一种以碳纳米管为碳源制备碳化铀陶瓷微球的方法技术

本发明专利技术实施例涉及一种以碳纳米管为碳源制备碳化铀陶瓷微球的方法，该方法包括以下步骤：将碳纳米管分散液、欠酸硝酸铀酰溶液、六次甲基四胺、尿素混合，通过内凝胶法制得凝胶球；将凝胶球陈化、洗涤、干燥；将干燥球煅烧、碳热还原、烧结处理；所述洗涤时的洗涤液包括氨水。本发明专利技术实施例中针对内凝胶方法制备碳化铀陶瓷微球过程中的碳源进行优化，发明专利技术人尝试了多种含碳物质后发现，使用碳纳米管作为碳源制备的凝胶球经过在热硅油中陈化后的洗涤时，含碳物质不会被氨水洗掉，氨水洗涤液保持澄清，有效地保证了碳热还原时碳和铀混合比例的问题。效地保证了碳热还原时碳和铀混合比例的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种以碳纳米管为碳源制备碳化铀陶瓷微球的方法


[0001]本专利技术涉及核工程领域，具体涉及一种以碳纳米管为碳源制备碳化铀陶瓷微球的方法。

技术介绍

[0002]燃料元件是核反应堆的核心部件，多种核反应堆燃料元件的燃料区中均使用了数以千计的包覆燃料颗粒。目前以三结构同向性型(TRISO)包覆燃料颗粒为基础的燃料元件大多采用二氧化铀作为燃料核芯。如果采用碳化铀作为燃料核芯，则热导率较高，铀密度也有所提升。在制备碳化铀时，由于碳化铀燃料存在UC、U2C3和UC2三种不同相结构，不恰当的铀原子与碳原子的比例会导致杂质相(U2C3或UC2)的产生，而不同相的存在会导致包覆燃料颗粒的性能受到影响，如：在温度变化时开裂。因此，在生产碳化铀的过程中，保证碳和铀的原料的混合比例以及均匀性是碳化铀燃料生产中的一个关键问题。
[0003]溶胶凝胶法中的内凝胶法由于制备微球球形度好，还能避免直接处理放射性粉末，因此成为含铀燃料陶瓷微球制备方法的首选。凝胶球中碳和铀的混合比例以及均匀性是内凝胶法中的需要关注的。由于内凝胶法中会使用尿素、六次甲基四胺等化合物，当凝胶球制备好后需要用氨水将凝胶球中残留的上述化合物洗去，但使用氨水进行洗涤时，容易将凝胶球中的碳源洗去一部分，从而使得凝胶球中的碳和铀在进行反应时，二者比例受到影响。
[0004]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0005]专利技术目的
[0006]本专利技术的目的在于提供一种以碳纳米管为碳源制备碳化铀陶瓷微球的方法。该方法中，通过内凝胶法和碳热还原反应结合的方法制备碳化铀陶瓷微球，专利技术人在内凝胶方法中选择碳纳米管作为碳源，能够保证在用氨水洗涤含碳凝胶球时，其中的碳纳米管不被氨水洗涤液洗掉，有效地保证了在进行碳热还原时碳和铀混合比例的问题。
[0007]解决方案
[0008]为实现本专利技术目的，本专利技术实施例提供了以下技术方案：
[0009]本专利技术实施例提供了一种制备碳化铀陶瓷微球的方法，其包括以下步骤：
[0010]将碳纳米管分散液、欠酸硝酸铀酰溶液、六次甲基四胺、尿素混合，通过内凝胶法制得凝胶球；
[0011]将凝胶球陈化、洗涤、干燥；
[0012]将干燥球煅烧、碳热还原、烧结处理；
[0013]所述洗涤时的洗涤液包括氨水。
[0014]本专利技术实施例使用内凝胶法结合碳热还原法制备碳化铀陶瓷微球，内凝胶法利用
了六次甲基四胺(HMTA)的热不稳定性，六次甲基四胺受热会发生分解释放NH4OH，硝酸铀酰与NH4OH反应可以沉淀出重铀酸铵；同时，由于NH4OH的生成，分散到热硅油中的混合胶液的pH在短时间内急剧增加，从而使得混合胶液凝胶成球，得到凝胶球。将凝胶球陈化、用包含有氨水的洗涤液洗涤以除去凝胶球中的六次甲基四胺和尿素等，干燥后的凝胶球即为干燥球，干燥球中的重铀酸铵经过加热会分解成三氧化铀，干燥球中的三氧化铀与分散在干燥球中的碳纳米管反应，通过碳热还原得到碳化铀。因此凝胶球中含碳物质与含铀物质的混合比例很重要，二者混合均匀程度也很重要。
[0015]在一种可能的实现方式中，欠酸硝酸铀酰溶液与碳纳米管分散液混合后的碳原子和铀原子的摩尔比例为2.85-3.15:1，可选地，为2.95-3.05：1；更进一步可选地，为3：1。
[0016]在一种可能的实现方式中，所述碳纳米管分散液为碳纳米管水分散液。
[0017]在一种可能的实现方式中，所述碳纳米管分散液中碳纳米管含量为10％，直径：>50nm，内径：5-15nm，长度：<10μm，比表面积：>40m2·
g-1
，EC：>100s/cm，堆密度：0.18g/cm3。
