鈾-鋁合金及其熔鹽電解制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及合金領域，具體涉及一種鈾-鋁合金及其熔鹽電解制備方法。
【背景技術】
[0002]鈾-鋁合金(AlxU-Al)通常被用作實驗堆的芯體材料。根據U-Al相圖，U與Al可以形成三種金屬間化合物:A14U，A13U* A12U。通常由UO2制備鈾-鋁合金，首先要將UO 2轉化為U金屬。然后采用電弧熔煉法將鈾與鋁熔煉可以制備得到A13U。作為制備芯體的材料，Al3U也可以采用粉末冶金法制備。首先將高純金屬鈾粉末進行氫化，得到平均粒度為3-4 μ m的粉末，氫化鈾粉末與高純鋁粉干混，混合均勻后裝在石墨模中真空加熱，除去氫氣。然后在高純氬氣氛下1000°C加熱2小時，既可以得到較純的A13U。采用這種方法，如果由UO2為前體制備得到鈾-鋁合金，過程比較復雜，1000°C高溫條件下操作，對設備要求較高。
[0003]在熔鹽體系中通過鈾在固態鋁電極上欠電位沉積也可以得到鈾-鋁合金。如在LiCl-KCl熔鹽體系中，以UZr合金做陽極，通過U(III)在固態鋁陰極上沉積可以得到鈾-鋁合金，制備過程可以在450°C下進行，溫度較低。但是該方法只能以鈾金屬或鈾合金為前體作為陽極進行電解，同樣不能以鈾氧化物為前體進行制備鈾-鋁合金。
【發明內容】
[0004]在下文中給出關于本發明的簡要概述，以便提供關于本發明的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關于本發明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發明的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本發明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0005]本發明實施例的目的是針對上述現有技術的缺陷，提供一種直接由而2為前體在較低溫度下制備得到鈾-鋁合金及其熔鹽電解制備方法。
[0006]為了實現上述目的，本發明采取的技術方案是:
[0007]本發明提供一種鈾-鋁合金，所述鈾-鋁合金的組成為:A1、Al4U' Al3U和Al2U,其中Al含量為24?70% ;U含量為30?76%含量為23?87%。
[0008]本發明還提供一種鈾-鋁合金的熔鹽電解制備方法，
[0009]將LiCl-KCl熔鹽加熱至熔融；
[0010]將UO2粉末和AlCl 3粉末同時加入熔鹽中，使UO 2氯化形成UCl 4;
[0011]以鋁片為陰極，石墨為陽極，Ag⑴/Ag為參比電極，通過恒電位電解法在陰極上沉積出鈾-鋁合金。
[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0013]在LiCl-KCl熔鹽體系中，直接采用AlCl3做氯化試劑，直接實現UO 2的溶解以U(IV)離子的形式存在于LiCl-KCl熔鹽中，然后通過剩余的Al (III)離子與U(IV)共還原在陰極上以鈾-鋁合金化的形式析出。采用本發明的方法，可以在LiCl-KCl熔鹽體系中，直接由UO2為前體在較低溫度下制備得到鈾-鋁合金，并能實現鈾在熔鹽中的有效提取。因此，本發明對于氧化物乏燃料干法后處理中氧化物燃料的溶解及U的回收具有重要意義。
【附圖說明】
[0014]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0015]圖1為LiCl-KCl熔鹽體系中直接由UO2制備鈾-鋁合金實驗過程示意圖；
[0016]圖2為U02在 LiCl-KCl-AlCl 3熔鹽中氯化過程動力學；
[0017]圖3a 和圖 3b 為 T = 773K, LiCl-KCl-UO2 (0.3wt.% ) -AlCl3 (0.5wt.% )熔鹽體系在鎢電極(S = 0.40cm2)上:a，循環伏安(CV)曲線；b，方波伏安曲線(SWV)；
[0018]圖4 為 T = 773K，LiCl-KCl-U02(0.3wt.% )-AlCl3 (1.0wt.% )熔鹽體系在鎢電極(S = 0.40cm2)上的循環伏安(CV)曲線；
[0019]圖5為恒電位沉積制備鈾-鋁合金產物X射線衍射(XRD)，掃描電鏡(SEM)及元素分析(EDS)表征；
[0020]圖6為恒電位電解提取鈾過程中熔鹽體系在鎢電極上方波伏安(SWV)曲線隨電解時間的變化圖；
[0021]圖7為恒電位電解提取鈾過程中U(IV)在熔鹽中的濃度隨電解時間的變化圖；
[0022]圖8為恒電位電解提取鈾產物的X射線衍射(XRD)，掃描電鏡(SEM)及元素分析(EDS)分析圖。
