛爐電源進行加熱，保溫結束后電源自動切斷，待粉末在爐內 冷卻到IO(TC以下取出空冷，即得本發明所述的表面經氧化處理的二氧化鈾粉末；氧化介質為水蒸氣時，先關閉爐門，將二氧化鈾粉末加熱至250°C ~ 400°C, 再通入水蒸氣，保溫結束后停止通氣，待爐溫降到IO(TC以下，取出空冷，即得 本發明所述的表面經氧化處理的二氧化鈾粉末。實施例1取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2. 70m7g的U(U分末20g,裝入A1203 坩鍋中，表面粉末刮平，氧化介質為空氣，氣氛為敞開爐門。將裝有U02粉末的 人1203坩鍋放入管式爐，敞開爐門加熱至250°C，升溫速率為10。C/min左右，保 溫2h后電源自動切斷，冷卻至90。C左右，取出坩堝空冷，即得本發明所述的表 面經氧化處理的二氧化鈾粉末。經測試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 10、比表面積為2. 90m2/g。 實施例2取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2. 70mVg的1102粉末20g,裝入人1203 坩鍋中，表面粉末刮平，氧化介質為空氣，氣氛為敞開爐門。將裝有1102粉末的 Ah03坩鍋放入管式爐，敞開爐門加熱至30(TC，升溫速率為15°C/min左右，保 溫4h后電源自動切斷，冷卻至6(TC左右，取出坩堝空冷，即得本發明的表 面經氧化處理的二氧化鈾粉末經測試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 35、比表面積為4. 10mVg。實施例3取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2, 70m2/g的U(U分末20g，裝入A1203 坩鍋中，表面粉末刮平，氧化介質為空氣，氣氛為閉爐空氣。將裝有1102粉末的 Ah03坩鍋放入管式爐，關閉爐門加熱至30(TC,升溫速率為20。C/min左右，保 溫4h后電源自動切斷，冷卻至8(TC左右，取出坩堝空冷，即得本發明所述的表 面經氧化處理的二氧化鈾粉末。經測試，該工藝處理后的UO^分末0/U原子比為2. 29、比表面積為3. 80mVg。實施例4取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2. 70m7g的U(M分末20g,裝入A1203 坩鍋中，將表面粉末刮平。氧化介質為空氣，氣氛為閉爐空氣。將裝有1)02粉末 的八1203坩鍋放入管式爐，關閉爐門加熱至360°C，升溫速率為2(TC/min左右， 保溫6h后電源自動切斷，冷卻至5(TC左右，取出坩堝空冷，即得本發明所述的 表面經氧化處理的二氧化鈾粉末。經測試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 43、比表面積為4. 30m7g。實施例5取原始0/U原子比為2.0、比表面積為2. 70mVg的U02粉末20g，裝入人1203 蚶鍋中，表面粉末刮平，氧化介質為水蒸氣，氣氛為水蒸氣。將裝有U02粉末的 Ah03坩鍋放入管式爐，關閉爐門加熱至30(TC，升溫速率為15。C/min左右，再 通入水蒸氣，保溫4h后，停止通氣電源自動切斷，冷卻至7(TC左右，取出坩堝空冷，即得本發明所述的表面經氧化處理的二氧化鈾粉末。經測試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 18、比表面積為3. 50mVg。 實施例6取原始0/U原子比為2. 0、比表面積為2. 70mVg的1102粉末20g,裝入A1203 蚶鍋中，表面粉末刮平，氧化介質為水蒸氣，氣氛為水蒸氣。將裝有1102粉末的 人1203蚶鍋放入管式爐，關閉爐門加熱至380°C,升溫速率為15。C/min左右，再 通入水蒸氣，保溫4h后，停止通氣電源自動切斷，冷卻至9(TC左右，取出坩堝 空冷，即得本發明所述的奉面經氧化處理的二氧化鈾粉末。經測試，該工藝處理后的U02粉末0/U原子比為2. 43、比表面積為4. 60m7g。結論上述實施例表明，采用本發明提供的技術，在開爐空氣、閉爐空氣和水蒸 氣條件下對0/U原子比為2. 0的化學計量U02粉末進行不同溫度和時間的熱處理 后，其0/U原子比均提高到2. 0以上，比表面積也得以增大。
權利要求
1. 一種二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征在于有以下步驟1)將盛有UO2粉末的容器，放入管式氣氛爐內，在氧化介質條件下加熱，升溫速率為5-20℃/min，加熱至250℃～400℃，保溫2～6小時；2)待UO2粉末在管式氣氛爐內冷卻到100℃至室溫時，取出空冷。
2. 根據權利要求1所述的二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征在于 所述氧化介質為空氣或水蒸氣。
3. 根據權利要求2所述的二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征在于 所述空氣為流通空氣或閉爐空氣。
4. 根據權利要求1或2所述的二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征 在于氧化介質為空氣時，敞開或關閉爐門，將二氧化鈾粉末加熱至25CTC ~400 。C,保溫2 6小時，隨爐冷卻到IO(TC ~室溫時，取出二氧化鈾粉末，空冷。
5. 根據權利要求1或2所述的二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征 在于氧化介質為水蒸氣時，先關閉爐門，將二氧化鈾粉末加熱至25(TC-400 。C，再通入水蒸氣，保溫2 ~ 6小時，保溫結束后停止通氣，隨爐冷卻到IO(TC ~ 室溫時，取出二氧化鈾粉末，空冷。
全文摘要
本發明涉及一種二氧化鈾粉末表面氧化處理的方法，其特征在于有以下步驟1)取UO<sub>2</sub>粉末，放入管式氣氛爐內，在氧化介質條件下加熱，升溫速率為5～20℃/min，加熱至250℃～400℃，保溫2～6小時；2)待UO<sub>2</sub>粉末在爐內冷卻到100℃至室溫時，取出于空氣中冷卻，即得表面經氧化處理的二氧化鈾粉末。本發明將UO<sub>2</sub>置于不同的氧化介質中，在一定溫度下保溫，使其表面氧含量增加、比表面積增大，提高二氧化鈾O/U原子比和二氧化鈾粉末比表面積。本發明氧化介質來源豐富，氧化溫度低，能耗少，有制作工藝簡單、成本低的優點。
文檔編號C01G43/025GK101254950SQ20081006950
公開日2008年9月3日 申請日期2008年3月26日 優先權日2008年3月26日
發明者吳曙芳, 勇 王, 高家誠 申請人:重慶大學