一种UC陶瓷微球的制备方法与流程

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一种uc陶瓷微球的制备方法
技术领域
1.本发明涉及燃料制备技术领域，尤其涉及一种uc陶瓷微球的制备方法。

背景技术：

2.弥散型燃料元件是核燃料元件的重要组成部分，通常使用广泛的是uo2微球，其已经成功地应用于核反应堆中，但由于uo2陶瓷微球铀密度较低，热导性较差，开发新的具有更高铀密度、高导热性能的核燃料已成为趋势。uc微球具有铀密度高、热导率高、燃料安全性能高等优点。目前，uc粉末通常是将uo2粉末与炭黑混合后经高温煅烧可制得uc粉末。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中所述的缺陷，从而提供一种uc陶瓷微球的制备方法，该方法能够直接制备得到含uc、uc2的uc微球。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种uc陶瓷微球的制备方法，包括以下步骤：
6.步骤s1：将金属铀或者铀的氧化物经高温氧化后生成u3o8粉末，用硝酸溶解为硝酸铀酰；
7.步骤s2：将碳源均匀分散于硝酸铀酰溶液中；
8.步骤s3：将混有碳源的硝酸铀酰溶液与增稠剂混合后进行分散凝胶，得到凝胶球；
9.步骤s4：所述凝胶球经过陈化、洗涤、干燥、焙烧、碳热还原、烧结得到uc微球。
10.所述金属铀包括铀锭、铀屑、铀粉，所述铀的氧化物包括二氧化铀、三氧化铀。
11.所述步骤s1中，所述金属铀或者所述铀的氧化物煅烧氧化反应温度t范围为500℃≤t≤800℃，反应时间t范围为0.5h≤t≤5h。
12.所述步骤s1中，所述u3o8粉末酸溶解过程中，硝酸的加入量的摩尔比为u3o8:hno3＝1:2.5～1:5.5，水的加入量的摩尔比为u3o8:h2o＝1:35～1:50。
13.所述步骤s2中，所述碳源包括炭黑、碳纳米管、石墨烯、石墨、乳糖、果糖，添加量满足碳源中c元素与u元素的摩尔比为1.5:1～6:1。
14.所述步骤s2中，分散过程采用机械搅拌、超声波分散方式进行混合，混合时间为30～90min。
15.所述增稠剂中包括聚乙烯醇、四氢糠醇、尿素。
16.所述聚乙烯醇的加入量为0.07～0.09kg/kgu，所述四氢糠醇的加入量为0.6～0.7kg/kgu，所述尿素的加入量为0.6～0.7kg/kgu。
17.所述步骤s3中的分散凝胶的条件为：激振频率为80～300hz，针头直径为0.2～0.5mm，胶液流量6～14ml/min，分散介质为氨水，氨水浓度为6～12mol/l。
18.所述步骤s4中的条件具体为：
19.陈化过程：氨水浓度为6～12mol/l，陈化温度为40～80℃，陈化时间为6～24h；
20.洗涤过程：氨水浓度为0.5～1.0mol/l，单次洗涤时间为3～6h，洗涤次数为3～5
次；
21.干燥过程：气氛为空气或氮气，干燥温度为40～80℃，干燥时间为3.0～12.0h；
22.焙烧过程：气氛为空气，空气流量为0.06～0.6m3/h；升温速度为0.5～1.5℃/min，焙烧温度为500～600℃，焙烧保温时间为1.5～3.0h；
23.碳热还原过程：气氛为一氧化碳和氩气，一氧化碳或氩气流量为0.06～0.6m3/h；还原一氧化碳与氩气流比为1:9～1:1；升温速度为0.5～1.5℃/min，碳热还原温度为1150～1650℃，还原保温时间为2～6h；
24.烧结过程：气氛为氩气，氩气流量为0.06～0.6m3/h；升温速度为0.5～1.5℃/min，烧结温度为1650～1850℃，烧结保温时间为0.5～1.5h。
25.与现有技术相比，本发明提供的uc陶瓷微球的制备方法具有以下有益效果：
26.本发明提供的uc陶瓷微球的制备方法能够实现以金属铀及其化合物为原料，直接制备得到含uc、uc2的uc微球，即通过采用溶胶凝胶法由硝酸铀酰溶液分散得到含碳凝胶球，再经过陈化、洗涤、干燥、煅烧可制备得到uc微球。相比较传统的粉末制备方法，该方法可获得球形的uc微球，且球形度好、尺寸均匀。
具体实施方式
27.下面通过具体实施方式进一步详细说明。
28.本发明提供了一种uc微球的制备方法，具体包括如下步骤：
29.步骤s1，将金属铀及铀的其他氧化物高温氧化后生成u3o8粉末，用硝酸溶解为硝酸铀酰；
30.步骤s2，将碳源均匀分散于硝酸铀酰胶液中；
31.步骤s3，将混有碳源的硝酸铀酰溶液与增稠剂混合后进行分散凝胶；
