内凝胶工艺结合碳热氮化法制备ZrN纳米粉体

采用内凝胶工艺制得无定形的氧化锆凝胶与炭黑均匀混合的前驱体粉末,获得的前驱体在氮气条件下进行碳热氮化处理后得到氮化锆(ZrN)纳米粉体。结合热重/差式扫描量热分析(TGA/DSC)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等手段,对内凝胶前驱体的热处理行为、所得产物的物相组成、微观形貌及显微结构等进行了表征。研究结果表明,氮化温度的升高有利于氮化程度的提高,1400℃氮化温度下可得到纯相纳米ZrN粉体;此外,碳的引入在热处理过程中起到了必要的还原作用,且碳的加入量需要适当,C/Zr摩尔比接近2是获得纯相ZrN粉体产物较为合适的条件。     

规模化制备重铀酸铵微球的设备及工艺研究

本文介绍了由清华大学核研院建立的规模为每批次3 kg U,用于制备重铀酸铵凝胶微球的外胶凝工艺生产线,重点介绍了具有创新性的溶解、煮胶、分散一体化设备、陈化洗涤干燥一体化设备及振动分选机。并以规模化的关键设备为基础,重点解决了如何实现欠酸溶解、煮胶沉淀问题、滴球过程中的喷嘴内径变化及陈化洗涤干燥过程对成球的影响等问题。最终采用新研制的规模化的设备及工艺成功地生产出了直径合格的重铀酸铵凝胶微球,为后续工艺及最终得到合格的UO_2核芯微球做好了准备。     

UO2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。     

溶胶-凝胶法制备二氧化铀核芯的U3O8欠酸溶解工艺

在UO₂核芯的制备工艺中,为获得高浓度铀的硝酸铀酰溶液,同时降低溶液中硝酸根含量,即获得低于硝酸铀酰标准化学计量比（硝酸铀酰中硝酸根与铀酰离子化学计量比为2）的溶液,必须采用欠酸溶解工艺。本文采用分批加料和阶段性加热方式获得了很好的溶解效果,得到的硝酸铀酰溶液中U含量为2.1～2.5 mol/L,NO₃^-和U的摩尔浓度比为1.6～1.8,溶液pH大于1.4,从而成功制备出合格的欠酸溶解的硝酸铀酰溶液。在此基础上,根据多次溶解试验的结果总结出了溶液密度与U含量的经验公式。     

利用毛细管微流体装置辅助内凝胶工艺制备小尺寸ZrO2微球

寻找到一种室温(25℃)下稳定15 h不固化且成球较好的胶液配方,利用毛细管微流体装置辅助内凝胶工艺制备出小尺寸(<120μm)的ZrO2陶瓷微球,并对影响ZrO2微球尺寸的因素进行分析。结果表明:其它条件相同的情况下,硅油的流量或者粘度越大,ZrO2微球尺寸越小。胶液的流量越大或者毛细管微流体装置喉口尺寸越大,ZrO2微球尺寸越大;通过图像识别发现,ZrO2陶瓷微球的CV值都小于5%,说明该方法制备出的ZrO2陶瓷微球尺寸均一;通过SEM和XRD发现ZrO2陶瓷微球致密,呈立方相。     

二氧化铀微球的烧结与性能研究

考察了使用外凝胶法大批量制备高温气冷堆燃料元件UO2核芯微球的烧结工艺和微球性能,同时研究了工艺过程中样品出现裂纹、破裂等问题。通过光学显微镜和扫描电子显微镜观察了焙烧、还原与烧结后的微球形貌,分析破裂发生的主要阶段,进而确定其原因。通过一系列实验,确定了合适的氢气和氩气比例、焙烧还原与烧结过程中的升降温制度以及微球排布方式。使用外凝胶工艺最终制备出了性能满足设计要求的UO2核芯,微球密度大于10.6g/cm3,平均直径500.3μm。     

外凝胶法制备UO2核芯工艺中胶液沉淀分析与微球直径控制

简述了清华大学核研院使用外凝胶法大批量制备高温气冷堆燃料元件UO2核芯工艺,以及工艺中遇到的煮胶步骤发生沉淀和产品粒径控制问题。对沉淀物的XRD分析得到了沉淀物的主要物相,研究发现煮胶步骤中煮胶温度和尿素的加入速度是造成煮胶沉淀的主要原因,通过工艺改进解决了煮胶沉淀问题。另外,通过精确控制分散步骤的压力,有效避免了二次球的产生,保证了UO2核芯粒径的精确控制。     

注凝工艺制备二氧化锆陶瓷微球

采用注凝工艺制备二氧化锆陶瓷微球，测试了微球的性能，研究了分散剂、引发剂以及真空除泡等对浆料性质的影响。结果表明：将催化剂加入至二甲基硅油中可以避免浆料提前固化，有效延长其稳定存放时间，同时还可将浆料固化所需温度从90℃降低到50℃。采用振动分散技术可以获得尺寸分布均匀的二氧化锆陶瓷微球。     

外胶凝法制备高温气冷堆UO2核芯的湿法工艺

为制备高温气冷堆用燃料致密UO2核芯,对传统的溶胶-凝胶法进行优化和改进。主要对改进后的外胶凝工艺的湿法部分进行介绍,包括U3O8粉的溶解即欠酸硝酸铀酰(ADUN)溶液的制备、胶液的制备、胶液的分散和胶凝及凝胶球的陈化、洗涤和干燥等,并对湿法过程的机理进行了探讨。采用这一工艺,所得重铀酸铵微球的球形度好、尺寸分布均匀且具有良好空隙结构,经过后续的干法工艺如焙烧、还原和烧结,可制备出合格的高温气冷堆用燃料致密UO2核芯。     

高温堆嬗变Pu燃料元件的制备

介绍了清华大学在制备高温气冷堆嬗变Pu惰性元件方面的研究进展.分别采用溶胶凝胶工艺和注凝成型工艺制备ZrO2陶瓷微球作为基体,经过低温烧结获得多孔微球;用U代替Pu进行浸渍后,再经过高温烧结获得致密的陶瓷微球;基体中的U含最基本稳定在10%左右.采用与10MW高温气冷堆燃料元件包覆颗粒相同的制备工艺,在ZrO2/U复合微球表面依次沉积疏松热解炭、致密热解炭、SiC和外致密热解炭,制备出包覆型嬗变燃料颗粒.