一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，包括依次進行的以下步驟：將鈾氧化物球磨，其中，球磨后鈾氧化物粒度為0.1~0.3μm；將鈾氧化物加入聚合物單體，并攪拌均勻得到聚合物漿料；將聚合物漿料生成漿料滴；將漿料滴加入裝有加熱四氯化碳或液態(tài)石蠟的分散柱內(nèi)，其中，分散柱內(nèi)溫度為80~90℃，漿料滴在分散柱內(nèi)下降并在分散柱內(nèi)在表面張力作用下得到生坯球；采用乙醇溶液對生坯球進行洗滌；將生坯球干燥并脫除表面的有機物得到干煅球；將干煅球在氫氣氛圍下經(jīng)還原燒結得到陶瓷級UO2球。本發(fā)明整體工藝簡單，便于實現(xiàn)，引入雜質(zhì)少，制備的UO2球純度高，進而有利于UO2球在核【技術領域】的推廣應用。
【專利說明】一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及核材料制造工藝，具體是一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法。

【背景技術】
[0002]在核【技術領域】中，UO2球根據(jù)尺寸的不同具有不同的用途，其中，在核【技術領域】中直徑為0.5?3mm的UO2球應用最為廣泛，如:直徑為0.5mm的UO2球可用作高溫氣冷堆的燃料，直徑為0.8^1.0mm的UO2球可以用于中子探測器的研制?，F(xiàn)今在制備UO2球時，操作工序復雜，引入雜質(zhì)較多，UO2球的純度不能得到保證，這會影響UO2球在核【技術領域】的推廣應用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，該方法操作便捷，便于實現(xiàn)，弓I入雜質(zhì)少，制備的UO2球純度高，進而有利于UO2球在核【技術領域】的推廣應用。
[0004]本發(fā)明解決上述問題主要通過以下技術方案實現(xiàn):
一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，包括依次進行的以下步驟:
步驟一、將鈾氧化物球磨，其中，球磨后鈾氧化物粒度為0.Γ0.3 μ m ;
步驟二、將鈾氧化物加入聚合物單體，并攪拌均勻得到聚合物漿料；
步驟三、將聚合物漿料生成漿料滴；
步驟四、將漿料滴加入裝有加熱四氯化碳或液態(tài)石蠟的分散柱內(nèi)，其中，分散柱內(nèi)溫度為8(T90°C，漿料滴在分散柱內(nèi)下降并在分散柱內(nèi)在表面張力作用下得到生坯球；
步驟五、采用乙醇溶液對生坯球進行洗滌；
步驟六、將生坯球干燥并脫除表面的有機物得到干煅球；
步驟七、將干煅球在氫氣氛圍下經(jīng)還原燒結得到陶瓷級UO2球。
[0005]進一步的，所述步驟一中采用的鈾氧化物為U3O8粉末、UO2粉末或U3O8粉末與UO2粉末的混合物。
[0006]進一步的，所述步驟二中還包括加入鈾氧化物用量0.1wt %^^丨％的檸檬酸銨或聚丙烯酸銨。其中，檸檬酸銨或聚丙烯酸銨作為分散劑，檸檬酸銨或聚丙烯酸銨均是一種在分子內(nèi)同時具有親油性和親水性兩種相反性質(zhì)的界面活性劑，可均一分散那些難于溶解于液體的無機，有機顏料的固體顆粒，同時也能防止固體顆粒的沉降和凝聚。
[0007]進一步的，所述步驟二至步驟四中所涉及到的管道和設備溫度均不高于10°C。本發(fā)明的單體聚合速率較快，一旦開始聚合漿料粘度將急劇增加，最終影響漿料的分散，因此，本發(fā)明通過降低溫度，可以有效地降低輸送過程的反應速率，確保漿料在配制和輸送過程中的穩(wěn)定性，保證工藝順利進行。
