一种利用氧化铀制备金属铀的方法技术

本发明专利技术属于化工冶金技术领域，涉及一种利用氧化铀制备金属铀的方法。所述的方法包括如下步骤：(1)将氧化铀、碳和粘结剂混匀后压制成具有一定形状特征的混合团块；(2)将所述的混合团块在真空反应炉内进行真空还原反应，制成具有金属导电性能的碳氧铀中间体UC

【技术实现步骤摘要】
一种利用氧化铀制备金属铀的方法
本专利技术属于化工冶金
，涉及一种利用氧化铀制备金属铀的方法。
技术介绍
乏燃料的后处理主要有湿法和干法两条处理路线，其中干法后处理在处理燃耗高的乏燃料时具有优势。典型的干法后处理技术是以美国为代表而开发的以金属燃料作为处理对象的电解精炼流程，和以俄罗斯为代表而开发的以氧化物燃料作为处理对象的氧化物电沉积流程，其中电解精炼技术是目前最具应用前景的干法后处理技术。为了将该技术适用于目前快堆和轻水堆广泛使用的氧化物乏燃料，需要先将氧化物乏燃料转化为金属。氧化物乏燃料的主要成分为氧化铀，将氧化铀转化为金属的干法后处理技术主要有金属热还原和熔盐电化学还原两种。其中，金属热还原是用Li、Ca等活泼金属去置换铀，但生成的氧化物(Li2O、CaO)会覆盖在氧化铀表面阻止置换反应的进一步进行，需要大量的熔盐去溶解掉氧化层才能保证反应持续进行，同时也产生大量废盐，目前该项技术国外基本停止研究。因此，国外主要开发的是熔盐电化学还原技术，并已经有许多研究和成功的应用。熔盐电化学还原是将氧化铀作为阴极，铂作为阳极，在高温LiCl-Li2O熔盐中进行电解还原，最终得到粗铀金属单质，再经过电解精炼即可得到比较纯的金属铀。但从目前的研究现状上看，将氧化铀作为阴极的电解还原过程存在一体化阴极制备工艺复杂、铂阳极材料成本高、铀还原率不高等致命问题。因此，现有的氧化铀还原制备金属铀的技术有待进一步改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用氧化铀制备金属铀的方法，以能够工艺简单、成本低、铀还原率高的利用氧化铀制备金属铀。为实现此目的，在基础的实施方案中，本专利技术提供一种利用氧化铀制备金属铀的方法，所述的方法包括如下步骤：(1)将氧化铀、碳和粘结剂混匀后压制成具有一定形状特征的混合团块；(2)将所述的混合团块在真空反应炉内进行真空还原反应，制成具有金属导电性能的碳氧铀中间体UCxO1-x，其中0≤x≤1；(3)将所述的碳氧铀中间体UCxO1-x作为阳极，金属材料作为阴极，在惰性气氛保护下的熔盐中进行电解反应，收集阴极电解产物为金属铀产品。本专利技术的相关原理如下。(1)将氧化铀、碳和粘结剂进行配料混合后得到混合物料氧化铀的主要成分可以是二氧化铀UO2、八氧化三铀U3O8和三氧化铀UO3的一种或混合。其中二氧化铀UO2是核反应乏燃料的主要成分，而八氧化三铀U3O8和三氧化铀UO3则是核反应乏燃料后处理工艺中将二氧化铀UO2经过高温氧化挥发后得到的高价氧化铀产物。将氧化铀、碳和粘结剂进行配料混合，从而得到混合物料。专利技术人发现，氧化铀和碳自身的成型条件不好，通过向氧化铀和碳中加入粘结剂，可以帮助氧化铀和碳在后续工序中成型。粘结剂可以是聚乙二醇溶液、PVB树脂和聚乙烯醇溶液中的一种或混合。专利技术人发现，该类粘结剂可以显著提高后续混合团块的强度，从而满足后续电解工作阳极材料的强度要求。氧化铀、碳和粘结剂的混合配比并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本专利技术的具体实施例，氧化铀、碳和粘结剂的混合配比可以按照氧化铀和碳按摩尔计量比1：(1-10)进行配料，然后再加入二者总质量5-20％的粘结剂。需要说明的是，碳的配入量直接影响最终产物UCxO1-x(0≤x≤1)中x的取值，也就是碳氧铀中碳的含量。专利技术人发现，碳的配入量过少时，不会有UCxO1-x(0≤x≤1)中间体的形成，只会发生高价氧化铀的部分还原，碳会以CO或CO2形式逸出而不会在氧化铀的晶格中；碳的配入量过多时，最终产物是UC和未参与反应的碳，造成原料和能量的浪费。同时粘结剂作为辅助材料，添加过少或过多均达不到较优的效果，而添加量过多还造成成本负担。氧化铀、碳的粒径并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本专利技术的具体实施例，氧化铀、碳的粒径不大于0.074微米。由此，专利技术人发现，该粒径范围的物料可以充分混合，从而可以显著增加氧化铀和碳间的接触面积，促进还原反应进行和碳氧铀中间体的形成。(2)将混合物料在一定压力下进行成型处理得到混合团块将混合物料进行成型处理主要是为了得到具有一定强度的混合团块，保证氧化铀和碳的充分接触，以便后续的真空还原顺利进行。