一种高活性氮化铀粉末制造工艺

摘要

本发明提供种高活性氮化铀粉末制造工艺,通过在高纯度氮气环境下电爆金属铀丝,使金属铀在爆炸过程中与氮气发生化学反应,生成超细铀粉和铀氮化物粉的混合物,混合物在高温下与氮气反应,即可获得氮化铀。本发明的优点在于能耗低、制备的氮化铀产品活性好。

权利要求

1.一种高活性氮化铀粉末制造工艺，其特征在于：在高纯氮气环境下，通过对金属铀丝进行电爆，使金属铀丝在爆炸过程中与氮气发生化学反应，生成超细铀粉和铀氮化物粉的混合物，混合物在高温下与高纯氮气反应，得到颗粒度小、纯度高、活性好的氮化铀；

所述金属铀丝的制备方法为：对金属铀棒材进行多道次拉拔、酸洗和真空退火，得到金属铀丝材，将金属铀丝材装入铝管后在拉床上复合得到复合管，复合管真空退火后进行拉拔，拉拔后的复合管在强碱性溶液中洗去表面氧化膜和铝，清洗后得到金属铀丝。

2.根据权利要求1所述的一种高活性氮化铀粉末制造工艺，其特征在于：所述高纯氮气环境下是指氮气纯度不低于99.9％，氮气压力大于大气压，氮气中氧杂质含量低于100ppm。

3.根据权利要求1或2所述的一种高活性氮化铀粉末制造工艺，其特征在于：所述高纯氮气中N-15的同位素丰度大于99％。

4.根据权利要求1或2所述的一种高活性氮化铀粉末制造工艺，其特征在于：所述对金属铀丝进行电爆时，单批次金属铀丝投料量不大于2000克。

5.根据权利要求1所述的一种高活性氮化铀粉末制造工艺，其特征在于：对金属铀丝进行电爆时，电爆容器内氧含量应极低，即低于100ppm，避免生成铀氧化物。

6.根据权利要求1所述的一种高活性氮化铀粉末制造工艺，其特征在于：所述超细铀粉和铀氮化物粉的混合物的粉末平均粒径大于20纳米小于20微米；所述得到颗粒度小于20微米，铀和氮总质量百分数大于99.7％的氮化铀。

7.根据权利要求1所述的一种高活性氮化铀粉末制造工艺，其特征在于：所述铀粉和铀氮化物粉的混合物，与高纯氮气的反应发生在密闭的电爆容器内，电爆容器内氮气压力维持在1～2个大气压，混合物在200℃～600℃高温与氮气纯度不低于99.9％的高纯氮气反应，待混合物重量稳定后，升温至1300℃～1400℃稳定2小时，降温，得到氮化铀粉。

8.根据权利要求1所述的一种高活性氮化铀粉末制造工艺，其特征在于：电爆金属铀丝时，金属铀丝直径为0.3mm～3mm，电流密度为107～109Acm-2。

说明书

一种高活性氮化铀粉末制造工艺

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高活性氮化铀粉末制造工艺，适用于氮化铀核燃料制备，属于核工程领域。

背景技术

[0002] 氮化铀燃料具有高铀密度、高热导、高温稳定性、与液态金属良好的相容性等优良性能。国际上在第四代核能系统的规划方面，已将氮化铀燃料作为铅冷块堆以及钠冷快堆等堆型的重要候选燃料。

[0003] 尽管氮化铀燃料在反应堆内的服役性能优异，但氮化铀燃料的制备技术却较为复杂。现有氮化铀燃料制备技术路线中，金属铀直接氮化法是主要研究方法之一，其优点是N-15原子的利用率高，经济性好，得到的氮化铀粉末烧结性能好，缺点是对主原材料金属铀的比表面积要求很高，颗粒尺寸必须小(微米级)和分布均匀。

[0004] 目前金属铀粉制备工艺主要包括四种：(1)机械磨粉；(2)低温磨粉；(3)氢化-脱氢；(4)雾化法。这四种金属铀粉的制造工艺都基于金属铀锭作为原材料。

