二氧化鈾粉末表面改性的研究.pdf

1、隨著能源緊張和環(huán)保節(jié)能觀念的增強(qiáng)，材料科學(xué)工作者積極研究二氧化鈾芯塊的低溫?zé)Y(jié)工藝以降低燃料制造的成本和制造出高性能的二氧化鈾燃料芯塊。低溫?zé)Y(jié)本質(zhì)上是活化燒結(jié)。在超化學(xué)計(jì)量的的鈾氧化合物UO2+x中，鈾原子的擴(kuò)散速率隨過剩氧量的增加呈指數(shù)增加。前期的研究結(jié)果表明當(dāng)超化學(xué)劑量的鈾氧化合物UO2+x中過剩氧成分點(diǎn)x為0.25時(shí)，鈾的擴(kuò)散激活能較低，擴(kuò)散系數(shù)較高，利于進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)。因此，很有必要探索出一套工藝對(duì)UO2粉末進(jìn)行改性，以獲得芯部

2、為UO2，而表層O/U約為2.25的粉末。
　　 本研究通過氣氛氧化正交試驗(yàn)、熱分析試驗(yàn)、XRD試驗(yàn)，240℃和360℃下氧化增重試驗(yàn)，力圖探索出UO2粉末的最優(yōu)改性工藝。對(duì)原始UO2粉末進(jìn)行了改性處理，分析討論了UO2粉末的氧化機(jī)制。通過熱膨脹燒結(jié)試驗(yàn)，比較研究了改性粉末壓制生坯和原始UO2粉末壓制生坯的燒結(jié)特性。研究結(jié)果表明：
　　 1.在本實(shí)驗(yàn)條件下，欲實(shí)現(xiàn)UO2的低溫?zé)Y(jié)，獲得約2.25的O/U原子比，UO2粉末

3、表面改性的最佳工藝為：于空氣中在240℃下保溫氧化8小時(shí)后隨爐冷卻。
　　 2.在99.999％的氬氣氣氛中，改性粉末壓制的生坯開始發(fā)生收縮的溫度在大約570℃左右(572-576℃)；而原始UO2粉末壓制的生坯開始發(fā)生收縮的溫度在大約1100-1170℃(1096-1171℃)。改性粉末壓制生坯開始發(fā)生收縮的溫度比原始UO2粉末壓制的生坯開始發(fā)生收縮的溫度要低530-600℃.改性粉末壓制生坯在收縮階段的平均線膨脹系數(shù)(-30

4、8.2275×10-6/K到-328.7439×10-6/K)，比原始UO2壓制的生坯在收縮階段的平均線膨脹系數(shù)(-151.5266×10-6/K到-203.121×10-6/K)要大得多。
　　 3.改性粉末壓制生坯經(jīng)RT-1773K熱膨脹實(shí)驗(yàn)后的密度比原始UO2粉末壓制生坯的密度要大。相對(duì)于原始UO2粉末壓制的生坯而言，改性粉末壓制的生坯在燒結(jié)過程中致密化程度更高。
　　 4.表面改性氣氛對(duì)UO2粉末的比表面影響最為

5、顯著，其次為氧化溫度，升溫速度和保溫時(shí)間，后兩者的影響程度幾乎一樣。在本試驗(yàn)條件下確定的最優(yōu)工藝為：以3℃/Min的速度升溫，于360℃下開爐流通空氣氣氛中保溫8小時(shí)。采用最優(yōu)工藝可使二氧化鈾粉末的比表面積從2.65 m2/g增加到4.30 m2/g，研磨0.5 h后可達(dá)4.40 m2/g，提高了66％.
　　 5.由熱分析試驗(yàn)和XRD試驗(yàn)可知UO2粉末大致在100～120℃時(shí)失去吸附水。240℃×8 h空氣預(yù)氧化處理后有極少量

6、的U3O7生成，382℃×8 h和815℃×8h空氣預(yù)氧化處理后生成了U3O8。
　　 6.UO2粉末在360℃下氧化分為兩個(gè)階段。第一階段(0-4h)為質(zhì)量迅速增加階段，第二階段(5-12h)為質(zhì)量平穩(wěn)不變階段。二氧化鈾粉末在360℃下氧化100-300分鐘的產(chǎn)物為U3O8。UO2粉末在240℃下氧化100-480分鐘，產(chǎn)物為以UO2為主，伴隨有少量的U3O7生成，且隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，U3O7的衍射峰增多。UO2粉末于360