压力成型的条件并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本专利技术的具体实施例，成型压力为10-100MPa。由此，专利技术人发现该范围的成型压力得到的混合团块的强度好，可以满足后续工序要求。(3)将混合团块进行真空高温反应处理得到碳氧铀中间体UCxO1-x将混合团块在高温真空炉内进行真空高温反应处理得到碳氧铀中间体UCxO1-x(0≤x≤1)，UCxO1-x可以看成是UO和UC的固溶体，并且导电性良好，可以直接作为阳极进行电解。真空高温反应的条件并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本专利技术的具体实施例，真空还原反应的条件具体为：还原温度1200-1800℃，真空度10-100Pa，反应时间1-6h。由此，可以利用氧化铀和碳制备出导电性良好的碳氧铀中间体UCxO1-x。需要说明的是，还原温度过低或真空度过低时，氧化铀和碳不会发生还原反应或者反应不充分；还原温度过高或真空度过高时，氧化铀和碳的还原反应进行的充分，但是会造成能量的浪费。反应时间过长或过短也达不到最优的效果。氧化铀的真空还原反应可以包括下列反应：UO2+(1+2x)C＝(1+x)CO+UCxO1-x(0≤x≤1)U3O8+(5+6x)C＝(5+3x)CO+3UCxO1-x(0≤x≤1)UO3+2(1+x)C＝(2+x)CO+UCxO1-x(0≤x≤1)碳氧铀中间体UCxO1-x的电阻率不高于10Ω.m，由此，得到的碳氧铀中间体UCxO1-x的导电性良好，可以作为电解的电极材料。(4)将碳氧铀中间体UCxO1-x作为阳极进行熔盐电解得到金属铀将碳氧铀中间体UCxO1-x作为阳极，阴极采用金属材料，在惰性气氛保护下的熔盐中进行电解，电解结束后收集阴极产物为金属铀产品。熔盐电解的阴极选用金属材料，金属材料的选择并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本专利技术的具体实施例，阴极采用的金属材料为碳钢、钼、钨和/或镍。由此，可以实现电解过程中产生的金属铀在阴极沉积。熔盐电解选用的熔盐为碱金属或碱土金属卤化物熔盐体系，优选氟化物或氯化物，更优选氯化物。熔盐电解的条件包括：电解温度为500-1000℃，电解时的电流密度范围分别为：阳极0.04-1.00A/cm2，阴极0.06-1.00A/cm2。UCxO1-x中间体的熔盐电解反应可以包括以下反应：阳极反应：UCxO1-x→Un++CO+CO2+ne(0≤x≤1，n＝2或3)阴极反应：Un++ne→U阴极产物的处理还可包括：将阴极产物常温取下，用去离子水或乙醇洗去金属铀表面的熔盐，可以保证铀产品更纯净。在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用氧化铀制备金属铀的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：/n(1)将氧化铀、碳和粘结剂混匀后压制成具有一定形状特征的混合团块；/n(2)将所述的混合团块在真空反应炉内进行真空还原反应，制成具有金属导电性能的碳氧铀中间体UC

【技术特征摘要】
1.一种利用氧化铀制备金属铀的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
(1)将氧化铀、碳和粘结剂混匀后压制成具有一定形状特征的混合团块；
(2)将所述的混合团块在真空反应炉内进行真空还原反应，制成具有金属导电性能的碳氧铀中间体UCxO1-x，其中0≤x≤1；
(3)将所述的碳氧铀中间体UCxO1-x作为阳极，金属材料作为阴极，在惰性气氛保护下的熔盐中进行电解反应，收集阴极电解产物为金属铀产品。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的氧化铀为二氧化铀、八氧化三铀、三氧化铀中的一种或几种。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的粘结剂为聚乙二醇、PVB树脂、聚乙烯醇中的一种或几种。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，氧化铀和碳的平均粒度为0.001-0.074μm。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，氧化铀和碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋文臣，林如山，何辉，叶国安，孟照凯，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11