一种UO2微球合成方法与流程

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种uo2微球合成方法。

背景技术：

核能，作为一种清洁能源，已经成功地使用了几十年。现在在役的核反应堆堆型主要是压水堆，其利用的是陶瓷uo2作为芯块。这种燃料是以235u丰度3%~5%的uo2粉末烧结而成。但是现在的uo2陶瓷核燃料燃耗比较低，卸料的时候铀利用率不足1%，影响反应堆运行的安全性。主要原因是反应堆内部条件恶劣。uo2陶瓷芯块在使用过程中，在高温、强辐照等恶劣条件下会出现肿胀，破裂，裂变气体释放，导致核燃料与包壳相互作用增强，裂变气体腐蚀包壳，包壳内部压力增大，变型甚至破裂，进而影响核反应堆运行的安全性。

近些年的研究发现，核燃料芯块的燃耗并不均匀，边缘区域的燃耗能够达到平均燃耗的2-3倍。在高燃耗区域，燃料的微观结构会发生了变化，原始5μm-20μm的晶粒逐渐细化成了200nm-300nm的晶粒，同时出现了封闭的孔结构。研究发现，这种纳米晶和封闭孔的结构，可以有效地提高核燃料的抗辐照损伤能力，改善塑性，增强裂变气体的保留能力，有利于核燃料的燃耗加深。

除此之外，uo2还能被用作催化剂，半导体，热电材料和屏蔽材料等。材料的性能与材料的形貌、结构、尺寸和成分等具有紧密的相关性。特殊的形貌可能给材料的性质带来突破性的改变。

中国专利文献库公开了发明名称为《一种氧化铀纳米晶的可控合成方法》（cn201810187711.2），该方法实现了uo2纳米晶的成分和形貌控制。但是该方法得到的是单分散的纳米晶，而且不具有封闭孔结构，对于实现包容裂变产物还比较困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种uo2微球合成方法。

本发明的uo2微球合成方法，其特点是，包括以下步骤：

a.在电磁搅拌下，将铀酰盐溶解到去离子水中；

b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中，获得溶液a；

c.在溶液a中加入氨水，调节至碱性，获得溶液b；

d.将溶液b转移至水热釜中，在200℃下反应7h-20h后，自然冷却至室温，获得溶液c；

e.将溶液c中的固体沉淀进行离心分离得到固体d，用乙醇和丙酮洗涤固体d，得到所需。

步骤a中的铀酰盐为醋酸铀酰或硝酸铀酰中的一种。

步骤b中的乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中丙酮的体积百分比范围为20%-80%；当丙酮的体积百分比小于等于50%时，加入乙醇，乙醇的体积为乙酰丙酮与丙酮的混合溶液总体积的30%。

步骤c中溶液b的ph值范围为8.0~12.0。

本发明的uo2微球合成方法制备的uo2微球结晶性好、形貌可调，直径范围为1μm~3μm，uo2微球的表面具有纳米晶，纳米晶尺寸范围为50nm-300nm。本发明的制备方法可制备出具有纳米晶和内部有封闭孔的uo2微球，其结构特征与高燃耗结构特征一致。高燃耗结构是核燃料在达到很高燃耗下形成的，由200nm-300nm的uo2晶粒和封闭孔组成，纳米晶有利于提高核燃料的抗辐照损伤能力，封闭孔可以增强保留裂变气体的能力，提高核燃料的安全性，延长核燃料的服役时间，从而提高经济性。因此，本发明的uo2微球合成方法制备的具有纳米晶和封闭孔的uo2微球能够应用于未来的核燃料系统中。

利用同一种方法，通过调节实验参数，还可以制备不同结构的uo2微纳颗粒，如:(1)单分散uo2亚微米级多面体晶颗粒，无二级结构;(2)表面具有纳米晶，但中心为实心的二级结构uo2微米级颗粒;(3)表面具有纳米晶并且中心具有封闭孔的二级结构uo2微米球，这些uo2微纳颗粒还可应用于催化剂和半导体等领域。

附图说明

图1为本发明的uo2微球合成方法制备的具有纳米晶和封闭孔的uo2微球电镜照片；

图2为本发明的uo2微球合成方法制备的具有纳米晶和封闭孔的uo2微球剖面电镜照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于以下实例。

本发明的uo2微球合成方法，其特点是，包括以下步骤：

a.在电磁搅拌下，将铀酰盐溶解到去离子水中；

b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中，获得溶液a；

c.在溶液a中加入氨水，调节至碱性，获得溶液b；

d.将溶液b转移至水热釜中，在200℃下反应7h-20h后，自然冷却至室温，获得溶液c；

e.将溶液c中的固体沉淀进行离心分离得到固体d，用乙醇和丙酮洗涤固体d，得到所需。

步骤a中的铀酰盐为醋酸铀酰或硝酸铀酰中的一种。

步骤b中的乙酰丙酮与丙酮的混合溶液中丙酮的体积百分比范围为20%-80%；当丙酮的体积百分比小于等于50%时，加入乙醇，乙醇的体积为乙酰丙酮与丙酮的混合溶液总体积的30%。

