大直径UO_2球球形度与尺寸的控制方法

在溶胶凝胶法制备尺寸范围为2~3 mm、球形度≤1.10的大直径UO2球过程中,对影响UO2球的球形度以及球尺寸的因素进行了试验研究,其中影响UO2球的球形度的因素包括胶凝介质、表面活性剂、胶凝温度和溶胶密度;影响UO2球尺寸的因素包括分散头与载带流液面间的距离、载带流流量及流动稳定性和溶胶流量。最终确立了最佳工艺参数,经过试验验证,制得UO2球尺寸在2~3 mm范围内合格率达到93%以上,球形度小于1.1的比例平均达到89%以上,满足球型反应堆UO2技术要求。

溶胶凝胶法制造UO_2燃料微球的流体力学计算

利用伯努利方程建立了在外胶凝工艺中喷嘴射流速度与压力罐液面高度、喷嘴射流速度与液面压强的关系式,并使用该关系式进行计算,结果表明:管道中整个流动过程是层流;液面高度对射流速度的影响非常小;由液面高度所造成的UO2微球直径的最大偏差远小于微球的控制偏差。

掺钛UO_2微球烧结行为研究

采用溶胶-凝胶方法制备掺钛UO2微球,并通过金相显微镜、扫描电镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）等观察掺钛微球的微观组织、气孔分布、晶粒大小、钛元素分布以及用水浸渍法测量其密度。实验结果表明：在一定烧结温度下,掺入少量钛可明显提高烧结性能。在实验条件下,最佳掺钛量为0.3%（质量分数）以内、烧结温度为1250~1350℃。研究了活化烧结机制,得出其物质迁移机制可能为加强阳离子扩散和剩余氧共同作用的结果;最后研究了钛元素的分布,除固溶于UO2微球外,其他钛氧化物以游离相粒子形式富集在晶界上。

掺杂钛对UO_2微球微观结构的影响

研究了掺杂0.7%（质量分数）钛对UO2微球微观结构的影响。结果表明,随着烧结温度的升高,气孔数量减少,但单个气孔体积却增大,其主要机制可能是小气孔之间的溶合;1250~1450℃之间烧结时,晶粒生长速度出现不一致,部分晶粒开始迅速生长,晶粒大小分布出现＂双高＂特征,且氧化钛大部分均匀分布在微球晶粒内部,少量氧化钛解析出来并富集在晶界上,而在1550℃时,晶粒大小分布基本为正态分布,平均晶粒大小约为42μm,且氧化钛则大部分富集在晶界上。

掺钛对UO_2微球晶粒生长机制的影响

采用溶胶-凝胶方法制备掺钛0.3%(质量分数,下同)UO2微球,用金相显微镜观察微球微观结构、图像分析仪计算微球晶粒尺寸。对掺钛0.3%UO2微球晶粒长大机制进行了研究。经过计算得到在1 250～1 550℃之间掺钛UO2微球晶粒生长的平均活化能Ea=232.79kJ/mol,明显地低于UO2微球晶粒生长的平均活化能(Ea0=518.32kJ/mol);掺钛UO2微球在烧结后期(1 250℃之后),微球部分区域可能形成高价态的U4O9相,加快了U原子扩散速度,加速了晶粒生长。

溶胶-凝胶法制备掺钛UO_2微球工艺和性能影响因素研究

针对溶胶-凝胶法制备掺钛UO2微球中出现的掺钛凝胶微球粘连严重、烧结过度、微球抛光面腐蚀等现象,通过改进工艺条件和参数来解决工艺中出现的问题。结果表明:增加胶凝时间不仅能解决凝胶球的挤压变形问题,而且能大大改善凝胶球的粘连问题;降低烧结温度可以得到表面更加光滑的烧结体;选用浓硝酸(w=68%)和高纯H2O(二者体积比为2∶1)作为腐蚀微球抛光表面的侵蚀剂,在很短的时间内就可以显现出清晰的晶界轮廓。

