[发明专利]一种微米级高密度氧化铒微球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化铒微球及其制备方法，特别涉及一种微米级高密度氧化铒微球及其制备方法。

背景技术

核能是未来能源的一个主要发展方向，为了实现核燃料的高能输出和长期循环利用，提高燃料中的铀浓度是一种有效的方法。为了安全运行，现有核燃料堆组件的设计是根据铀浓度在5wt%及以下进行设计的，随着铀浓度的提高，现有的核燃料堆组件将不再适用。为了适应高铀浓度燃料的运行需求，一种方法是重新设计满足高铀浓度要求的组配件，但成本也随之增加；另一种方法是向高浓度铀燃料中添加具有大中子吸收截面的控制材料，以调控反应速度，从而延长燃料的使用周期，该方法相比前一方法更简单，受到了广泛的关注。

M.Yamasaki,H.Unesaki等人研究表明，向UO₂中添加少量氧化铒后，能抑制UO₂的反应（Yamasaki,M.,Unesaki,H.,Yamamoto,A.,et al.Current Status of the Development Project on Erbia Credit Super High Burnup Fuel[J].2009）。根据现有燃料堆组件的设计要求，并结合球形材料的优点，用于调控反应速率的微球粒径应小于100μm或在100μm左右，密度应达到粉体理论密度的88%甚至以上，同时具有良好的球形度。

传统模板法可用于微球的制备，通过对材料料浆施加压力，使料浆从相应孔径的模板中挤出、固化，即得微球。对于低固相含量的氧化铒料浆而言，料浆的流动性良好，采用传统模板法能制备出粒径符合要求的微球，但由于料浆固相含量过低，导致烧结后所得氧化铒微球的密度太低，无法达到核反应控制材料的应用要求。要得到密度符合要求的氧化铒微球则必须尽量提高氧化铒料浆中的固相含量以提高烧结后所得氧化铒微球的密度，但随着氧化铒料浆中固相含量的提高，料浆的粘度变大、流动性变差，导致无法从相应尺寸的模板中顺利挤出，因而传统模板法不再适用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微米级高密度氧化铒微球及其制备方法，所述氧化铒微球不仅密度高、粒径小，而且球形度良好。

本发明所述微米级高密度氧化铒微球，其粒径为50～150μm，且其密度≥氧化铒粉体理论密度的88%。

上述微米级高密度氧化铒微球的密度为氧化铒粉体理论密度的88～96%。

本发明所述微米级高密度氧化铒微球的制备方法，其特征工艺步骤如下：

（1）制备料浆

将N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺溶于去离子水中，然后加入聚丙烯酰胺形成预混液，并用氨水调节预混液的pH至10～11，继后将预混液和氧化铒粉体球磨至氧化铒粉体均匀分散在预混液中，再向其中（球磨所形成的混合液中）加入过硫酸铵水溶液并混合均匀，得到固相含量为50～60%的料浆；

所述N,N-二甲基丙烯酰胺的量为氧化铒粉体质量的2～4%，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺的量为N,N-二甲基丙烯酰胺质量的聚丙烯酰胺的量为氧化铒粉体质量的0.5～0.6%，过硫酸铵水溶液的量应使料浆中过硫酸铵的质量达到氧化铒粉体质量的0.04～0.05%；

（2）制备氧化铒微球素坯

①将tween80与油相混合均匀形成第一混合液，然后将步骤（1）所得料浆加入第一混合液中并进行搅拌得到乳液，搅拌的速度与时间应使乳液中乳液液滴的粒径达到100～200μm；所述乳液中，油相与tween80的体积比为a，250≤a≤500，料浆与油相的体积比为b，

②将四甲基乙二胺、span80及油相混合均匀形成第二混合液，然后将所述乳液通过滴定管加入到装有第二混合液的固化容器中，乳液液滴在第二混合液中固化；

所述滴定管出液口的横截面积为3～5mm²，所述第二混合液中，各组分的体积百分数为：四甲基乙二胺2～3%，span80 0.4～1%，油相96～97.6%；所述第二混合液的温度控制在50～80℃，其在固化容器中的加入量应使滴入第二混合液中的乳液液滴在下沉至固化容器底部前完全固化；

③将步骤②中乳液液滴固化形成的微球从第二混合液中取出，然后用清洗液清洗去除其表面的油相并干燥即得氧化铒微球素坯；

（3）烧结

将氧化铒微球素坯于常压、800～900℃排胶至其内部的有机物完全分解，然后在常压、惰性气体保护下于1890～1910℃保温170～190min，即得微米级高密度氧化铒微球。