32.步骤s4，凝胶球经过陈化、洗涤、干燥、焙烧、碳热还原、烧结过程即可得到uc微球。
33.金属铀可为铀锭、铀屑、铀粉等形态；铀化合物可为二氧化铀、三氧化铀等铀氧化物。其中，金属铀、铀化合物煅烧氧化在通入氧气或空气条件下进行。
34.金属铀、铀氧化物煅烧氧化反应温度t范围为500℃≤t≤800℃，反应时间t范围为0.5h≤t≤5h，完全氧化为八氧化三铀粉末(u3o8粉末)为止。
35.u3o8粉末酸溶解过程，硝酸的加入量为u3o8:hno3(摩尔比)＝1:2.5～1:5.5。水的加入量为u3o8:h2o(摩尔比)＝1:35～1:50。并且反应温度控制在25～85℃。u3o8粉末酸溶解过程可采用物理搅拌方式，例如机械搅拌、电磁搅拌等。
36.碳源均匀分散于硝酸铀酰溶液过程中的碳源包括：炭黑、碳纳米管、石墨烯、石墨等固体材料，还包括乳糖、果糖等有机前驱体。添加量可以是一种碳源也可以是两种及以上碳源的组合满足碳源材料中c元素与u元素的摩尔比为1.5:1～6:1。
37.将碳源均匀分散于硝酸铀酰胶液中的分散过程采用机械搅拌，超声波分散方式进行混合。分散过程混合时间为30～90min。
38.硝酸铀酰溶液与增稠剂混合后进行分散凝胶，增稠剂由聚乙烯醇、四氢糠醇、尿素等有机物组成。例如，增稠剂的加入比例为：聚乙烯醇的加入量为0.07～0.09kg/kgu，四氢糠醇的加入量为0.6～0.7kg/kgu，尿素的加入量为0.6～0.7kg/kgu。
39.硝酸铀酰溶液与增稠剂混合过程，温度控制在10～40℃。分散凝胶过程中的条件
为：激振频率为80～300hz，针头直径为0.2～0.5mm，胶液流量6～14ml/min。分散介质为氨水，氨水浓度为6～12mol/l。
40.凝胶球经过陈化、洗涤、干燥、焙烧、碳热还原、烧结过程，具体包括如下条件：
41.陈化过程，氨水浓度6～12mol/l，陈化温度40～80℃，陈化时间为6～24h。
42.洗涤过程，氨水浓度0.5～1.0mol/l，单次洗涤时间为3～6h，洗涤次数为3～5次。
43.干燥过程，气氛为空气或氮气，干燥温度40～80℃，干燥时间3.0～12.0h。
44.焙烧过程，气氛为空气，空气流量：(0.06～0.6)m3/h；升温速度0.5～1.5℃/min，焙烧温度500～600℃，焙烧保温时间1.5～3.0h。
45.碳热还原过程，气氛为一氧化碳和氩气，一氧化碳或氩气流量：(0.06～0.6)m3/h；还原一氧化碳与氩气流比：1:9～1:1。升温速度0.5～1.5℃/min，碳热还原温度1150～1650℃，还原保温时间2～6h。
46.烧结过程，气氛为氩气，氩气流量：(0.06～0.6)m3/h。升温速度0.5～1.5℃/min，烧结温度1650～1850℃，烧结保温时间0.5～1.5h。
47.本发明提供的方法的具体操作过程如下：
48.取一定量uo2粉末，在750℃的氧化温度下氧化1h，准确称取煅烧氧化后u3o8粉末1000g放入双口玻璃烧瓶内，加入425ml硝酸，850ml去离子水，升温至70℃，溶解2h，酸溶解完成静置2h后过滤备用。
49.取100g聚乙烯醇和100g四氢糠醇，加入1000ml水配制成增稠剂，向上述溶解液加入10g炭黑，开启机械搅拌和超声波，混合2h后，进行分散凝胶，分散过程温度为室温(22℃)，分散介质为9mol/l的浓氨水，激振频率(分散过程需采用激振器对分散针头进行振动，以使胶液稳定的得到小的液滴，并收缩成球)设定为100hz，针头直径为0.35mm，分散时将配好的胶液通过计量泵等输送到分散头，即针头位置，由一定直径的针头稳定流出，并在激振器的振动作用下将连续的胶液切割成小的液滴，并在氨气气氛和溶液中收缩呈球形。胶液流量为9ml/min，得到黑的凝胶球。
50.凝胶球在9mol/l的氨水中进行陈化，陈化温度为60℃，陈化时间为14h。陈化后得到含碳的adu微球，经过洗涤，洗涤时洗水为稀氨水，氨水浓度为0.6mol/l，单次洗涤时间为4h，共洗涤4次。adu微球经过滤后干燥，干燥时气氛为空气，干燥温度70℃，干燥时间6h。焙烧在空气气氛中进行，升温速率1℃/min，于500℃时保温2小时，再继续升温进行还原，将气氛切换为氩气，升温速率1℃/min，于1600℃时碳热还原3小时，继续升温烧结，升温速率1℃/min，于1780℃时保温1.0小时，最后自然降温，即可得到uc微球。
