二氧化铀的主要应用

背景及概述^[1]

一种铀的氧化物，其分子式为二氧化铀。二氧化铀晶体由U4+和O2-离子组成，其晶体结构为萤石型立方晶系。离子O2-排列成简单立方亚点阵，U4+离子排列成面心立方亚点阵。由于二氧化铀在直到熔点为止的全部温度范围内的稳定相都是这种结构，因此，其特点是熔点高，高温稳定性好，抗辐照能力强，抗腐蚀性能好，与锆或不锈钢包壳的相容性好。主要缺点是导热性能差。它是当前最重要的核动力反应堆核燃料。

结构

应用^[2]

二氧化铀(UO2)具有熔点高、稳定性好、抗辐照能力强、热中子俘获截面低等优点，是目前轻水反应堆站电站广泛应用的核燃料。高安全性二氧化铀核燃料芯块的制备方法，其特征在于，先将晶粒生长助剂、增强相与二氧化铀颗粒进行物理混合，使晶粒生长助剂和增强相包覆到二氧化铀颗粒表面，得到核壳结构颗粒；再将该核壳结构颗粒在微氧化气氛下进行高温烧结，晶粒生长助剂在高温下液化后，向二氧化铀颗粒内部及颗粒间隙扩散，使二氧化铀颗粒在晶粒生长助剂中溶解并再结晶长大，并且，长大后的二氧化铀颗粒周围会由凝固后的晶粒生长助剂形成连续的三维网状结构，同时，增强相弥散分布于晶粒生长助剂中，最终得到高安全性的二氧化铀核燃料芯块。晶粒生长助剂不仅起到促进二氧化铀晶粒生长的作用，还可以显著提高芯块的热导率。弥散分布在晶粒生长助剂中的增强相不仅可以进一步提高芯块的热导率性能，还能抑制芯块在高温和辐照环境下的膨胀行为，改善芯块的耐高温和抗辐照性能。上述制备方法包括以下制备步骤：(1)将二氧化铀粉末压制成密度为5.0～6.5g/cm3的预成形坯；(2)将预成形坯进行破碎、过筛后，再研磨球化2～36小时，得到二氧化铀颗粒；(3)将二氧化铀颗粒装入混合包覆设备中，再添加2～30vol.％的晶粒生长助剂和0.1～5vol.％的增强相，混合包覆0.5～8小时，得到增强相与晶粒生长助剂在二氧化铀颗粒表面包覆均匀的核壳结构颗粒；(4)将核壳结构颗粒压制成密度5.6～6.8g/cm3的二氧化铀基核燃料芯块素坯，再将该素坯在微氧化气氛下进行高温活化烧结，冷却后即得到高安全性的二氧化铀核燃料芯块。

制备^[3]

二氧化铀块采用传统的粉末冶金工艺制备，其过程包括制粉、制粒、成形、烧结、机加工。其中最值得关注的是制粉、成形和烧结。通常认为有3种主要的制粉工艺方法：即ADU法、AUC法和IDR法。俄罗斯独立开发并大规模运用了GECO法。

1）ADU法

该法得名于其中间产物重铀酸铵，是一种广泛使用的工艺。反应方程式为：

ADU粉末在H2中煅烧，先分解成U3O8，然后被还原成UO2。工艺过程为：UF6加热到70℃左右通入水解槽，与去离子水反应，然后与稀氨水在反应槽中得到ADU浆体。经陈化、过滤、洗涤、干燥为ADU粉末。负压将其送入回转式还原炉内分解脱氟，还原成UO2粉末。

2）AUC法

60年代，德国人研制成功AUC法制备UO2粉末，它是因中间产物三碳酸铀酰胺得名。AUC反应常称为“三气沉淀”，即UF6、NH3、CO2的共同反应。

AUC在H2中先热解成U3O8再被还原成UO2。工艺过程为：UF在汽化室里加热汽化，并且在板状沉积槽里与NH3和CO2反应并在水中析出AUC沉淀。经过滤、淋洗、干燥，AUC粉末被负压输送到流化床的上部料斗，然后在沸腾床里被热解还原成UO2。

3）IDR法

英国Springfields厂在60年代末研制出IDR工艺。该法将UF6通过转炉直接转变为UO2粉末，流程短、生产能力大、产生废液少、HF可回收利用，环境污染小。

4）GECO法

UF6在氢氧火焰中直接转变为UO2粉末的方法。美国通用电气公司最早研究了该工艺，但没有形成生产能力。前苏联独立研究该工艺，1962年开始用于生产。

主要参考资料

[1] 现代电力工业词典

[2] CN201810100347.1一种高安全性二氧化铀核燃料芯块的制备方法

[3] 二氧化铀陶瓷燃料块工艺研究进展