[0008]進一步的，所述步驟五中乙醇溶液的體積比濃度為70°/Γ90%，所述乙醇溶液的用量與生坯球的體積比為1:廣4:1。
[0009]進一步的，所述步驟六中生坯球的干燥在高溫烘箱內(nèi)進行，高溫烘箱內(nèi)初始溫度為25°C，干燥過程按以下步驟依次進行:
步驟A、用時90分鐘將高溫烘箱內(nèi)溫度由25°C逐漸升至80°C ；
步驟B、用時120分鐘將高溫烘箱內(nèi)溫度由80°C逐漸升至150°C ；
步驟C、用時120分鐘將高溫烘箱內(nèi)溫度由150°C逐漸升至200°C ；
步驟D、用時150分鐘將高溫烘箱內(nèi)溫度由200°C逐漸升至400°C ；
步驟E、將高溫烘箱內(nèi)溫度降溫至室溫。本發(fā)明應用時，采用逐漸升溫干燥，其中，25°C升溫至80°C用時90分鐘，80°C升溫至150°C用時120分鐘，150°C至升溫至200°C用時120分鐘，200°C升溫至400°C用時150分鐘。本發(fā)明應用時需將聚合骨架、無機鹽、水等成分進行脫除，其中，不同的成分的脫除溫度不一樣，如水的脫除溫度為80°C?120°C，無機鹽的脫除溫度為180°C?220°C，聚合骨架的脫除溫度為350°C?400°C，若直接升溫至400°C將使水或無機鹽迅速脫除，易導致制造的生坯球開裂。因此，本發(fā)明采用程序升溫的方式，可以在不同組分的溫度脫除區(qū)間內(nèi)充分完成脫除，保證了陶瓷級UO2球的合格率。
[0010]作為本發(fā)明采用的聚合物單體的第一種實施方式，所述步驟二中加入的聚合物單體包括尿素和烏洛托品，其中，聚合物漿料中鈾氧化物含量為30Wt9T50wt%，尿素含量為120?180g/L，烏洛托品含量為30(T450g/L。
[0011]作為本發(fā)明采用的聚合物單體的第二種實施方式，所述步驟二中加入的聚合物單體包括丙烯酰胺和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，其中，聚合物漿料中鈾氧化物含量為40wt%?60wt%,丙烯酰胺含量為1wt %?20wt%, N, N-亞甲基雙丙烯酰胺為Iwt %?2wt%。
[0012]進一步的,所述步驟二中還包括加入聚合物單體用量0.1wt °/Tlwt %的過硫酸銨。其中，過硫酸銨作為引發(fā)劑，其用于引發(fā)丙烯酰胺和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺的自由基聚入口 ο
[0013]進一步的，所述步驟四中還包括在分散柱內(nèi)加入N，N，N，N’ -四甲基乙二胺，N, N, N，N’ -四甲基乙二胺的用量的體積為四氯化碳或液態(tài)石蠟體積的0.059Γ0.1%。其中，N, N, N，N’ -四甲基乙二胺作為催化劑用于制備直徑較大的UO2球時加入。
[0014]綜上所述，本發(fā)明具有以下有益效果:(I)本發(fā)明應用時操作便捷，便于實現(xiàn)，便于得到鈾氧化物生坯球，無需模具，本發(fā)明中引入雜質(zhì)少，制備的UO2球純度高，進而有利于UO2球在核【技術領域】的推廣應用。
[0015](2)本發(fā)明在對生坯球清洗時只需清除四氯入碳或液體石蠟，清洗工藝便捷，便于實現(xiàn)。

【具體實施方式】
[0016]下面結合實施例，對本發(fā)明做進一步地的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0017]實施例1:
一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，包括依次進行的以下五個步驟:漿料配制、分散膠凝、洗滌、干燥煅燒及還原燒結。漿料配制的具體過程為:將U3O8粉末稱量50.4g加水球磨2h得到U3O8漿料，球磨后漿料中U3O8粉末平均尺寸為0.2 μ m。將U3O8漿料置于10°C恒溫環(huán)境中，待溫度降低至10°C以下加入尿素12克、烏洛托品28克，檸檬酸銨1.lg，并攪拌均勻得到聚合物漿料。
[0018]分散膠凝的具體過程為:將聚合物漿料加入振動分散裝置內(nèi)，振動分散裝置具有三孔均布的孔板，啟動振動分散裝置至其內(nèi)分散壓力為0.15MPa時使聚合物漿料通過孔板上的通孔得到一定尺寸的漿料滴，漿料滴經(jīng)載帶傳送并落入裝有加熱的CCl4的分散柱內(nèi)，在分散柱內(nèi)在表面張力作用下成球，并在下降過程中聚合得到生坯球。其中，分散柱長度2.5m，分散柱內(nèi)介質(zhì)溫度應維持在85°C，本實施例通過流量和振動分散裝置的振動頻率控制生坯球的直徑，分散膠凝所涉及到的管道和設備溫度均不高于10°C。
[0019]洗滌的具體過程為:采用體積比濃度為70%的乙醇溶液對生坯球進行清洗，乙醇溶液的用量與生坯球的體積比為3:1，清洗時間為lh。干燥煅燒的具體過程為:將生坯球放入高溫烘箱內(nèi)逐漸升溫進行干燥煅燒，生坯球在干燥煅燒的過程中完成脫水和脫除有機物得到干煅球。其中，高溫烘箱內(nèi)具體升溫的過程為:用時90分鐘由25°C逐漸升溫至80°C，用時120分鐘由80°C逐漸升溫至150°C，用時120分鐘由150°C逐漸升溫至200°C，用時150分鐘由200°C逐漸升溫至400°C，然后降溫至25°C。還原燒結的具體過程為:將干煅球在氫氣氛圍下經(jīng)還原燒結得到陶瓷級UO2球。
[0020]采用本實施例制備得到的陶瓷級UO2球的直徑為1.(Tl.2mm, 0/U為1.99，球形度小于1.07。
[0021]實施例2:
一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，包括依次進行的以下五個步驟:漿料配制、分散膠凝、洗滌、干燥煅燒及還原燒結。漿料配制的具體過程為:將U3O8粉末稱量33.6g球磨3h得到U3O8粉末，球磨后U3O8粉末平均尺寸為0.18μπι。在10°C恒溫環(huán)境中，將水/丙烯酰胺/N, N-亞甲基雙丙烯酰胺按照100/15/1的比例配制預聚液，加入U3O8粉末并攪拌均勻得到聚合物漿料，加入丙烯酰胺和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺兩者總重量1%的過硫酸銨，并加入U3O8粉末重量2%的檸檬酸銨，其中，U3O8在聚合物漿料中的含量為45wt%。
[0022]分散膠凝的具體過程為:將聚合物漿料加入振動分散裝置內(nèi)，振動分散裝置具有四孔均布的孔板，啟動振動分散裝置至其內(nèi)分散壓力為0.15MPa時使聚合物漿料通過孔板上的通孔得到一定尺寸的漿料滴，漿料滴經(jīng)載帶傳送并落入裝有加熱的石蠟的分散柱內(nèi)，在分散柱內(nèi)在表面張力作用下成球，并在下降過程中聚合得到生坯球。其中，分散柱長度3m，分散柱內(nèi)介質(zhì)溫度應維持在85°C，本實施例通過流量和振動分散裝置的振動頻率控制生坯球的直徑，分散膠凝所涉及到的管道和設備溫度均不高于10°C。
[0023]洗滌的具體過程為:采用體積比濃度為80%的乙醇溶液對生坯球進行清洗，乙醇溶液的用量與生坯球的體積比為4:1，清洗時間為0.5h。干燥煅燒的具體過程為:將生坯球放入高溫烘箱內(nèi)逐漸升溫進行干燥煅燒，生坯球在干燥煅燒的過程中完成脫水和脫除有機物得到干煅球。其中，高溫烘箱內(nèi)具體升溫的過程為:用時90分鐘由25°C逐漸升溫至80°C，用時120分鐘由80°C逐漸升溫至150°C，用時120分鐘由150°C逐漸升溫至200°C，用時150分鐘由200°C逐漸升溫至400°C，然后降溫至25°C。還原燒結的具體過程為:將干煅球在氫氣氛圍下經(jīng)還原燒結得到陶瓷級UO2球。
