本发明专利技术公开了一种有效去除铀金属中杂质的装置和方法，所述装置包括电子束熔炼炉和设置在所述电子束熔炼炉的炉室中的熔炼坩埚，所述熔炼坩埚包括水冷铜坩埚和套装在所述水冷铜坩埚外周的石墨环，其中，所述水冷铜坩埚具有熔炼腔并且所述熔炼腔呈半球形。上述方法采用上述有效去除铀金属中杂质的装置进行，并且所述方法包括装炉、预热、熔炼、出炉等多个步骤，最终制得低杂质铀锭。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及铀金属提纯的
，更具体地讲，涉及一种有效去除铀金属中杂质的装置和方法。
技术介绍
铀及其合金由于其独特的物理化学性质使其在航空航天、能源、医学等领域中发挥越来越重要的作用。在能源方面，核能成为我国应对能源危机的重要解决方案之一，通过对核材料的深入研究成为支撑我国核能发展的重要保障。然而铀及其合金中的杂质元素会直接影响铀金属的性能，造成材料利用率低、性能不稳定、腐蚀加剧等现象。可查阅的大多数文献对铀及其合金的精炼提纯技术没有详细介绍，制备出的铀及铀合金存在杂质浓度高，性能不稳定等现象。目前，熔铸法是制备金属型核燃料的首选工艺，但一般的真空感应或电弧熔炼法受原料纯净度限制，且容易新引入杂质，已无法满足更高纯度铀金属的需求。与真空感应熔炼等方法相比，电子束熔炼具有过热度高、真空度高、熔炼时间可控、无坩埚污染等特点。目前电子束熔炼主要针对钨、钼、钽、铌、锆、硅等金属。高温、低压条件为铀金属的脱气、夹杂物分解及上浮、元素挥发等物理化学过程创造了良好的热力学和动力学条件，从而可获得高纯铀金属。虽然已有关于电子束熔炼铀金属的相关研究，但并没有精炼提纯工艺的详细报道，真空感应熔炼法制备的金属型核燃料中杂质含量较高，采用电子束精炼有望大幅降低杂质含量，提升合金质量，然而暂并未有相关研究。铀金属的电子束精炼提纯不同于常规金属，由于材料的特殊性亟需开发一种工艺周期短、杂质去除性强、产出投入比高的提纯装置和方法。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种工艺周期短、杂质去除性强、产出投入比高的有效去除铀金属中杂质的装置和方法。本专利技术的一方面提供了一种有效去除铀金属中杂质的装置，所述装置包括电子束熔炼炉和设置在所述电子束熔炼炉的炉室中的熔炼坩埚，所述熔炼坩埚包括水冷铜坩埚和套装在所述水冷铜坩埚外周的石墨环，其中，所述水冷铜坩埚具有熔炼腔并且所述熔炼腔呈半球形。根据本专利技术有效去除铀金属中杂质的装置的一个实施例，所述熔炼腔的深度为熔炼腔的半径的0.4～0.8倍，所述熔炼腔的内表面经抛光处理且表面粗糙度达到Ra 0.8，所述水冷铜坩埚的高度为熔炼腔的深度的1.5～2.5倍，所述水冷铜坩埚的外径与熔炼腔的直径的差值为20～50mm。根据本专利技术有效去除铀金属中杂质的装置的一个实施例，所述水冷铜坩埚具有圆柱体的外形，所述石墨环包括若干层在高度方向上叠置的石墨圈并且所述石墨环高出水冷铜坩埚的上沿20～50mm，所述石墨圈由两个以上的扇形石墨块拼接而成，不同层石墨圈之间的扇形石墨块错位布置。根据本专利技术有效去除铀金属中杂质的装置的一个实施例，所述石墨环的厚度为20～50mm，所述石墨环的内径与水冷铜坩埚的外径相同，所述石墨环的外径为石墨环的内径的2～5倍，所述石墨环的灰分含量不大于0.08％且气孔率不大于22％。本专利技术的另一方面提供了一种有效去除铀金属中杂质的方法，采用上述有效去除铀金属中杂质的装置进行，并且所述方法包括以下步骤：A、装炉：将铀金属原料清洗后装入所述水冷铜坩埚的熔炼腔中并在水冷铜坩埚的外周套装石墨环；B、预热：将电子束熔炼炉抽真空，在真空条件下开启电子枪的高压和束流，调节电子枪功率和电子束的束斑直径并将电子束扫描铀金属原料表面进行预热，保持铀金属原料不被电子束熔化；C、熔炼：逐步增加电子枪功率，待铀金属原料完全熔化后稳定电子枪功率并保温，保温结束后缓慢降低电子枪功率并停止电子束轰击；D、出炉：向电子束熔炼炉中通入干洁空气并置换炉内气氛，待铀金属原料降温至室温后取出得到一次铀锭，去除所述一次铀锭的上端面表皮得到低杂质铀锭。根据本专利技术有效去除铀金属中杂质的方法的一个实施例，所述方法还包括将所述低杂质铀锭底端朝上重新装炉并重复步骤A至D直至获得二次铀锭或多次铀锭的提纯步骤，去除所述二次铀锭或多次铀锭的上端面表皮和下端面表皮，得到更低杂质铀锭，其中，去除所述二次铀锭或多次铀锭的上端面表皮和下端面表皮各1～5mm。根据本专利技术有效去除铀金属中杂质的方法的一个实施例，抽真空后，控制炉室真空度达到5×10-2Pa且电子枪室真空度达到2×10-3Pa；在熔炼过程中，将炉室真空度保持在10-2～10-3Pa级且电子枪室真空度保持在10-3～10-4Pa级。根据本专利技术有效去除铀金属中杂质的方法的一个实施例，在步骤B中，以1～5kW/min的提升速率调节电子枪功率到10～30kW，并调整电子束的束斑直径使其与铀金属原料的边缘相切，均匀扫描铀金属原料表面并控制预热时间为2～5min。