制备铀氧化物微球的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种制备U3O8微球的方法，所述方法包括利用流动聚焦效应使含铀溶胶分散成含铀微液滴，并进而胶凝成为含铀微球。本发明专利技术也提供了一种制备U3O8微球的装置，其特别适用于本发明专利技术的U3O8微球制造方法。本发明专利技术还提供了小粒径单分散U3O8微球和制备UO2微球的方法。本发明专利技术的方法实现了小粒径单分散U3O8微球的制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及核燃料制备领域，具体地，涉及制备铀氧化物微球的方法及装置。
技术介绍
弥散体型核燃料是核燃料的一种重要类型。弥散体型核燃料的制备通常是首先制备核燃料微球，然后与无放射性的惰性弥散介质混合压制成生燃料芯块，经过高温烧结后形成最终产品。其中，核燃料微球的制备是整个制备过程中的核心步骤。核燃料微球的组成、形貌、尺寸、粒径分布、微观结构等因素强烈影响核燃料的性能。铀的氧化物，如U3O8和UO2，是常见的核燃料微球材料。长期以来，通过溶胶-凝胶工艺制备铀氧化物微球。通过使含铀的溶胶胶凝，形成含铀凝胶微球，再将凝胶微球进行煅烧，形成铀氧化物微球。根据采用的胶凝方式，可以分为内胶凝工艺、外胶凝工艺和其他胶凝工艺。无论使用哪种胶凝方式，都需要将溶胶分散成溶胶液滴再进行胶凝。溶胶液滴的大小及均匀性决定了最终铀氧化物微球的大小及均匀性。由于自然分散形成的溶胶液滴的尺寸呈较宽的正态分布，而弥散体型核燃料要求铀氧化物微球的尺寸范围窄，因此需要对溶胶分散过程进行控制，从而提高最终铀氧化物微球的尺寸合格率。迄今为止，关于控制含铀溶胶分散过程的研究集中在各种各样喷嘴装置和相关的振动方式上，主要可分为双流喷嘴分散、单流喷嘴振动分散和双流喷嘴振动分散等。目前，对中粗颗粒的微球尺寸控制已具有较好的效果，但是对粒径小于150μm的小粒径U3O8微球的尺寸控制难度仍比较大。例如，美国橡树岭国家实验室采用双流喷嘴利用驱动流的湍动作用使溶胶喷射流分散成液滴(Hass P A，et al.Application of Drop Formation Procedures to Meet Gel-Sphere-PAC Requirements.IAEA-161，1974，72-84，Vienna)。其结果表明，当微球的平均直径为65μm时，直径在45至91μm范围内微球占到了60％。该方法虽然制得了小粒径的铀氧化物微球，但微球的大小很不均匀，单分散性差。王录全等为了控制小颗粒微球的尺寸分布，建立了一套小型液滴喷射流振动分散装置，以便对溶胶喷射流的分散过程进行直接观察和控制，从而及时调整控制参数，但是该装置结构比较复杂，操作要求高(王录全，应诗浩，姬长鸿，溶胶喷射流振动分散及小颗粒凝胶微球的尺寸控制研究，中国核科技报告，2002年00期)。因此，对于以简单的装置制备高单分散性小粒径铀氧化物微球的方法和装置，存在着需要。
技术实现思路
为了达到上述目的，本专利技术提供以下技术方案。本专利技术的第一方面提供一种制备U3O8微球的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将尿素和六次甲基四胺的混合水溶液加入到硝酸铀酰水溶液中，形成分散相溶液；(2)将所述分散相溶液通过毛细管通入连续相溶液流中，在所述毛细管的下游设置有与其相对的小孔，从而利用流动聚焦效应使所述分散相溶液形成在所述连续相溶液中的分散相液滴；(3)通过加热使得所述分散相液滴胶凝形成含铀凝胶微球；(4)收集、分离并洗涤所述含铀凝胶微球；(5)煅烧所述含铀凝胶微球，得到U3O8微球。在一个实施方案中，所述分散相溶液中，尿素与六次甲基四胺的摩尔比为1∶1，且硝酸铀酰与尿素或六次甲基四胺的摩尔比为2∶1至3∶1。在一个进一步的实施方案中，所述分散相溶液中，尿素或六次甲基四胺与硝酸铀酰的摩尔比为2.3∶1，且硝酸铀酰与水的摩尔比为1∶90至1∶100。在一个实施方案中，通过调节所述连续相溶液的粘度和所述连续相溶液与所述分散相溶液的流速比，调整所述U3O8微球的粒径。在一个进一步的实施方案中，所述连续相溶液由低极性化合物与煤油混合形成，并且通过改变所述低极性化合物与所述煤油的比例调节所述连续相的粘度。本专利技术的第二方面提供一种用于使用根据第一方面所述的方法制备U3O8微球的装置，所述装置包括：外管，其下游端为封闭面，所述封闭面上留有开口，所述外管用于通过所述方法中所述的连续相溶液流；第一毛细管，所述第一毛细管具有在所述外管内的出口，用作所述方法中所述的毛细管；第二毛细管，所述第二毛细管位于所述第一毛细管出口的下游，穿过所述封闭面上的开口，所述第二毛细管的在所述外管中的一端用作所述方法中的所述小孔。在一个实施方案中，所述第一毛细管与所述第二毛细管的间距是可调的。本专利技术的第三方面提供通过根据第一方面所述的方法制备的U3O8微球，所述U3O8微球的粒径范围为50至150μm，粒径分布系数CV值小于5％。