本發(fā)明涉及核燃料，尤其涉及一種氮化物核燃料制備方法。
背景技術(shù)：
1、氮化物核燃料以氮化鈾(un)和氮化鈾钚((u，pu)n)等一氮化物為主，與傳統(tǒng)的氧化物核燃料相比，氮化物燃料具有易裂變核素密度高、熔點(diǎn)高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低、輻照穩(wěn)定性好、裂變氣體釋放率低、與液態(tài)金屬冷卻劑相容性好、熱穩(wěn)定性及輻照穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。氮化物燃料在大型金屬冷卻快堆領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，結(jié)合高鈾密度事故容錯(cuò)燃料(atf)受到各國(guó)高度重視，世界各國(guó)也在探索將氮化物燃料應(yīng)用在壓水堆、沸水堆、超臨界水堆等水冷反應(yīng)堆上。
2、以氮化鈾(un)為例，氮化鈾粉末的合成是氮化鈾燃料制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一；氮化鈾粉末包括一氮化鈾(un)、三氮化二鈾(u2n3)、二氮化鈾(un2)粉末。其中，u2n3及un2粉末只能采用熱壓燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)等加壓燒結(jié)工藝來(lái)制備核燃料，但常見(jiàn)核燃料工業(yè)生產(chǎn)工藝中使用的均為無(wú)壓燒結(jié)，而氮化鈾粉末中只有一氮化鈾粉末能夠適用無(wú)壓燒結(jié)。
3、目前，已經(jīng)投入應(yīng)用的un材料合成路線主要有兩種：
4、(1)、金屬氮化法，需要首先制備金屬u粉末，將金屬u破碎成小塊，然后通入氫氣并在真空條件下加熱，反復(fù)多次，形成金屬u粉末；在加熱狀態(tài)下向金屬u粉末通入n2，氮化反應(yīng)結(jié)束冷卻時(shí)仍然需要抽真空，才能得到u2n3。該方法具有如下缺陷：①需要反復(fù)多次氫化-脫氫過(guò)程才能獲得金屬u粉末；②得到的金屬u粉末粒度受工藝過(guò)程影響很大，難以控制；③氮化反應(yīng)需要充氮加熱；④氮化反應(yīng)得到的產(chǎn)物是u2n3，需要脫氮處理；⑤脫氫、脫氮過(guò)程均需要抽真空，過(guò)程緩慢，耗時(shí)長(zhǎng)，設(shè)備復(fù)雜、能耗高；⑥在工業(yè)生產(chǎn)中，鈾濃縮的產(chǎn)物是uf6，乏燃料氟化揮發(fā)后處理產(chǎn)物是uf6、puf6。需要將uf6轉(zhuǎn)化成金屬形態(tài)，再進(jìn)行氫化-脫氫制備成金屬u粉末，然后氮化-脫氮制備氮化物，增加了工藝復(fù)雜性以及被雜質(zhì)污染的可能性。
5、(2)、鈾氧化物碳熱還原氮化法(ctrn)，即以u(píng)o2為原料，向其中加入過(guò)量的碳，先在氮?dú)夥諊忻摮?，然后通入氫氣，脫除其中的碳，即：uo2+c+n2+h2→un塊體→un粉末→un芯塊→un燃料。為了提高所合成氮化物的相結(jié)構(gòu)純度和化學(xué)成分純度，使殘留碳、殘留氧含量小于1000μg/g，目前主要采用碳熱還原兩步法：第一步是氧化物和炭黑的混合物在1500℃～1650℃、n2氣屮進(jìn)行碳熱還原、氮化反應(yīng)，使uo2被還原氮化為un，實(shí)現(xiàn)除氧但可能含有少量游離碳雜質(zhì)；第二步在1400～1450℃、n2-h2氣氛中進(jìn)行脫碳純化處理。碳熱還原兩步法的總反應(yīng)式如下：2uo2+c+n2+2h2→2un+4co↑+ch4↑?？傮w來(lái)看，碳熱還原法可使用uo2粉末作為原料，但其反應(yīng)溫度非常高(約1600℃)，雜質(zhì)含量也較高。原料中c/uo2、反應(yīng)溫度、保護(hù)氣氛、反應(yīng)時(shí)間等因素均會(huì)影響氮化鈾粉末的純度和相結(jié)構(gòu)。該方法具有如下缺陷：①早期一步碳熱還原氮化法，目前兩步碳熱還原氮化法。原料存在o、反應(yīng)過(guò)程中加入過(guò)量的c，即使采取二步法，也存在碳、氧雜質(zhì)控制不穩(wěn)定的問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)物雜質(zhì)含量高；②反應(yīng)溫度很高、能耗大；③uo2碳熱還原氮化法產(chǎn)生的氮化物材料為塊體，需要破碎、研磨等工藝處理才能得到粉末，這些處理過(guò)程不可避免會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)含量升高；④碳熱還原法un粉末粒徑粒較粗、不可控，燒結(jié)活性不好，導(dǎo)致達(dá)到所要求的芯塊燒結(jié)密度的難度增加，如在無(wú)壓燒結(jié)中溫度高、耗時(shí)長(zhǎng)等。
6、為了保證un燃料芯塊具備一定的強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)完整性，一般要求芯塊致密度≥80％td。然而，氮化物是以共價(jià)鍵為主的陶瓷，原子擴(kuò)散速率非常低，氮化物燃料芯塊的燒結(jié)難度遠(yuǎn)大于uo2。在研究中，un芯塊制備中較為常用的是熱壓燒結(jié)甚至是放電等離子體燒結(jié)(sps)，并不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種改進(jìn)的氮化物核燃料制備方法。