根据本专利技术有效去除铀金属中杂质的方法的一个实施例，在步骤C中，先控制电子枪功率(kW)与熔炼腔的半径(mm)的比值为1:1～2:1，待铀金属原料完全熔化后继续升高电子枪功率并控制电子枪功率(kW)与熔炼腔的半径(mm)的比值为3:1～4:1，保持2～10min后降低电子枪功率并调整电子枪功率(kW)与熔炼腔的半径(mm)的比值至2:1～3:1后，保温20～40min后以5～20kW/min的速率降低电子枪功率直至停止电子束轰击，其中，控制电子束的束斑直径为R/4～3R/4，R为水冷铜坩埚的熔炼腔的半径。根据本专利技术有效去除铀金属中杂质的方法的一个实施例，在步骤D中，打开放气阀并向炉室内通入干洁空气，待炉室真空度为2～8×103Pa后开启真空泵抽真空，待炉室真空度为50～80Pa后重新打开放气阀并继续向炉室内通入干洁空气，反复2～4次后开炉取出一次铀锭，去除所述一次铀锭的上端面表皮1～5mm。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)除杂效率较高：本专利技术采用电子束过热熔炼来去除铀金属中的杂质，两次熔炼即可显著地减少杂质含量，缩短工艺时间并降低生产成本。其相比传统提纯工艺可减少工序2步以上，经过电子束熔炼提纯可降低铀中杂质70％以上，工艺重复性好、技术稳定性较高、材料的利用率高且各部分成分较均匀。(2)应用面较广：本专利技术中的装置由水冷铜坩埚及石墨环组成，可根据实际情况配置不同直径多种规格的水冷铜坩埚及石墨环。利用本专利技术装置提高了铀熔体的流动性并改善了熔炼温度场，对纯化效果具有较大增益，不仅可满足铀金属的不同提纯要求，也适用于其它金属的提纯。附图说明图1示出了根据本专利技术示例性实施例的有效去除铀金属中杂质的装置中水冷铜坩埚的结构示意图，图1中未示出水冷铜坩埚中的环形冷却水通道。其中，φ1为水冷铜坩埚的熔炼腔直径，φ2为水冷铜坩埚的外径，H1为水冷铜坩埚的熔炼腔深度，H2为水冷铜坩埚的高度。图2示出了根据本专利技术示例性实施例的有效去除铀金属中杂质的装置中石墨环的结构示意图。其中，R2为石墨环的内环半径，R3为石墨环的外环半径。图3a和图3b分别示出了示例1中对铀金属原料采用本专利技术的有效去除铀金属中杂质的装置和方法熔炼前的微观组织图和熔炼后的微观组织图。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。本专利技术实际上是采用电子束熔炼本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述装置包括电子束熔炼炉和设置在所述电子束熔炼炉的炉室中的熔炼坩埚，所述熔炼坩埚包括水冷铜坩埚和套装在所述水冷铜坩埚外周的石墨环，其中，所述水冷铜坩埚具有熔炼腔并且所述熔炼腔呈半球形。
【技术特征摘要】
1.一种有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述装置包括电子束熔炼炉和设置在所述电子束熔炼炉的炉室中的熔炼坩埚，所述熔炼坩埚包括水冷铜坩埚和套装在所述水冷铜坩埚外周的石墨环，其中，所述水冷铜坩埚具有熔炼腔并且所述熔炼腔呈半球形。2.根据权利要求1所述的有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述熔炼腔的深度为熔炼腔的半径的0.4～0.8倍，所述熔炼腔的内表面经抛光处理且表面粗糙度达到Ra 0.8，所述水冷铜坩埚的高度为熔炼腔的深度的1.5～2.5倍，所述水冷铜坩埚的外径与熔炼腔的直径的差值为20～50mm。3.根据权利要求1所述的有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述水冷铜坩埚具有圆柱体的外形，所述石墨环包括若干层在高度方向上叠置的石墨圈并且所述石墨环高出水冷铜坩埚的上沿20～50mm，所述石墨圈由两个以上的扇形石墨块拼接而成，不同层石墨圈之间的扇形石墨块错位布置。4.根据权利要求3所述的有效去除铀金属中杂质的装置，其特征在于，所述石墨环的厚度为20～50mm，所述石墨环的内径与水冷铜坩埚的外径相同，所述石墨环的外径为石墨环的内径的2～5倍，所述石墨环的灰分含量不大于0.08％且气孔率不大于22％。5.一种有效去除铀金属中杂质的方法，其特征在于，采用权利要求1至4中任一项所述的有效去除铀金属中杂质的装置进行，并且所述方法包括以下步骤：A、装炉：将铀金属原料清洗后装入所述水冷铜坩埚的熔炼腔中并在水冷铜坩埚的外周套装石墨环；B、预热：将电子束熔炼炉抽真空，在真空条件下开启电子枪的高压和束流，调节电子枪功率和电子束的束斑直径并将电子束扫描铀金属原料表面进行
\t预热，保持铀金属原料不被电子束熔化；C、熔炼：逐步增加电子枪功率，待铀金属原料完全熔化后稳定电子枪功率并保温，保温结束后缓慢降低电子枪功率并停止电子束轰击；D、出炉：向电子束熔炼炉中通入干洁空气并置换炉内气氛，待铀金属原料降温至室温后取出得到一次铀锭，去除所述一次铀锭的上端面...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈道明，李鱼飞，苏斌，胡贵超，魏怡芸，马荣，阳家文，曾刚，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51
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