[0005] 机械磨粉是美国研究试验堆燃料低浓化项目，阿贡国家实验室使用的金属铀粉制备方法。该方法原理简单粗暴，即用切割或磨削压制的设备将铀金属锭直接加工成铀粉，由于铀的硬度较高、延展性好和化学性质活泼，所以这种采用直接机械加工生产金属铀粉的方法技术难度很大，也很难得到细的金属铀颗粒，一般只能生产粒径1毫米左右的铀粉。机械磨粉的优点是设备成本低、操作简单、工艺快速，缺点是生成的粉末尺寸偏高，容易沾污引入杂质。

[0006] 低温磨粉是在金属铀塑性脆性转变温度下，待金属铀充分脆化后再将大块金属磨削粉化，其缺点与机械磨粉类似，但可以得到尺寸稍小的金属铀颗粒。

[0007] 氢化—脱氢是传统的高品质金属铀粉制备方法，其原理是H2与金属铀反应生成UH3，再将UH3脱氢还原为金属铀，多次循环上述过程，可实现金属铀的粉化，被充分活化的铀粉的平均粒度约10～50μm。氢化—脱氢法的优点是产品粉末质量好，缺点是经济性差、产量很低、热氢的反应性和沾污容易带来安全和质量问题，因此不太适合工业化生产。

[0008] 雾化法是目前工业规模制造纯金属粉的主流方法，是利用一高速气流或液流将液态金属流粉碎成小液滴并凝固成粉末的过程。雾化法可以得到高质量的粉末，但铀的雾化法研究较少，主要因为铀密度高、熔点高、化学性质活泼，通常需要把金属铀加热至约1300℃使其充分熔化，再用高压惰性气体将其冲击分散为微小液滴，对设备耐高温高压的能力要求很高，能耗很大。韩国原子能研究所JAE HO YANG等，采用离心雾化工艺制备了金属铀粉，该工艺用自熔铀电极为原料，边熔边滴边雾化，雾化在兼做电极的高速旋转坩埚的离心散射中发生，获得了金属铀粉。

[0009] 电爆法是近年来金属纳米粉制造的研究热点，其原理是在一定的气体介质环境下，利用预先储存的电能对金属导体(导体丝或箔)脉冲放电，脉冲大电流使得金属导体熔化、气化、膨胀，发生爆炸。电爆法可以用来制备金属、合金、金属氧化物及氮化物等超细粉，具有能量利用率高，工艺参数可调，可有效控制制备粉末的粒度，不污染环境，所制粉末粒度分布窄、化学活性好、不易团聚等优点。

[0010] 电爆法的缺点在于，参加电爆反应的原材料通常为细的金属丝，加工较为困难；电爆制粉过程中，对于化学性质较为活泼的金属，容易与电爆容器内的氧反应，造成产品不纯；电爆生成的金属粉末颗粒度小，比表面积大，活性高，难于收集。金属铀具有放射性和重金属毒性，化学性质活泼，室温下可与氧气反应，电爆反应生成的超细铀颗粒在氮气中呈游离状态，又处于能量较高的亚稳态，化学活性更高，其收集和防护是亟待解决的难题。

发明内容

[0011] 本发明技术解决问题：克服了现有氮化铀粉制备技术中，超细金属铀粉制备工艺复杂，能耗大，粉末活性差等缺点，提出了一种电爆法制备氮化铀的工艺，通过在高纯度氮气环境下电爆金属铀丝，获得超细金属铀粉和氮化铀粉的混合物，混合物进一步在高温下氮化，即可获得颗粒度小、活性高的氮化铀粉末。这种电爆法制备氮化铀的新工艺，具有能耗低、粉末质量好的优点。

[0012] 本发明的主要内容包括：

[0013] 一种高活性氮化铀粉末制造工艺，其特征在于，在高纯度氮气环境下，通过电爆金属铀丝，使金属铀丝在爆炸过程中与氮气发生化学反应，生成超细铀粉和铀氮化物粉的混合物，混合物在高温下与氮气反应，得到颗粒度小、纯度高、活性好的氮化铀。

