一种UO2微球合成方法技术

本发明专利技术公开了一种UO2微球合成方法。利用水热法，将醋酸铀酰溶解到去离子水、丙酮和乙酰丙酮的混合溶液中，在200℃反应7‑20小时，可以获得UO2微球。该方法可制备出具有纳米晶和封闭孔的UO2微球，UO2微球结晶性好、形貌可调，直径范围为1μm~3μm，表面的纳米晶尺寸范围为50nm‑300nm，内部有封闭孔，这种结构与高燃耗结构极其接近，可应用于未来的核燃料中。高燃耗结构是核燃料在达到很高燃耗下形成的，由200nm‑300nm的UO2晶粒和封闭孔组成，纳米晶有利于提高核燃料的抗辐照损伤能力，封闭孔可以增强保留裂变气体的能力，提高核燃料的安全性，延长核燃料的服役时间，从而提高经济性。通过调节实验条件，该方法还可获得其他形貌的UO2微球应用于催化剂和半导体等领域。

A Method for the Synthesis of UO2 Microspheres

The invention discloses a method for synthesizing UO2 microspheres. UO 2 microspheres can be obtained by dissolving uranyl acetate into a mixture of deionized water, acetone and acetylacetone by hydrothermal method and reacting at 200 C for 7 to 20 hours. UO_2 microspheres with nanocrystalline and closed pore can be prepared by this method. UO_2 microspheres have good crystallinity and adjustable morphology. The diameter of UO_2 microspheres ranges from 1 micron to 3 micron. The size of nanocrystals on the surface ranges from 50 to 300 nanometers. There are closed holes in the surface. This structure is very close to the high burnup structure and can be used in future nuclear fuels. The high burnup structure is formed by the high burnup of nuclear fuel. It consists of UO2 grains and closed holes at 200-300 nm. The nanocrystals are beneficial to improving the radiation damage resistance of nuclear fuel. The closed holes can enhance the ability to retain fissile gases, improve the safety of nuclear fuel, prolong the service time of nuclear fuel, and thus improve the economy of nuclear fuel. By adjusting the experimental conditions, other morphologies of UO2 microspheres can be obtained and applied to catalysts and semiconductors.

