采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法技术

本发明专利技术属于核燃料制备技术领域，涉及采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法。所述的制备方法包括如下步骤：(1)向硝酸铀酰溶液中加入氧化石墨烯，混合均匀后加入氨水，获得含有氧化石墨烯的重铀酸铵沉淀；(2)过滤沉淀，滤饼经烘干、粉碎、筛分，得到重铀酸铵

【技术实现步骤摘要】
采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法


[0001]本专利技术属于核燃料制备
，涉及采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法。

技术介绍

[0002]目前国际上普遍采用陶瓷二氧化铀芯块作为反应堆燃料。陶瓷二氧化铀具有很多优点，例如良好的核物理特性、辐照稳定性好、熔点高达2800℃、熔点以内只有一种结晶形态、各向同性。但是陶瓷二氧化铀导热系数仅为金属铀的十几分之一，并且导热系数随温度的上升而下降。而在堆芯温度下，若芯块向冷却剂传热不畅，易引起芯块局部过热，导致包壳肿胀破裂。
[0003]为了提高燃料芯块导热性能，提升核反应堆安全性、经济性，各国都在研发新型先进燃料，例如UC燃料、U3N2燃料等非氧化物燃料；金属Mo
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UO2、金刚石
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UO2等复合燃料；或掺杂氧化铍、乙炔黑的UO2燃料等，在现有UO2燃料基础上掺杂改性。
[0004]石墨烯是由碳原子SP2杂化方式形成的单原子层石墨，由于其具有离域的π键，故具有非常好的热传导性能，导热系数高达5300W/mK。因此在UO2芯块中掺杂石墨烯有望提高其导热性能。但是石墨烯和UO2的密度以及其它物性相差很大，导致石墨烯很难均匀掺杂进UO2芯块中(国外相关研究主要采用物理混合与放电等离子烧结工艺，存在均匀度和生产效率低等问题；国内报道了采用石墨烯掺杂UO2芯块，在混料时需要采用超声分散。但是石墨烯极易出现偏析、团聚问题，会影响粉料的均匀性，故直接采用石墨烯来制备均匀掺杂的UO2芯块很困难)。
专利
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，以能够制备得到高导热性的新型复合燃料芯块，从而提高核反应堆运行时的安全性。
[0006]为实现此目的，在基础的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，所述的制备方法包括如下步骤：
[0007](1)向硝酸铀酰溶液中加入氧化石墨烯，混合均匀后加入氨水，获得含有氧化石墨烯的重铀酸铵沉淀；
[0008](2)过滤步骤(1)得到的沉淀，滤饼经烘干、粉碎、筛分，得到重铀酸铵
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氧化石墨烯复合物；
[0009](3)将步骤(2)得到的重铀酸铵
‑
氧化石墨烯复合物煅烧后再在氢气还原气氛下进一步进行加热处理，获得二氧化铀粉末；
[0010](4)将步骤(3)得到的二氧化铀粉末装入模具冷压成型，脱模，得到生坯；
[0011](5)将步骤(4)得到的生坯在还原性气氛下进行烧结，得到二氧化铀复合燃料芯块。
[0012]在一种优选的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃
料芯块的方法，其中步骤(1)中，所述的硝酸铀酰溶液的浓度为300
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500g/L，所述的氨水的浓度为10
‑
14mol/L，加入过量所述的氨水使溶液的pH为10
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12。
[0013]在一种优选的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，其中步骤(1)中，所述的氧化石墨烯为溶液、粉体或悬浮液。
[0014]在一种优选的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，其中步骤(2)中，所述的烘干为真空干燥箱中烘干。
[0015]在一种优选的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，其中步骤(2)中，得到重铀酸铵
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氧化石墨烯复合物的平均粒径为0.1
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10μm。
[0016]在一种优选的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，其中步骤(3)中，所述的煅烧的温度为300
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550℃，时间为1
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4h。
[0017]在一种优选的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，其中步骤(3)中，所述的加热处理的温度为600
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700℃，时间为20
