UO₂-MO芯塊氧鈾比檢測方法研究

許娟 孫建宇 楊寧

摘 要：本文研究了UO2-MO芯塊的氧鈾原子比檢測方法，通過不同成分配比的UO2-MO芯塊進行試驗，研究表明UO2-MO芯塊中的MO是一種穩定的化合物，不參與熱重反應，只有二氧化鈾在氧氣中氧化成穩定的八氧化三鈾。通過精確測定樣品脫水后的凈重以及氧化后的總重量，通過公式推導得出了UO2-MO芯塊氧鈾比的計算公式，本方法的RSD優于0.13%。

關鍵詞：UO2-MO芯塊;熱重;氧鈾比

中圖分類號：P57? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

0引言

目前使用的氧化物核燃料雖然能夠穩定、安全的運行，但存在一大弊端是其導熱性能欠佳，這限制了反應堆的功率，造成燃料芯塊過早的破裂和燃料惡化。為了解決這一問題，研制出氧化鈾與導熱性能更好的MO交織在一起的混合工藝的芯塊，在這種燃料芯塊中，MO就像熱管一樣吸出熱量，促使更有效地冷卻燃料芯塊，使燃料的導熱性能比常規核燃料至少高出50%[1]。更高導熱性能的芯塊，對應的研究其檢測方法，本文研究了UO2-MO芯塊的氧鈾比檢測方法。

1 方法原理

常規二氧化鈾在氧氣中氧化成穩定的八氧化三鈾。通過精確測定二氧化鈾樣品脫水后的凈重以及氧化成八氧化三鈾的重量來計算氧鈾原子比。根據二氧化鈾氧化成八氧化三鈾質量的變化和雜質含量，計算可得氧鈾原子比。

氧鈾原子比[2]：

式中W0——二氧化鈾樣品氧化前的凈重;

Wt——二氧化鈾氧化成八氧化三鈾后的重量。

I0——每克二氧化鈾里所有雜質元素氧化物的總重量;It——每克八氧化三鈾中所有雜質元素氧化物的總重量;

mA1——八氧化三鈾的分子量/3倍氧原子量;

mA2——二氧化鈾的分子量/氧原子

其中，氧的原子量M0=15.9994 ，鈾的原子量是根據樣品中各個鈾的同位素富集度與其質量分數的乘積之和：

MU=234.0409×（234U%）+ 235.0439×（235U%）+ 236.0457×（236U%）+ 238.0508×（238U%）若樣品為天然鈾，其中238U占99.3%，235U占0.7%，并且不考慮雜質含量則：

MU =235.0439×0.7%+238.0508×99.3%=238.03

UO2-MO芯塊中MO在氧氣中是一種穩定的氧化物，不參與反應。

2設備及材料

實驗儀器為德國耐弛TG209+ASC型熱重分析儀，溫度范圍為RT-1000℃，升溫速率（0～100）℃/min。

試驗中所用到的芯塊為重水磨削芯塊，與MO粉末按一定比例配比進行氧化。

3結果與討論

3.1 試驗條件

熱分析中對試驗條件的選擇必不可少，熱分析的影響因素有溫度、氣氛，氣體流速、升溫速率等，本文在二氧化鈾粉末和芯塊的氧鈾比檢測方法基礎上建立UO2-MO芯塊的氧鈾比檢測方法。

3.1.1溫度校正

使用熱分析儀測定UO2-MO的氧鈾比，必須保證儀器對溫度的準確控制，所以要進行溫度校正。

選取耐馳公司提供的In、Sn、Bi、Zn和Al材料，已知這些材料的熔點理論值，設定相應的升溫程序（在空氣氣氛下，一般從室溫升至高于材料熔點50℃的溫度即可），使材料在升溫過程中達到熔點，利用吸熱放熱判定材料熔點的實驗值，與理論值加以比較，并進行修正，可得到溫度校正曲線，數據結果見表1。

由表1可以看出，校正后的溫度與理論溫度很接近，二者差值≤±1℃，說明儀器的溫度控制是準確的。

3.1.2測量氣氛

實驗均在動態氣氛下進行，在樣品脫水階段，爐體內通入高純氮氣進行保護;在氧化階段，通入高純氧氣利于樣品完全氧化。在測量過程中要保證氣流穩定，否則會影響TG曲線。

3.1.3溫度程序

樣品在氧氣氣氛下，由室溫升至500℃可完全氧化成穩定的八氧化三鈾，完全氧化后樣品重量不再發生變化，在TG曲線上表現為水平直線。

測量溫度程序如下：

整個過程中升溫速率為10℃/min。

3.1.4基線

在熱作用下不發生任何化學變化的樣品支架和坩堝，不裝入任何樣品進行加熱，其表觀重量會隨溫度變化而變化，就是所謂的“浮力效應”，這是由于加熱使空氣浮力減小而產生對流，以及天平機械部件熱效應等因素作用的結果。為了消除浮力效應，需要對空坩堝進行基線測量，然后用基線對樣品測量曲線進行校正。需要注意的是，基線文件的測量必須與樣品的測量具有完全相同的測量條件、溫度程序和測量步驟等。

3.2 UO2-MO的氧鈾比試驗

用0.01mg精度的天平進行稱量，試驗用二氧化鈾芯塊磨削粉末和MO粉末進行配比（MO含量為3%，5%，7%，10%）放入坩堝中混勻，在熱重分析儀中進行TG曲線測量，試驗結果見表2。

表中可以明顯觀察MO添加比例越高，得到的增重百分比越低。圖1為UO2芯塊的熱重曲線。

圖1曲線說明了隨著溫度的升高，二氧化鈾是不穩定的鈾氧化物，隨著溫度的升高，二氧化鈾會轉化成更加穩定的八氧化三鈾，表現為質量增加，依據國標GB 11842《二氧化鈾粉末和芯塊的氧鈾原子比測定 熱重法》可以測量增重百分比，摻雜MO的二氧化鈾芯塊的熱重曲線與圖1相同，不同的是MO的加入量不同，增重量會發生變化。

利用公式（1）（2）計算出氧鈾原子比。在二氧化鈾芯塊磨削粉摻雜MO后，增重部分只是二氧化鈾生成了八氧化三鈾。隨著MO含量增多，相對應的二氧化鈾含量減少，增重量減少。根據以上分析，對于二氧化鈾-MO芯塊的氧鈾比計算，利用公式進行推導：總增重百分比計算公式

根據公式可以計算出不同添加比例的二氧化鈾-MO氧鈾比值。

UO2-MO芯塊與二氧化鈾芯塊中二氧化鈾的凈增重百分比幾乎一致，計算得到的氧鈾比一致，充分證明了UO2-MO芯塊中MO不參與增重反應。

對工藝上提供的UO2-5%MO芯塊進行氧鈾比測量，連用質譜儀測得工藝上提供的UO2-5%MO芯塊中MO實際含量為4.95%，與理論值接近，經過計算，UO2-5%MO芯塊的氧鈾比為2.000，結果與不添加MO的二氧化鈾芯塊氧鈾比一致。

3.3精密度

利用上述測量條件對5%的UO2-MO進行6次測量，測量結果見表3。

結論

1、研究表明摻雜MO和不摻雜MO的二氧化鈾氧鈾比基本一致，UO2-MO芯塊中MO是一種穩定的化合物，不參與熱重反應。通過公式推導，得出了的UO2-MO芯塊氧鈾比的計算公式。

2、建立的方法的RSD優于0.13%，用UO2-5%MO芯塊驗證了方法的可靠性。

參考文獻

[1] 武浩松，美國工程師開發出更加安全高效的核燃料要聞，2005，（10）：25-26