[0024]采用本實施例制備得到的陶瓷級UO2球的直徑為0.5^0.6mm, 0/U為1.99，球形度小于1.05。
[0025]實施例3: 一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，包括依次進行的以下五個步驟:漿料配制、分散膠凝、洗滌、干燥煅燒及還原燒結。漿料配制的具體過程為:將U3O8粉末稱量54.0g球磨8h得到U3O8粉末，球磨后U3O8粉末平均尺寸為0.27 μ m。在10°C恒溫環(huán)境中，將水/丙烯酰胺/N, N-亞甲基雙丙烯酰胺按照100/20/1.5的比例配制預聚液，加入U3O8粉末并攪拌均勻得到聚合物漿料，加入丙烯酰胺和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺兩者總重量0.8%的過硫酸銨，并加入U3O8粉末重量2.5%的聚丙烯酸銨，其中，U3O8在聚合物漿料中的含量為55wt%。
[0026]分散膠凝的具體過程為:將聚合物漿料放入注射器中，緩慢將漿料噴射至裝有加熱的液態(tài)石蠟的分散柱內(nèi)，在分散柱內(nèi)在表面張力作用下成球，并在下降過程中聚合得到生坯球。其中，分散柱內(nèi)加入液體石蠟體積0.05%的N，N, N，N’-四甲基乙二胺作為催化劑，分散柱長度3m，分散柱內(nèi)介質(zhì)溫度應維持在85°C，本實施例通過注射器的壓力控制生坯球的直徑，分散膠凝所涉及到的管道和設備溫度均不高于10°C。
[0027]洗滌的具體過程為:采用體積比濃度為85%的乙醇溶液對生坯球進行清洗，乙醇溶液的用量與生坯球的體積比為2:1，清洗時間為0.5h。干燥煅燒的具體過程為:將生坯球放入高溫烘箱內(nèi)逐漸升溫進行干燥煅燒，生坯球在干燥煅燒的過程中完成脫水和脫除有機物得到干煅球。其中，高溫烘箱內(nèi)具體升溫的過程為:用時90分鐘由25°C逐漸升溫至80°C，用時120分鐘由80°C逐漸升溫至150°C，用時120分鐘由150°C逐漸升溫至200°C，用時150分鐘由200°C逐漸升溫至400°C，然后降溫至25°C。還原燒結的具體過程為:將干煅球在氫氣氛圍下經(jīng)還原燒結得到陶瓷級UO2球。
[0028]采用本實施例制備得到的陶瓷級UO2球的直徑為2.5^3.0mm, 0/U為2.01，球形度小于1.1。
[0029]實施例4:
一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，包括依次進行的以下五個步驟:漿料配制、分散膠凝、洗滌、干燥煅燒及還原燒結。漿料配制的具體過程為:將42.0g U3O8粉末和13.58而2粉末球磨3h，球磨后粉末平均尺寸為0.22 μ m。在10°C恒溫環(huán)境中，將水/丙烯酰胺/N，N-亞甲基雙丙烯酰胺按照100/10/1.5的比例配制預聚液，加入球磨后的鈾氧化物粉末并攪拌均勻得到聚合物漿料，加入丙烯酰胺和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺兩者總重量0.1%的過硫酸銨，并加入U3O8粉末重量3%的聚丙烯酸銨，其中，鈾氧化物在聚合物漿料中的含量為57wt%。
[0030]分散膠凝的具體過程為:將聚合物漿料放入注射器中，緩慢將漿料噴射至裝有加熱的液態(tài)石蠟的分散柱內(nèi)，在分散柱內(nèi)在表面張力作用下成球，并在下降過程中聚合得到生坯球。其中，分散柱內(nèi)加入液體石蠟體積0.1%的N，N, N，N’ -四甲基乙二胺作為催化劑，分散柱長度3m，分散柱內(nèi)介質(zhì)溫度應維持在85°C，本實施例通過注射器的壓力控制生坯球的直徑，分散膠凝所涉及到的管道和設備溫度均不高于10°C。
