[发明专利]一种钍基碳化物和/或钍基碳氧化物的陶瓷微球的制备方法

说明书

本发明涉及一种钍基碳化物和/或钍基碳氧化物的陶瓷微球的制备方法，包括将硝酸钍溶液滴加到氨水中形成水解溶液，在水解溶液搅拌的情况下加入聚乙烯醇，形成溶胶；利用与水互溶的有机试剂分散碳粉，形成预分散的碳粉；将溶胶加入预分散的碳粉中，形成含碳胶体溶液；将含碳胶体溶液分散成液滴后依次通过氦气区、氨气区、氨水区，形成凝胶颗粒；将凝胶颗粒置于浓氨水中陈化，用去离子水洗涤，将洗涤后的凝胶颗粒放于干燥炉中，控制湿度升温干燥，形成干燥后的凝胶颗粒；以及将干燥后的凝胶颗粒放置于烧结炉中，在真空条件下升温烧结得到陶瓷微球。本发明的制备方法通过简单的工艺制备钍基碳化物和/或钍基碳氧化物的陶瓷微球。

技术领域

本发明涉及核燃料的制备，更具体地涉及一种钍基碳化物和/或钍基碳氧化物的陶瓷微球的制备方法。

背景技术

随着核能的发展，铀资源短缺的问题日益突出。另一方面，由于钍资源储量丰富，中子吸收截面较大，因此，钍资源的利用是一种潜在的解决核能可持续发展的方案。国际上对于钍资源的利用展开了大量的研究。

由于氧化物具有稳定性高、熔点高等优点，因此目前以三结构同向性型(Tri-structural isotropic TRISO)包覆燃料颗粒为基础的球形燃料元件都采用氧化物作为燃料核芯。但是，在裂变过程中，氧化物过剩的氧原子易在高温下与热解碳反应生成CO或CO₂，这些气体将会增加对TRISO颗粒包覆层的压力，从而降低TRISO颗粒的安全性。另一方面，碳化物或碳氧化物具有重金属密度高、热导率高、中子性能好、耐高温等优点，因而可以有效避免上述情况发生，提高反应堆运行的安全性。

在60年代美国橡树岭曾采用脱水法制备出碳化钍微球，此法胶凝时间较长，目前已经很少采用。同时支撑沉淀流程(SNAM流程)对碳化物微球进行了一定的研究，但主要涉及碳化铀(UC)的制备，它采用超声将炭黑分散于溶胶中，不利于流程的连贯及操作便捷。文献HIGH TEMPERATURE GAS COOLED REACTOR FUELS AND MATERIALS(IAEA-TECDOC-1645,2010)采用内胶凝法制备了碳氧化铀(UCO)凝胶颗粒，但是这种方法具有内胶凝法的弊端，需要低温冷却而且洗涤困难。瑞士K.Bischoff等人研究了铀-钚(U-Pu)碳化物中碳的分散要求：颗粒大小约比表面积约100m²/g，pH值在3～5之间，要求较为苛刻。

总之，已知的方法均无法通过简单的工艺制备钍基碳化物和/或钍基碳氧化物的陶瓷微球。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的无法简单地制备碳化钍的问题，本发明旨在提供一种钍基碳化物和/或钍基碳氧化物的陶瓷微球的制备方法。

本发明所述的钍基碳化物和/或钍基碳氧化物的陶瓷微球的制备方法，包括以下步骤：S1，将硝酸钍溶液滴加到氨水中形成水解溶液，在水解溶液搅拌的情况下加入聚乙烯醇，形成溶胶；利用与水互溶的有机试剂分散碳粉，形成预分散的碳粉；将溶胶加入预分散的碳粉中，形成含碳胶体溶液；S2，将含碳胶体溶液分散成液滴后依次通过氦气区、氨气区、氨水区，形成凝胶颗粒；S3，将凝胶颗粒置于浓氨水中陈化，用去离子水洗涤，将洗涤后的凝胶颗粒放于干燥炉中，控制湿度升温干燥，形成干燥后的凝胶颗粒；S4，将干燥后的凝胶颗粒放置于烧结炉中，在真空条件下升温烧结得到陶瓷微球。

其中，该陶瓷微球包括钍基碳化物(ThC、ThC₂)和钍基碳氧化物(ThCO)。特别地，钍与碳的摩尔比为1/3时得到ThC，钍与碳的摩尔比在1/4～1/4.1之间时得到ThC₂，钍与碳的摩尔比为1/2时得到ThCO。该陶瓷微球为直径为300μm～1.0mm燃料微球。该钍基碳化物和/或钍基碳氧化物被称为ThC_xO_2-x，其中x在0～2的范围内可控。