51.以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：将金属铀或者铀的氧化物经高温氧化后生成u3o8粉末，用硝酸溶解为硝酸铀酰；步骤s2：将碳源均匀分散于硝酸铀酰溶液中；步骤s3：将混有碳源的硝酸铀酰溶液与增稠剂混合后进行分散凝胶，得到凝胶球；步骤s4：所述凝胶球经过陈化、洗涤、干燥、焙烧、碳热还原、烧结得到uc微球。2.根据权利要求1所述的uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，所述金属铀包括铀锭、铀屑、铀粉，所述铀的氧化物包括二氧化铀、三氧化铀。3.根据权利要求1所述的uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述金属铀或者所述铀的氧化物煅烧氧化反应温度t范围为500℃≤t≤800℃，反应时间t范围为0.5h≤t≤5h。4.根据权利要求1所述的uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述u3o8粉末酸溶解过程中，硝酸的加入量的摩尔比为u3o8:hno3＝1:2.5～1:5.5，水的加入量的摩尔比为u3o8:h2o＝1:35～1:50。5.根据权利要求1所述的uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述碳源包括炭黑、碳纳米管、石墨烯、石墨、乳糖、果糖，添加量满足所述碳源中c元素与u元素的摩尔比为1.5:1～6:1。6.根据权利要求1所述的uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，分散过程采用机械搅拌、超声波分散方式进行混合，混合时间为30～90min。7.根据权利要求1所述的uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，所述增稠剂中包括聚乙烯醇、四氢糠醇、尿素。8.根据权利要求7所述的uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇的加入量为0.07～0.09kg/kgu，所述四氢糠醇的加入量为0.6～0.7kg/kgu，所述尿素的加入量为0.6～0.7kg/kgu。9.根据权利要求1所述的uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中的分散凝胶的条件为：激振频率为80～300hz，针头直径为0.2～0.5mm，胶液流量6～14ml/min，分散介质为氨水，氨水浓度为6～12mol/l。10.根据权利要求1所述的uc陶瓷微球的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中的条件具体为：陈化过程：氨水浓度为6～12mol/l，陈化温度为40～80℃，陈化时间为6～24h；洗涤过程：氨水浓度为0.5～1.0mol/l，单次洗涤时间为3～6h，洗涤次数为3～5次；干燥过程：气氛为空气或氮气，干燥温度为40～80℃，干燥时间为3.0～12.0h；焙烧过程：气氛为空气，空气流量为0.06～0.6m3/h；升温速度为0.5～1.5℃/min，焙烧温度为500～600℃，焙烧保温时间为1.5～3.0h；碳热还原过程：气氛为一氧化碳和氩气，一氧化碳或氩气流量为0.06～0.6m3/h；还原一氧化碳与氩气流比为1:9～1:1；升温速度为0.5～1.5℃/min，碳热还原温度为1150～1650℃，还原保温时间为2～6h；烧结过程：气氛为氩气，氩气流量为0.06～0.6m3/h；升温速度为0.5～1.5℃/min，烧结温度为1650～1850℃，烧结保温时间为0.5～1.5h。

技术总结

本发明提供了一种UC陶瓷微球的制备方法，包括以下步骤：步骤S1：将金属铀或者铀的氧化物经高温氧化后生成U3O8粉末，用硝酸溶解为硝酸铀酰；步骤S2：将碳源均匀分散于硝酸铀酰溶液中；步骤S3：将混有碳源的硝酸铀酰溶液与增稠剂混合后进行分散凝胶，得到凝胶球；步骤S4：所述凝胶球经过陈化、洗涤、干燥、焙烧、碳热还原、烧结得到UC微球。本发明提供的UC陶瓷微球的制备方法能够实现以金属铀及其化合物为原料，直接制备得到含UC、UC2的UC微球，即通过采用溶胶凝胶法由硝酸铀酰溶液分散得到含碳凝胶球，再经过陈化、洗涤、干燥、煅烧可制备得到UC微球，相比较传统的粉末制备方法，该方法可获得球形的UC微球，且球形度好、尺寸均匀。尺寸均匀。