[0031]洗滌的具體過程為:采用體積比濃度為90%的乙醇溶液對生坯球進行清洗，乙醇溶液的用量與生坯球的體積比為1.5:1，清洗時間為0.25h。干燥煅燒的具體過程為:將生坯球放入高溫烘箱內(nèi)逐漸升溫進行干燥煅燒，生坯球在干燥煅燒的過程中完成脫水和脫除有機物得到干煅球。其中，高溫烘箱內(nèi)具體升溫的過程為:用時90分鐘由25°C逐漸升溫至80°C，用時120分鐘由80°C逐漸升溫至150°C，用時120分鐘由150°C逐漸升溫至200°C，用時150分鐘由200°C逐漸升溫至400°C，然后降溫至25°C。還原燒結的具體過程為:將干煅球在氫氣氛圍下經(jīng)還原燒結得到陶瓷級UO2球。
[0032]采用本實施例制備得到的陶瓷級UO2球的直徑為1.8^2.2mm, 0/U為1.99，球形度小于1.1。
[0033]實施例5:
一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，包括依次進行的以下五個步驟:漿料配制、分散膠凝、洗滌、干燥煅燒及還原燒結。漿料配制的具體過程為:將84.0g U3O8粉末球磨5h，球磨后粉末平均尺寸為0.19 μ m。在10°C恒溫環(huán)境中，將水/丙烯酰胺/N，N-亞甲基雙丙烯酰胺按照100/10/1.5的比例配制預聚液，加入球磨后的鈾氧化物粉末并攪拌均勻得到聚合物漿料，加入丙烯酰胺和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺兩者總重量0.5%的過硫酸銨，并加入U3O8粉末重量2.8%的聚丙烯酸銨，其中，鈾氧化物在聚合物漿料中的含量為54wt%。
[0034]分散膠凝的具體過程為:將聚合物漿料放入注射器中，緩慢將漿料噴射至裝有加熱的液態(tài)石蠟的分散柱內(nèi)，在分散柱內(nèi)在表面張力作用下成球，并在下降過程中聚合得到生坯球。其中，分散柱內(nèi)加入液體石蠟體積0.08%的N，N, N，N’-四甲基乙二胺作為催化劑，分散柱長度3m，分散柱內(nèi)介質(zhì)溫度應維持在85°C，本實施例通過注射器的壓力控制生坯球的直徑，分散膠凝所涉及到的管道和設備溫度均不高于10°C。
[0035]洗滌的具體過程為:采用體積比濃度為90%的乙醇溶液對生坯球進行清洗，乙醇溶液的用量與生坯球的體積比為3.8:1，清洗時間為0.25h。干燥煅燒的具體過程為:將生坯球放入高溫烘箱內(nèi)逐漸升溫進行干燥煅燒，生坯球在干燥煅燒的過程中完成脫水和脫除有機物得到干煅球。其中，高溫烘箱內(nèi)具體升溫的過程為:用時90分鐘由25°C逐漸升溫至80°C，用時120分鐘由80°C逐漸升溫至150°C，用時120分鐘由150°C逐漸升溫至200°C，用時150分鐘由200°C逐漸升溫至400°C，然后降溫至25°C。還原燒結的具體過程為:將干煅球在氫氣氛圍下經(jīng)還原燒結得到陶瓷級UO2球。
[0036]采用本實施例制備得到的陶瓷級UO2球的直徑為2.Γ2.6mm, 0/U為2.01，球形度小于1.06。
[0037]如上所述，可較好的實現(xiàn)本發(fā)明。
【權利要求】
