[发明专利]一种高活性氮化铀粉末制造工艺

说明书

本发明提供一种高活性氮化铀粉末制造工艺，通过在高纯度氮气环境下电爆金属铀丝，使金属铀在爆炸过程中与氮气发生化学反应，生成超细铀粉和铀氮化物粉的混合物，混合物在高温下与氮气反应，即可获得氮化铀。本发明的优点在于能耗低、制备的氮化铀产品活性好。

技术领域

本发明涉及一种高活性氮化铀粉末制造工艺，适用于氮化铀核燃料制备，属于核工程领域。

背景技术

氮化铀燃料具有高铀密度、高热导、高温稳定性、与液态金属良好的相容性等优良性能。国际上在第四代核能系统的规划方面，已将氮化铀燃料作为铅冷块堆以及钠冷快堆等堆型的重要候选燃料。

尽管氮化铀燃料在反应堆内的服役性能优异，但氮化铀燃料的制备技术却较为复杂。现有氮化铀燃料制备技术路线中，金属铀直接氮化法是主要研究方法之一，其优点是N-15原子的利用率高，经济性好，得到的氮化铀粉末烧结性能好，缺点是对主原材料金属铀的比表面积要求很高，颗粒尺寸必须小(微米级)和分布均匀。

目前金属铀粉制备工艺主要包括四种：(1)机械磨粉；(2)低温磨粉；(3)氢化-脱氢；(4)雾化法。这四种金属铀粉的制造工艺都基于金属铀锭作为原材料。

机械磨粉是美国研究试验堆燃料低浓化项目，阿贡国家实验室使用的金属铀粉制备方法。该方法原理简单粗暴，即用切割或磨削压制的设备将铀金属锭直接加工成铀粉，由于铀的硬度较高、延展性好和化学性质活泼，所以这种采用直接机械加工生产金属铀粉的方法技术难度很大，也很难得到细的金属铀颗粒，一般只能生产粒径1毫米左右的铀粉。机械磨粉的优点是设备成本低、操作简单、工艺快速，缺点是生成的粉末尺寸偏高，容易沾污引入杂质。

低温磨粉是在金属铀塑性脆性转变温度下，待金属铀充分脆化后再将大块金属磨削粉化，其缺点与机械磨粉类似，但可以得到尺寸稍小的金属铀颗粒。

氢化—脱氢是传统的高品质金属铀粉制备方法，其原理是H₂与金属铀反应生成UH₃，再将UH₃脱氢还原为金属铀，多次循环上述过程，可实现金属铀的粉化，被充分活化的铀粉的平均粒度约10～50μm。氢化—脱氢法的优点是产品粉末质量好，缺点是经济性差、产量很低、热氢的反应性和沾污容易带来安全和质量问题，因此不太适合工业化生产。

雾化法是目前工业规模制造纯金属粉的主流方法，是利用一高速气流或液流将液态金属流粉碎成小液滴并凝固成粉末的过程。雾化法可以得到高质量的粉末，但铀的雾化法研究较少，主要因为铀密度高、熔点高、化学性质活泼，通常需要把金属铀加热至约1300℃使其充分熔化，再用高压惰性气体将其冲击分散为微小液滴，对设备耐高温高压的能力要求很高，能耗很大。韩国原子能研究所JAE HO YANG等，采用离心雾化工艺制备了金属铀粉，该工艺用自熔铀电极为原料，边熔边滴边雾化，雾化在兼做电极的高速旋转坩埚的离心散射中发生，获得了金属铀粉。

电爆法是近年来金属纳米粉制造的研究热点，其原理是在一定的气体介质环境下，利用预先储存的电能对金属导体(导体丝或箔)脉冲放电，脉冲大电流使得金属导体熔化、气化、膨胀，发生爆炸。电爆法可以用来制备金属、合金、金属氧化物及氮化物等超细粉，具有能量利用率高，工艺参数可调，可有效控制制备粉末的粒度，不污染环境，所制粉末粒度分布窄、化学活性好、不易团聚等优点。

电爆法的缺点在于，参加电爆反应的原材料通常为细的金属丝，加工较为困难；电爆制粉过程中，对于化学性质较为活泼的金属，容易与电爆容器内的氧反应，造成产品不纯；电爆生成的金属粉末颗粒度小，比表面积大，活性高，难于收集。金属铀具有放射性和重金属毒性，化学性质活泼，室温下可与氧气反应，电爆反应生成的超细铀颗粒在氮气中呈游离状态，又处于能量较高的亚稳态，化学活性更高，其收集和防护是亟待解决的难题。

发明内容