步骤c中溶液b的ph值范围为8.0~12.0。

实施例1

本实施例的实施过程如下：

a.在电磁搅拌下，将100mg醋酸铀酰溶解到5ml去离子水中；

b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（8ml），丙酮（2ml）和乙醇（3ml）的混合溶液中，获得溶液a；

c.在溶液a中加入0.5ml氨水，调节至碱性，获得ph值范围为8.0~12.0的溶液b；

d.将溶液b转移至水热釜中，在200℃下反应7h后，自然冷却至室温，获得溶液c；

e.将溶液c中的固体沉淀进行离心分离得到固体d，用乙醇和丙酮洗涤固体d，得到所需。

用xrd可以识别本实施例的产物的相为纯净的uo2，如图1、2所示，形貌为表面具丰富纳米晶，中心包含封闭孔的微球。

实施例2

本实施例的实施过程如下：

a.在电磁搅拌下，将100mg硝酸铀酰溶解到5ml去离子水中；

b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（8ml），丙酮（2ml）和乙醇（3ml）的混合溶液中，获得溶液a；

c.在溶液a中加入1ml氨水，调节至碱性，获得ph值范围为8.0~12.0的溶液b；

d.将溶液b转移至水热釜中，在200℃下反应12h后，自然冷却至室温，获得溶液c；

e.将溶液c中的固体沉淀进行离心分离得到固体d，用乙醇和丙酮洗涤固体d，得到所需。

用xrd可以识别本实施例的产物的相为纯净的uo2，形貌为表面具丰富纳米晶，中心包含封闭孔的微球。

实施例3

本实施例的实施过程如下：

a.在电磁搅拌下，将100mg醋酸铀酰溶解到5ml去离子水中；

b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（6ml），丙酮（4ml）和乙醇（3ml）的混合溶液中，获得溶液a；

c.在溶液a中加入0.5ml氨水，调节至碱性，获得ph值范围为8.0~12.0的溶液b；

d.将溶液b转移至水热釜中，在200℃下反应20h后，自然冷却至室温，获得溶液c；

e.将溶液c中的固体沉淀进行离心分离得到固体d，用乙醇和丙酮洗涤固体d，得到所需。

用xrd可以识别本实施例的产物的相为纯净的uo2，形貌为表面具丰富纳米晶，中心包含封闭孔的微球。

实施例4

本实施例的实施过程如下：

a.在电磁搅拌下，将100mg硝酸铀酰溶解到5ml去离子水中；

b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（2ml）和丙酮（8ml）的混合溶液中，获得溶液a；

c.在溶液a中加入0.5ml氨水，调节至碱性，获得ph值范围为8.0~12.0的溶液b；

d.将溶液b转移至水热釜中，在200℃下反应20h后，自然冷却至室温，获得溶液c；

e.将溶液c中的固体沉淀进行离心分离得到固体d，用乙醇和丙酮洗涤固体d，得到所需。

用xrd可以识别本实施例的产物的相为纯净的uo2，形貌为表面具丰富纳米晶，中心包含封闭孔的微球。

实施例5

本实施例的实施过程如下：

a.在电磁搅拌下，将100mg醋酸铀酰溶解到10ml去离子水中；

b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（5ml）和丙酮（15ml）的混合溶液中，获得溶液a；

c.在溶液a中加入1ml氨水，调节至碱性，获得ph值范围为8.0~12.0的溶液b；

d.将溶液b转移至水热釜中，在200℃下反应12h后，自然冷却至室温，获得溶液c；

e.将溶液c中的固体沉淀进行离心分离得到固体d，用乙醇和丙酮洗涤固体d，得到所需。

用xrd可以识别本实施例的产物的相为纯净的uo2，形貌为表面具丰富纳米晶，为实心的十四面体颗粒。

实施例6

本实施例的实施过程如下：

a.在电磁搅拌下，将100mg醋酸铀酰溶解到10ml去离子水中；

b.在铀酰盐完全溶解以后，将铀酰盐溶液加入到乙酰丙酮（10ml）和丙酮（10ml）的混合溶液中，获得溶液a；

c.在溶液a中加入1ml氨水，调节至碱性，获得ph值范围为8.0~12.0的溶液b；

d.将溶液b转移至水热釜中，在200℃下反应12h后，自然冷却至室温，获得溶液c；

e.将溶液c中的固体沉淀进行离心分离得到固体d，用乙醇和丙酮洗涤固体d，得到所需。

用xrd可以识别本实施例的产物的相为纯净的uo2，形貌为刃角开裂的八面体纳米晶。