本专利技术的第四方面提供一种制备UO2微球的方法，所述方法包括以下步骤：通过根据第一方面所述的方法制备U3O8微球，将制得的U3O8微球在还原气氛下还原，得到UO2微球。本专利技术通过利用流动聚焦效应，制备了小粒径(＜150μm)单分散U3O8微球。本专利技术的基于双毛细管的装置适用于本专利技术的方法。附图说明图1是根据本专利技术的一个实施方案的核燃料微球制备装置的示意图。图2是根据本专利技术的一个实施方案的核燃料微球制备装置的示意图。图3是图2中的T型三通的放大示意图。图4是显示本专利技术的一个实施方案的聚焦效应的照片。图5a-c是根据本专利技术的实施例制得的核燃料微球的光学显微照片。具体实施方式本专利技术一方面提供了一种制备单分散小粒径U3O8微球的方法。该方法包括：(1)将尿素和六次甲基四胺的混合水溶液加入到硝酸铀酰水溶液中，形成分散相溶液；(2)将所述分散相溶液通过毛细管通入连续相溶液流中，在所述毛细管的下游设置有与其相对的小孔，从而利用流动聚焦效应使所述分散相溶液形成在所述连续相溶液中的分散相液滴；(3)通过加热使得所述分散相液滴胶凝形成含铀凝胶微球；(4)收集、分离并洗涤所述含铀凝胶微球；(5)煅烧所述含铀凝胶微球，得到U3O8微球。本专利技术采用内胶凝方式制备U3O8微球。具体地，在低温下，向硝酸铀酰(UO2(NO3)2)水溶液中加入一定量的尿素和六次甲基四胺(即乌洛托品，HMTA)配制成分散相溶液。混合在低温下伴随搅拌缓慢进行，以防产生凝胶。对于混合所处的温度没有特别的要求，只要分散相溶液保持较为稳定，不迅速胶凝即可。混合的温度优选为0-5℃。制得的分散相溶液是溶胶形式的，具有一定的搁置寿命，能够以微液滴的形式分散在连续相有机介质中保持一段时间。在本专利技术中，有时也将此分散相溶液称为“溶胶”，并且术语可交换使用。当在连续相有机介质中的溶胶微液滴受热时，其中的六次甲基四胺受热分解，并与水反应释放氨和甲醛，导致溶胶液滴的pH值迅速增加和水分迅速减少，从而胶凝。液滴形状维持不变，成为表面光滑且具有一定强度的含水含铀凝胶微球。含水含铀凝胶微球随后经收集、分离、洗涤、煅烧，形成U3O8微球。其中，尿素兼具络合剂和缓冲剂的作用。尿素与铀酰络合，防止铀沉淀。此外，其还可以与六次甲基四胺受热分解时放出的甲醛反应形成缩合产物脲醛树脂，促进胶凝。为了获得性能优良的分散相体系，可以调节分散相的配方。一般地，分散相中尿素与六次甲基四胺的摩尔比基本上为1∶1。而尿素或六次甲基四胺与硝酸铀酰不同的摩尔比会直接影响形成凝胶所需的时间。由于本专利技术中配制的溶胶溶液需要在微流体控制装置中分散成液滴，因此要求分散相在分散前有足够的时间分散成液滴。实验证明尿素/HTMA过高时，分散相溶液在实验环境中过快形成凝胶，不利于分散成液滴。专利技术人发现，将尿素或六次甲基四胺与硝酸铀酰的摩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备U3O8微球的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将尿素和六次甲基四胺的混合水溶液加入到硝酸铀酰水溶液中，形成分散相溶液；(2)将所述分散相溶液通过毛细管通入连续相溶液流中，在所述毛细管的下游设置有与其相对的小孔，从而利用流动聚焦效应使所述分散相溶液形成在所述连续相溶液中的分散相液滴；(3)通过加热使得所述分散相液滴胶凝形成含铀凝胶微球；(4)收集、分离并洗涤所述含铀凝胶微球；(5)煅烧所述含铀凝胶微球，得到U3O8微球。

【技术特征摘要】
1.一种制备U3O8微球的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将尿素和六次甲基四胺的混合水溶液加入到硝酸铀酰水溶液中，形成分散相溶液；(2)将所述分散相溶液通过毛细管通入连续相溶液流中，在所述毛细管的下游设置有与其相对的小孔，从而利用流动聚焦效应使所述分散相溶液形成在所述连续相溶液中的分散相液滴；(3)通过加热使得所述分散相液滴胶凝形成含铀凝胶微球；(4)收集、分离并洗涤所述含铀凝胶微球；(5)煅烧所述含铀凝胶微球，得到U3O8微球。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述分散相溶液中，尿素与六次甲基四胺的摩尔比为1∶1，且尿素或六次甲基四胺与硝酸铀酰的摩尔比为2∶1至3∶1。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述分散相溶液中，尿素或六次甲基四胺与硝酸铀酰的摩尔比为2.3∶1，且硝酸铀酰与水的摩尔比为1∶90至1∶100。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调节所述连续相溶液的粘度和所述连续相溶液与所述分散相溶液的流速比，调整所述U3O8微球的粒径。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：常振旗，付曹飞，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34