2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供一種氮化物核燃料制備方法，包括以下步驟：
3、將核燃料氟化物與氮源加入等離子體反應(yīng)器中，在所述等離子體反應(yīng)器中充分混合并發(fā)生反應(yīng)，形成產(chǎn)物，所述產(chǎn)物包括固相產(chǎn)物；
4、所述固相產(chǎn)物為氮化物粉末，作為氮化物燃料原料。
5、在一些實(shí)施例中，所述等離子體反應(yīng)器中，反應(yīng)區(qū)的平均溫度≤1500℃；所述等離子體反應(yīng)器的內(nèi)壁溫度控制在550℃以下。
6、在一些實(shí)施例中，所述等離子體反應(yīng)器中，等離子體產(chǎn)生的方式包括高壓放電、直流電弧放電、高頻放電、微波放電和激光電離中至少一種。
7、在一些實(shí)施例中，所述產(chǎn)物還包括氣固兩相流產(chǎn)物；所述氮化物核燃料制備方法還包括以下步驟：
8、將所述氣固兩相流產(chǎn)物進(jìn)行氣固分離處理，分別收集分離后的固態(tài)產(chǎn)物和氣相產(chǎn)物；所述固態(tài)產(chǎn)物包括氮化物粉末；
9、將所述氣相產(chǎn)物進(jìn)行吸收凈化處理。
10、在一些實(shí)施例中，所述氮化物核燃料制備方法還包括以下步驟：將所述產(chǎn)物在104k/s～109k/s的冷卻速率下進(jìn)行急速冷卻。
11、在一些實(shí)施例中，所述核燃料氟化物包括uf6、uf4、puf6、thf6、thf4中至少一種。
12、在一些實(shí)施例中，所述氮源包括n2與h2混合氣體、氮?dú)浠衔镏兄辽僖环N，所述氮?dú)浠衔锇╪h3、n2h4、hn3、nh4n3。
13、在一些實(shí)施例中，所述核燃料氟化物為六氟化物時(shí)，將其加熱后以氣態(tài)通入所述等離子體反應(yīng)器中。
14、在一些實(shí)施例中，所述核燃料氟化物為四氟化物時(shí)，將其以粉末形態(tài)在載氣作用下進(jìn)入所述等離子體反應(yīng)器；所述載氣采用惰性氣體或工藝氣體，所述工藝氣體包括n2、nh3和h2中至少一種。
15、在一些實(shí)施例中，所述氮源采用氮?dú)浠衔飼r(shí)，還需要將h2加入等離子體反應(yīng)器中。
16、在一些實(shí)施例中，所述氮化物核燃料制備方法還包括以下步驟：
17、將氮化物粉末作為原料，制備獲得氮化物燃料。
18、在一些實(shí)施例中，所述氮化物燃料包括氮化物芯塊、氮化物彌散燃料、氮化物芯體triso顆粒中至少一種。
19、本發(fā)明的有益效果：以核燃料氟化物作為原料配合等離子體反應(yīng)方式，一步制得高活性氮化物燃料粉末，相比于現(xiàn)有技術(shù)的繁多工藝為短流程工藝，適用于工業(yè)化生產(chǎn)，解決現(xiàn)有技術(shù)工藝復(fù)雜、難以批量化生產(chǎn)等問(wèn)題。
1.一種氮化物核燃料制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物核燃料制備方法，其特征在于，所述等離子體反應(yīng)器中，反應(yīng)區(qū)的平均溫度≤1500℃；所述等離子體反應(yīng)器的內(nèi)壁溫度控制在550℃以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物核燃料制備方法，其特征在于，所述等離子體反應(yīng)器中，等離子體產(chǎn)生的方式包括高壓放電、直流電弧放電、高頻放電、微波放電和激光電離中至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物核燃料制備方法，其特征在于，所述產(chǎn)物還包括氣固兩相流產(chǎn)物；所述氮化物核燃料制備方法還包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物核燃料制備方法，其特征在于，所述氮化物核燃料制備方法還包括以下步驟：將所述產(chǎn)物在104k/s～109k/s的冷卻速率下進(jìn)行急速冷卻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物核燃料制備方法，其特征在于，所述核燃料氟化物包括uf6、uf4、puf6、thf6、thf4中至少一種；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化物核燃料制備方法，其特征在于，所述核燃料氟化物為六氟化物時(shí)，將其加熱后以氣態(tài)通入所述等離子體反應(yīng)器中；
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化物核燃料制備方法，其特征在于，所述氮源采用氮?dú)浠衔飼r(shí)，還需要將h2加入等離子體反應(yīng)器中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的氮化物核燃料制備方法，其特征在于，所述氮化物核燃料制備方法還包括以下步驟：
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氮化物核燃料制備方法，其特征在于，所述氮化物燃料包括氮化物芯塊、氮化物彌散燃料、氮化物芯體triso顆粒中至少一種。