[0023]圖中:react1n time/min表示反應時間，單位為分鐘，current表示電流，potential表示電壓，intensity表示衍射強度，2theta degree表示衍射角(2 Θ角度值)，Electrolysis time/h表示電解時間，單位為小時。
【具體實施方式】
[0024]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。在本發明的一個附圖或一種實施方式中描述的元素和特征可以與一個或更多個其它附圖或實施方式中示出的元素和特征相結合。應當注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發明無關的、本領域普通技術人員已知的部件和處理的表示和描述。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0025]本發明提供一種鈾-鋁合金，所述鈾-鋁合金由Al和AlxUy金屬間化合物組成，具體為:A1、Al4U' Al3U和Al2U,其中Al含量為24?70 % ；U含量為30?76 %。
[0026]參見圖1，為LiCl-KCl熔鹽體系中直接由UO2制備鈾-鋁合金實驗過程示意圖；反應體系為LiCl-KCl_AlCl3-U02，工作電極I為陰極，石墨對電極2為陽極，Ag (I)/Ag為參比電極3，最終在工作電極I上形成鈾-鋁合金。
[0027]本發明還提供一種鈾-鋁合金的熔鹽電解制備方法，
[0028]將LiCl-KCl熔鹽加熱至熔融；
[0029]將UO2粉末和AlCl 3粉末同時加入熔鹽中，使UO 2氯化形成UCl 4;
[0030]以鋁片為陰極，石墨為陽極，Ag⑴/Ag為參比電極，通過恒電位電解法在陰極上沉積出鈾-鋁合金。
[0031]本發明采用三電極體系確定鈾-鋁合金的沉積電位，鎢絲為工作電極，石墨棒為對電極，Ag⑴/Ag為參比電極。以鋁片做陰極，石墨為陽極，通過恒電位電解法，施加-1.2V的電位在陰極上沉積出鈾-鋁合金。在熔鹽中直接由UO2S前體電解制備鈾-鋁合金的方法，并將該方法應用于熔鹽體系中鈾的提取。由于該方法可以直接在熔鹽中由UO2得到鈾-鋁合金，而鈾-鋁合金又可以作為彌散型核燃料，因此該方法對于氧化物乏燃料的干法后處理具有重要潛在意義。
[0032]進一步地，LiCl-KCl熔鹽在高溫電阻爐中，加熱溫度為450-550°C，LiCl與KCl的質量比為(44.8-50.0): (55.2-50.0)。
[0033]進一步地，每10g LiCl-KCl熔鹽對應加入0.2-0.4g U02;U0 2粉末與AlCl 3粉末的重量比為0.3:0.5-3.0。
[0034]進一步地，將LiCl和KCl熔鹽加熱至熔融之前還包括:將LiCl和KCl混勻后，在馬弗爐中干燥脫水72小時以上，干燥的溫度為180-220°C。
[0035]進一步地，在UO2氯化過程中，在恪鹽中通入高純Ar氣鼓泡，使氯化充分進行。
[0036]進一步地，在UO2氯化過程中，取一定量的熔鹽，通過ICP-AES檢測熔鹽中各U (IV)離子的濃度變化，確定氯化過程進行的程度。
[0037]進一步地，采用三電極體系確定鈾-鋁合金的沉積電位，鎢絲為工作電極，石墨棒為對電極，Ag (I)/Ag為參比電極。
[0038]進一步地，在鋁片電極上施加-1.2V的電位，通過Al (III)離子與U(IV)離子的共還原制備鈾-鋁合金。
[0039]進一步地，在電解制備合金的過程中，通過方波伏安法檢測熔鹽中各離子的濃度變化。
[0040]本發明采用的鈾-鋁合金的熔鹽電解制備方法可以實現鈾在LiCl-KCl熔鹽中的有效提取，在核能的相關領域具有潛在的應用價值。
[0041]下面通過具體實施例對本發明作進一步說明:
[0042]實施例1
[0043](I)分析純無水LiC144.8g, KCl 55.2g，混勻，在馬弗爐中200°C干燥脫水72小時以上。
[0044](2)將(I)中干燥后LiCl-KCl熔鹽在通風廚中的高溫電阻爐中加熱至500°C，熔化。熔化后向熔鹽中后通入高純Ar氣，鼓泡2小時，進一步去除熔鹽中的水分及溶解氧，然后將熔鹽至于200 °C的馬弗爐中冷卻。
[0045](3)將冷卻后的(2)產品轉移至手套箱中，在手套箱中高溫電阻爐內加熱至500°C，熔化。然后向熔鹽中加入0.3g UO2粉末和2.0gAlCl3，通入高純Ar氣鼓泡攪拌，使反應充分進行。在氯化過程中，取出少量熔鹽冷卻，并將取出的鹽溶于水進行ICP-AES分析，測量結果顯示熔鹽中存在U，由于而2不溶于水，說明UO2可以被AlCl 3氯化。氯化反應后，取出的熔鹽為黃綠色，說明UO2被氯化以后生成物為UCl 4，反應方程式為:
[0046]3U02(s)+2Al2Cl6(g) — 2A1203 (s)+3UC14 (I)
[004