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30min。
[0018]在一种优选的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，其中步骤(4)中，所述的冷压成型的压力为10
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17kN，保压时间为10
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30s。
[0019]在一种优选的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，其中步骤(5)中，所述的还原性气氛中氢气与氩气的体积比为0.1
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6:94。
[0020]在一种优选的实施方案中，本专利技术提供采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，其中步骤(5)中，所述的烧结的温度为1600
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1800℃，时间为1
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5h。
[0021]本专利技术的有益效果在于，利用本专利技术的采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，能够制备得到高导热性的新型复合燃料芯块，从而提高核反应堆运行时的安全性。
[0022]氧化石墨烯表面含有大量亲水性含氧官能团(例如羟基、羧基、环氧等功能团)，改善了石墨烯亲水性，获得了较好的润湿性和表面活性，能够均匀分散在水溶液中。在硝酸铀酰中加入氨水形成重铀酸铵的过程中，氧化石墨烯均匀悬浮在溶液中，作为晶核与重铀酸铵以共沉淀的方式从溶液中析出，获得均匀分散的重铀酸铵
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氧化石墨烯粉料，经还原
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压制
‑
烧结后，能够通过高温还原生成单层还原氧化石墨烯，获得了石墨烯均匀掺杂的UO2芯块，提高了复合燃料芯块的热导率。
[0023]本专利技术的有益效果具体体现在：
[0024](1)本专利技术采用氧化石墨烯而不是石墨烯进行掺杂。商业石墨烯生产广泛采用氧化还原法，将石墨氧化并分散为氧化石墨烯，然后进一步还原成石墨烯。因此采用氧化石墨烯相比于石墨烯，可以大幅降低原材料成本；同时氧化石墨烯表面富含有氧的功能团，容易均匀分散在水溶液中，易于制备均匀混合的前驱体。
[0025](2)本专利技术采用氧化石墨烯与硝酸铀酰的水溶液混合，然后通过加入氨水使氧化石墨烯同铀以重铀酸铵的形式共沉淀，而不是将氧化石墨烯与UO2或U3O8粉体混合，这样可以达到分子尺度的均匀混合。
[0026](3)本专利技术的掺杂了2
‑
5％体积比的氧化石墨烯的二氧化铀芯块，其成型性、外观与常规二氧化铀芯块无异，密度达到95％理论密度；在1000℃时，其导热系数比常规二氧化铀芯块有显著提高。
具体实施方式
[0027]以下通过实施例对本专利技术的具体实施方式作出进一步的说明。
[0028]实施例1：二氧化铀复合燃料芯块的制备
[0029](1)取180mL浓度为500g/L的硝酸铀酰溶液，酸度为1.5mol/L HNO3，向其中加入40g含量为1％(m/m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.采用氧化石墨烯掺杂制备二氧化铀复合燃料芯块的方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：(1)向硝酸铀酰溶液中加入氧化石墨烯，混合均匀后加入氨水，获得含有氧化石墨烯的重铀酸铵沉淀；(2)过滤步骤(1)得到的沉淀，滤饼经烘干、粉碎、筛分，得到重铀酸铵
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氧化石墨烯复合物；(3)将步骤(2)得到的重铀酸铵
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氧化石墨烯复合物煅烧后再在氢气还原气氛下进一步进行加热处理，获得二氧化铀粉末；(4)将步骤(3)得到的二氧化铀粉末装入模具冷压成型，脱模，得到生坯；(5)将步骤(4)得到的生坯在还原性气氛下进行烧结，得到二氧化铀复合燃料芯块。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的硝酸铀酰溶液的浓度为300
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500g/L，所述的氨水的浓度为10
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14mol/L，加入过量所述的氨水使溶液的pH为10
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12。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的氧化石墨烯为溶液、粉体或悬浮液。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的烘干为真...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱礼洋，张燕，杨志红，杨素亮，田国新，杜江平，冯海宁，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：