[0018]在一种可能的实现方式中，六次甲基四胺、尿素、碳纳米管分散液中碳纳米管的质量比为5-6：1.8-2.7：1；可选地为5.4-5.6：2.3-2.4：1；进一步可选地为5.522：2.366：1。
[0019]在一种可能的实现方式中，氨水的浓度为0.4-0.55mol/L，可选地为0.5mol/L。
[0020]在一种可能的实现方式中，所述洗涤为：分别采用三氯乙烯、氨水、去离子水对附有硅油的凝胶球进行洗涤。三氯乙烯可以洗去凝胶球外粘附的硅油，用氨水和去离子水进一步对凝胶球进行洗涤以洗去凝胶球中残留的的六次甲基四胺和尿素等。
[0021]在一种可能的实现方式中，将碳纳米管分散液、欠酸硝酸铀酰溶液、六次甲基四胺、尿素混合，通过内凝胶法制得凝胶球的步骤包括：
[0022]将六次甲基四胺、尿素加入到碳纳米管分散液中进行充分溶解，制成含碳溶液，使含碳溶液的温度在4-10℃；
[0023]使欠酸硝酸铀酰溶液的温度在4-10℃；
[0024]将欠酸硝酸铀酰溶液与含碳溶液混合，得到混合胶液，使混合胶液的温度在4-10℃；
[0025]将所述混合胶液分散到热硅油中，得到凝胶球。
[0026]在一种可能的实现方式中，热硅油的温度为65-90℃，可选地为70℃。
[0027]在一种可能的实现方式中，欠酸硝酸铀酰溶液的浓度为2.5-3mol/L；可选地，欠酸硝酸铀酰溶液的浓度为2.8mol/L。
[0028]在一种可能的实现方式中，所述陈化为：在室温下，将所得凝胶球在硅油中陈化处理12小时。陈化时不再对硅油进行恒温控制，此时的硅油由70℃逐渐冷却至室温。
[0029]在一种可能的实现方式中，所述干燥处理是：在60℃的鼓风干燥箱中处理；可选地，干燥处理12小时。
[0030]本专利技术实施例还提供了一种根据上述方法获得的碳化铀陶瓷微球。
[0031]有益效果
[0032]1、本专利技术实施例中针对内凝胶法结合碳热还原法制备碳化铀陶瓷微球过程中的碳源进行优化，专利技术人尝试了多种含碳物质后发现，使用碳纳米管作为碳源制备的凝胶球经过在热硅油中陈化后的洗涤时，含碳物质不会被氨水洗掉，洗涤液保持澄清(碳纳米管分散液本身的颜色也是呈黑色的，此处洗涤液透明澄清，说明碳纳米管没有被洗涤下来)，有
效地保证了碳热还原反应时碳和铀混合比例的问题。专利技术人认为其可能是由于碳纳米管相互间缠绕不容易被洗掉。但如果相同方法中采用炭黑为碳源，陈化后使用氨水洗涤时较多的炭黑被洗掉，氨水洗涤液明显变黑，使得进行碳热还原反应时，碳原子的数量下降。如果相同方法中采用石墨作为碳源，即使将石墨粒径控制得很小并且添加分散剂，石墨的分散均匀程度依然不好，在配制胶液过程中，石墨粉末也会发生沉降团聚，从而使碳和铀的分散不均匀。
[0033]2、本专利技术实施例中，可以直接将六次甲基四胺和尿素溶解于含碳纳米管分散液中，获得胶液，该方法使得配制胶液的过程简化。
附图说明
[0034]图1A是对比例1所得凝胶球陈化后进行洗涤时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备碳化铀陶瓷微球的方法，其特征在于，包括以下步骤：将碳纳米管分散液、欠酸硝酸铀酰溶液、六次甲基四胺、尿素混合，通过内凝胶法制得凝胶球；将凝胶球陈化、洗涤、干燥；将干燥球煅烧、碳热还原、烧结处理；所述洗涤时的洗涤液包括氨水。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，欠酸硝酸铀酰溶液与碳纳米管分散液混合后的碳原子和铀原子的摩尔比例为2.85-3.15:1，为2.95-3.05：1；更进一步可选地，为3：1。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管分散液为碳纳米管水分散液。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管分散液中碳纳米管含量为10％，直径：>50nm，内径：5-15nm，长度：<10μm，比表面积：>40m2·
g-1
，EC：>100s/cm，堆密度：0.18g/cm3。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，六次甲基四胺、尿素、碳纳米管分散液中碳纳米管的质量比为5-6：1.8-2.7：1；可选地为5.4-5.6：2.3-2.4：1；进一步可选地为5.522：2.366：1。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：权利要求书一页说明书五页附图一页，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：