1.一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，包括依次進行的以下步驟: 步驟一、將鈾氧化物球磨，其中，球磨后鈾氧化物粒度為0.1^0.步驟二、將鈾氧化物加入聚合物單體，并攪拌均勻得到聚合物漿料； 步驟三、將聚合物漿料生成漿料滴； 步驟四、將漿料滴加入裝有加熱四氯化碳或液態(tài)石蠟的分散柱內(nèi)，其中，分散柱內(nèi)溫度為80、0。〇，漿料滴在分散柱內(nèi)下降并在分散柱內(nèi)在表面張力作用下得到生坯球； 步驟五、采用乙醇溶液對生坯球進行洗滌； 步驟六、將生坯球干燥并脫除表面的有機物得到干煅球； 步驟七、將干煅球在氫氣氛圍下經(jīng)還原燒結得到陶瓷級而2球。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，所述步驟一中采用的鈾氧化物為％08粉末、。02粉末或％08粉末與。02粉末的混合物。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，所述步驟二中還包括加入鈾氧化物用量0.1被％?3被％的檸檬酸銨或聚丙烯酸銨。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，所述步驟二至步驟四中所涉及到的管道和設備溫度均不高于101。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，所述步驟五中乙醇溶液的體積比濃度為70%?90%，所述乙醇溶液的用量與生坯球的體積比為1:廣4:10
6.根據(jù)權利要求1所述的一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，所述步驟六中生坯球的干燥在高溫烘箱內(nèi)進行，高溫烘箱內(nèi)初始溫度為251，干燥過程按以下步驟依次進行: 步驟八、用時90分鐘將高溫烘箱內(nèi)溫度由251逐漸升至801 ； 步驟8、用時120分鐘將高溫烘箱內(nèi)溫度由801逐漸升至1501 ； 步驟0、用時120分鐘將高溫烘箱內(nèi)溫度由1501逐漸升至2001 ； 步驟0、用時150分鐘將高溫烘箱內(nèi)溫度由2001逐漸升至4001 ； 步驟2、將高溫烘箱內(nèi)溫度降溫至室溫。
7.根據(jù)權利要求1?6中任意一項所述的一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，所述步驟二中加入的聚合物單體包括尿素和烏洛托品，其中，聚合物漿料中鈾氧化物含量為30被%?50被％，尿素含量為120?1808/1，烏洛托品含量為300?4508凡。
8.根據(jù)權利要求1?6中任意一項所述的一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，所述步驟二中加入的聚合物單體包括丙烯酰胺和隊亞甲基雙丙烯酰胺，其中，聚合物漿料中鈾氧化物含量為40被%?60被％，丙烯酰胺含量為10被％?20被％，隊亞甲基雙丙烯酰胺為1被％?2被％。
9.根據(jù)權利要求8所述的一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，所述步驟二中還包括加入聚合物單體用量0.1^1: %?1界1: %的過硫酸銨。
10.根據(jù)權利要求8所述的一種制備陶瓷級二氧化鈾球的方法，其特征在于，所述步驟四中還包括在分散柱內(nèi)加入隊隊隊V -四甲基乙二胺，隊隊隊V -四甲基乙二胺的用量的體積為四氯化碳或液態(tài)石蠟體積的0.059^0.1%。
【文檔編號】C04B35/622GK104446479SQ201410618651
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權日:2014年11月6日
【發(fā)明者】汪新杰, 尹榮才, 劉錦洪, 盧長先, 李佳, 周勁松 申請人:中國核動力研究設計院