溶胶-凝胶法制造UO_2燃料微球振动频率选择

利用射流力学理论建立了最优振动频率关系式,并将它应用到了UO2燃料微球工艺中,最优频率的计算值与实验值较符合。分析了空气密度、胶液粘度、胶液表面张力和胶液密度对最优振动频率的影响。结果表明,空气密度对频率影响很小,最优振动频率随胶液粘度的增大而减小,随胶液表面张力和胶液密度的增大而增大。

预凝胶法碳热还原制备UO_2核燃料微球

本文采用一种新的凝胶方式结合碳热还原法制备UO_2核燃料微球。研究实现凝胶微球常温条件下的形成以及预凝胶液中的反应物炭黑无需使用表面活性剂即可实现均匀分散。采用包括zeta电位仪、纳米粒度仪等多种技术对产物表征,对预凝胶液中的炭黑分散机理和稳定性进行了研究。结果表明:预凝胶微粒与炭黑通过固有电性发生交错式结合而使得炭黑均匀分散。成功制备了密度大于90%理论密度的UO_2燃料微球。

含铀共晶溶剂制备UO2燃料微球

通过将六水合硝酸铀酰(UNH)与尿素(urea)以1:4的摩尔比混合,得到了一种由二者形成的室温下为液态的共晶溶剂(1:4DES),并以之作为制备UO燃料微球的前驱体。含铀的共晶溶剂通过微流控系统分散成大小均一、尺寸可控的含铀微液滴球,之后使用氨水饱和的辛醇溶液作为固化介质,最终得到了固态的重铀酸铵(ADU)小球。实验过程中使用光学显微镜得到了固体微球的形貌特征,并借助拉曼光谱,分析了铀酰在不同阶段的化学状态,同时确定固体微球的成分为重铀酸铵。

炭黑和烧结温度对内凝胶结合碳热还原工艺制备UCO复合微球的影响

采用内凝胶结合碳热还原工艺制备UO2-UC复合陶瓷微球,开展了炭黑和烧结温度对UO2-UC复合陶瓷微球的影响研究。通过分散稳定性、胶液粘度以及UO2-UC烧结微球的微观结构表征,研究了两种不同炭黑对微球的影响规律,结果表明选用粒径小于1μm的炭黑制备获得的UO2-UC陶瓷微球内部的孔洞明显较小。通过DSC-TG和XRD分析研究发现UO2的碳热还原反应在1600℃开始发生。选用优选炭黑在Ar气氛1680℃烧结制备获得了球形度好、压碎强度大的UO2-UC复合陶瓷微球。

内胶凝工艺制备UO_2微球

采用内凝胶工艺,通过溶解、配胶、分散、陈化、洗涤、干燥、焙烧、还原及烧结等工序,成功制备了粒径约为650μm的UO_2微球。通过旋转粘度计测量了胶液粘度随温度、时间的变化,进而对胶液的稳定性进行了研究。研究了胶液组份的配比、胶液p H值、铀浓度及HMTA-Urea浓度对微球显微结构和性能的影响,通过体视显微镜观察了干燥后微球的表面形貌,通过SEM观察了烧结后UO_2微球的晶粒尺寸与致密化程度。通过实验得到了胶液在不同温度下的稳定时间和表观形貌完好无开裂的UO_2微球。成功地研究了适用于制备UO_2微球的稳定的内凝胶工艺技术。

UO_2凝胶球陈化洗涤干燥工艺研究

通过加入预陈化过程、控制陈化时的升温速率,使凝胶球内外完全胶凝且均匀一致;通过洗涤时去离子水温度及洗涤次数的控制,避免小球开裂,减少废液量;通过干燥时真空度与温度的调节,避免小球开裂,均匀干燥。采用重络酸钾滴定的方法测量了陈化液中NO3-浓度随陈化时间的变化,进而判定陈化结束的时间;测量了洗液中NO3-浓度,进而判定洗涤过程是否结束。采用该陈化洗涤干燥工艺顺利完成了多批次的验证试验,最终制备出了满足设计要求的UO2核芯。所采用的陈化洗涤干燥3个工艺步骤在一台设备中顺序完成,适用于大批量UO2凝胶球(～3kgU/批次)的制备,可用于规模化的生产。