[0014] 一种高活性氮化铀粉末制造工艺，电爆金属铀丝时，氮气纯度不低于99.9％，氮气压力通常大于大气压，氮气中氧杂质含量低于100ppm。

[0015] 一种高活性氮化铀粉末制造工艺，电爆金属铀丝时的环境氮气和与超细铀粉和铀氮化物粉混合物高温下反应的氮气，其同位素组成中，N-15的丰度大于99％。

[0016] 一种高活性氮化铀粉末制造工艺，通常为间歇式工艺，单批次金属铀丝投料量不大于2000克，保证临界安全并预留安全裕量。

[0017] 电爆容器内氧含量应低于100ppm，避免生成铀氧化物。

[0018] 电爆反应生成的超细铀粉和铀氮化物粉的混合物，粉末平均粒径大于20纳米小于20微米，铀和氮总质量百分数大于99.7％的氮化铀。超细铀粉和铀氮化物粉的混合物，与高纯氮气的反应发生在密闭的电爆容器内，电爆容器内氮气压力维持在1～2个大气压，混合物在200℃～600℃与高纯氮气反应，待混合物重量稳定后升温至1300℃～1400℃稳定2小时，降温，得到颗粒度小、纯度高、活性好的氮化铀粉，氮化铀粉末平均粒径小于20微米。

[0019] 金属铀丝直径为0.3mm～3mm，电流密度为107～109Acm-2。

[0020] 原材料金属铀丝的制备方法为：对金属铀棒材进行多道次拉拔、酸洗和真空退火，得到金属铀丝材，将金属铀丝材装入铝管后在拉床上复合得到复合管，复合管真空退火后进行拉拔，拉拔后的复合管在强碱性溶液中洗去表面氧化膜和铝，清洗后得到金属铀丝。

[0021] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0022] (1)采用了电爆法工艺，制备的超细铀粉和铀氮化物粉的混合物颗粒度小，活性好，最终得到的产品氮化铀粉颗粒度小、活性高；

[0023] (2)利用游离态超细铀颗粒的高活性，直接与氮气反应，得到了稳定的氮化铀，解决了超细铀颗粒收集和防护难题；

[0024] (3)采用铝包壳的复合管，解决金属铀丝制备过程中表面损伤和容易氧化等技术问题。

附图说明

[0025] 图1为本发明的氮化铀粉末制备工艺流程示意。

具体实施方式

[0026] 按照图1所示工艺流程，氮化铀制备包括铀金属丝电爆制得铀粉和铀氮化物粉混合物，铀粉和铀氮化物粉混合物高温氮化得到氮化铀两个主要步骤。

[0027] 实施例1：按照图1所示工艺流程制备了氮化铀，具体过程如下：

[0028] (1)将密封储存的直径约为0.3mm的金属铀丝取出后，装入电爆实验装置；

[0029] (2)对电爆容器进行3次抽真空和充氮气，所充氮气纯度为99.99％，氮气中氧杂质含量小于10ppm；

[0030] (3)设置电爆实验装置电压为40KV，电爆频率为1次/min；

[0031] (4)启动电爆实验装置，完成金属铀丝在氮气环境下的电爆；

[0032] (5)对电爆实验装置内生成的铀粉和铀氮化物粉混合物进行密封收集；

[0033] (6)对密封收集的铀粉和铀氮化物粉混合物进行充氮和加热，在600℃下稳定3小时后停止充氮，升温至1300℃稳定2小时，降温，取出即得到氮化铀粉末产品。

[0034] 实施例2：调整电爆实验装置电压为45KV，电爆频率为2次/min，同样得到高活性氮化铀粉末，粉末压制烧结后芯块密度大于90％。具体步骤如下：

[0035] (1)将密封储存的直径约为0.3mm的金属铀丝取出后，装入电爆实验装置；

[0036] (2)对电爆容器进行3次抽真空和充氮气，所充氮气纯度为99.99％，氮气中氧杂质含量小于10ppm；

[0037] (3)设置电爆实验装置电压为45KV，电爆频率为2次/min；

[0038] (4)启动电爆实验装置，完成金属铀丝在氮气环境下的电爆；

[0039] (5)对电爆实验装置内生成的铀粉和铀氮化物粉混合物进行充氮和加热，在600℃下稳定3小时后停止充氮，升温至1300℃稳定2小时，降温，取出即得到氮化铀粉末产品；

[0040] (6)对氮化铀粉进行比表面和颗粒度检测，平均粒径为12μm；

[0041] (7)对氮化铀粉末压制后烧结，所得陶瓷芯块密度大于90％。

[0042] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

[0043] 以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的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。