【技术实现步骤摘要】
一种UO2微球合成方法
本专利技术属于纳米材料制备领域，具体涉及一种UO2微球合成方法。
技术介绍
核能，作为一种清洁能源，已经成功地使用了几十年。现在在役的核反应堆堆型主要是压水堆，其利用的是陶瓷UO2作为芯块。这种燃料是以235U丰度3%~5%的UO2粉末烧结而成。但是现在的UO2陶瓷核燃料燃耗比较低，卸料的时候铀利用率不足1%，影响反应堆运行的安全性。主要原因是反应堆内部条件恶劣。UO2陶瓷芯块在使用过程中，在高温、强辐照等恶劣条件下会出现肿胀，破裂，裂变气体释放，导致核燃料与包壳相互作用增强，裂变气体腐蚀包壳，包壳内部压力增大，变型甚至破裂，进而影响核反应堆运行的安全性。近些年的研究发现，核燃料芯块的燃耗并不均匀，边缘区域的燃耗能够达到平均燃耗的2-3倍。在高燃耗区域，燃料的微观结构会发生了变化，原始5μm-20μm的晶粒逐渐细化成了200nm-300nm的晶粒，同时出现了封闭的孔结构。研究发现，这种纳米晶和封闭孔的结构，可以有效地提高核燃料的抗辐照损伤能力，改善塑性，增强裂变气体的保留能力，有利于核燃料的燃耗加深。除此之外，UO2还能被用作催化剂，半导体，热电材料和屏蔽材料等。材料的性能与材料的形貌、结构、尺寸和成分等具有紧密的相关性。特殊的形貌可能给材料的性质带来突破性的改变。中国专利文献库公开了专利技术名称为《一种氧化铀纳米晶的可控合成方法》（CN201810187711.2），该方法实现了UO2纳米晶的成分和形貌控制。但是该方法得到的是单分散的纳米晶，而且不具有封闭孔结构，对于实现包容裂变产物还比较困难。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种UO2微球合成方法。本专利技术的UO2微球合成方法，其特点是，包括以下步骤：a.在电磁搅拌下，将铀酰盐溶解到去离子水中；b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中，获得溶液A；c.在溶液A中加入氨水，调节至碱性，获得溶液B；d.将溶液B转移至水热釜中，在200℃下反应7h-20h后，自然冷却至室温，获得溶液C；e.将溶液C中的固体沉淀进行离心分离得到固体D，用乙醇和丙酮洗涤固体D，得到所需。步骤a中的铀酰盐为醋酸铀酰或硝酸铀酰中的一种。步骤b中的乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中丙酮的体积百分比范围为20%-80%；当丙酮的体积百分比小于等于50%时，加入乙醇，乙醇的体积为乙酰丙酮与丙酮的混合溶液总体积的30%。步骤c中溶液B的pH值范围为8.0~12.0。本专利技术的UO2微球合成方法制备的UO2微球结晶性好、形貌可调，直径范围为1μm~3μm，UO2微球的表面具有纳米晶，纳米晶尺寸范围为50nm-300nm。本专利技术的制备方法可制备出具有纳米晶和内部有封闭孔的UO2微球，其结构特征与高燃耗结构特征一致。高燃耗结构是核燃料在达到很高燃耗下形成的，由200nm-300nm的UO2晶粒和封闭孔组成，纳米晶有利于提高核燃料的抗辐照损伤能力，封闭孔可以增强保留裂变气体的能力，提高核燃料的安全性，延长核燃料的服役时间，从而提高经济性。因此，本专利技术的UO2微球合成方法制备的具有纳米晶和封闭孔的UO2微球能够应用于未来的核燃料系统中。利用同一种方法，通过调节实验参数，还可以制备不同结构的UO2微纳颗粒，如:(1)单分散UO2亚微米级多面体晶颗粒，无二级结构;(2)表面具有纳米晶，但中心为实心的二级结构UO2微米级颗粒;(3)表面具有纳米晶并且中心具有封闭孔的二级结构UO2微米球，这些UO2微纳颗粒还可应用于催化剂和半导体等领域。附图说明图1为本专利技术的UO2微球合成方法制备的具有纳米晶和封闭孔的UO2微球电镜照片；图2为本专利技术的UO2微球合成方法制备的具有纳米晶和封闭孔的UO2微球剖面电镜照片。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的实施方式包括但不限于以下实例。本专利技术的UO2微球合成方法，其特点是，包括以下步骤：a.在电磁搅拌下，将铀酰盐溶解到去离子水中；b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中，获得溶液A；c.在溶液A中加入氨水，调节至碱性，获得溶液B；d.将溶液B转移至水热釜中，在200℃下反应7h-20h后，自然冷却至室温，获得溶液C；e.将溶液C中的固体沉淀进行离心分离得到固体D，用乙醇和丙酮洗涤固体D，得到所需。步骤a中的铀酰盐为醋酸铀酰或硝酸铀酰中的一种。步骤b中的乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中丙酮的体积百分比范围为20%-80%；当丙酮的体积百分比小于等于50%时，加入乙醇，乙醇的体积为乙酰丙酮与丙酮的混合溶液总体积的30%。步骤c中溶液B的pH值范围为8.0~12.0。实施例1本实施例的实施过程如下：a.在电磁搅拌下，将100mg醋酸铀酰溶解到5mL去离子水中；b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（8mL），丙酮（2mL）和乙醇（3mL）的混合溶液中，获得溶液A；c.在溶液A中加入0.5mL氨水，调节至碱性，获得pH值范围为8.0~12.0的溶液B；d.将溶液B转移至水热釜中，在200℃下反应7h后，自然冷却至室温，获得溶液C；e.将溶液C中的固体沉淀进行离心分离得到固体D，用乙醇和丙酮洗涤固体D，得到所需。用XRD可以识别本实施例的产物的相为纯净的UO2，如图1、2所示，形貌为表面具丰富纳米晶，中心包含封闭孔的微球。实施例2本实施例的实施过程如下：a.在电磁搅拌下，将100mg硝酸铀酰溶解到5mL去离子水中；b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（8mL），丙酮（2mL）和乙醇（3mL）的混合溶液中，获得溶液A；c.在溶液A中加入1mL氨水，调节至碱性，获得pH值范围为8.0~12.0的溶液B；d.将溶液B转移至水热釜中，在200℃下反应12h后，自然冷却至室温，获得溶液C；e.将溶液C中的固体沉淀进行离心分离得到固体D，用乙醇和丙酮洗涤固体D，得到所需。用XRD可以识别本实施例的产物的相为纯净的UO2，形貌为表面具丰富纳米晶，中心包含封闭孔的微球。实施例3本实施例的实施过程如下：a.在电磁搅拌下，将100mg醋酸铀酰溶解到5mL去离子水中；b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（6mL），丙酮（4mL）和乙醇（3mL）的混合溶液中，获得溶液A；c.在溶液A中加入0.5mL氨水，调节至碱性，获得pH值范围为8.0~12.0的溶液B；d.将溶液B转移至水热釜中，在200℃下反应20h后，自然冷却至室温，获得溶液C；e.将溶液C中的固体沉淀进行离心分离得到固体D，用乙醇和丙酮洗涤固体D，得到所需。用XRD可以识别本实施例的产物的相为纯净的UO2，形貌为表面具丰富纳米晶，中心包含封闭孔的微球。实施例4本实施例的实施过程如下：a.在电磁搅拌下，将100mg硝酸铀酰溶解到5mL去离子水中；b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（2mL）和丙酮（8mL）的混合溶液中，获得溶液A；c.在溶液A中加入0.5mL氨水，调节至碱性，获得pH值范围为8.0~12.0的溶液B；d.将溶液B转移至水热釜中，在200℃下反应20h后，自然冷却至室温，获得溶液C；e.将溶液C中的固体沉淀进行离心分离得到固体D，用乙醇和丙酮洗涤固体D，得到所需。用XR本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种UO2微球合成方法，其特征在于，包括以下步骤：a.在电磁搅拌下，将铀酰盐溶解到去离子水中；b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中，获得溶液A；c.在溶液A中加入氨水，调节至碱性，获得溶液B；d.将溶液B转移至水热釜中，在200℃下反应7 h ‑20h后，自然冷却至室温，获得溶液C；e.将溶液C中的固体沉淀进行离心分离得到固体D，用乙醇和丙酮洗涤固体D，得到所需。

【技术特征摘要】
1.一种UO2微球合成方法，其特征在于，包括以下步骤：a.在电磁搅拌下，将铀酰盐溶解到去离子水中；b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中，获得溶液A；c.在溶液A中加入氨水，调节至碱性，获得溶液B；d.将溶液B转移至水热釜中，在200℃下反应7h-20h后，自然冷却至室温，获得溶液C；e.将溶液C中的固体沉淀进行离心分离得到固体D，用乙醇和丙酮洗涤固体D，得到所需。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：严强，彭述明，毛义武，周晓松，梁建华，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院核物理与化学研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51