UO2-MO芯块氧铀比检测方法研究

许娟 孙建宇 杨宁

摘 要：本文研究了UO2-MO芯块的氧铀原子比检测方法，通过不同成分配比的UO2-MO芯块进行试验，研究表明UO2-MO芯块中的MO是一种稳定的化合物，不参与热重反应，只有二氧化铀在氧气中氧化成稳定的八氧化三铀。通过精确测定样品脱水后的净重以及氧化后的总重量，通过公式推导得出了UO2-MO芯块氧铀比的计算公式，本方法的RSD优于0.13%。

关键词：UO2-MO芯块;热重;氧铀比

中图分类号：P57                          文献标识码：A

0引言

目前使用的氧化物核燃料虽然能够稳定、安全的运行，但存在一大弊端是其导热性能欠佳，这限制了反应堆的功率，造成燃料芯块过早的破裂和燃料恶化。为了解决这一问题，研制出氧化铀与导热性能更好的MO交织在一起的混合工艺的芯块，在这种燃料芯块中，MO就像热管一样吸出热量，促使更有效地冷却燃料芯块，使燃料的导热性能比常规核燃料至少高出50%[1]。更高导热性能的芯块，对应的研究其检测方法，本文研究了UO2-MO芯块的氧铀比检测方法。

1 方法原理

常规二氧化铀在氧气中氧化成稳定的八氧化三铀。通过精确测定二氧化铀样品脱水后的净重以及氧化成八氧化三铀的重量来计算氧铀原子比。根据二氧化铀氧化成八氧化三铀质量的变化和杂质含量，计算可得氧铀原子比。

氧铀原子比[2]：

式中W0——二氧化铀样品氧化前的净重;

Wt——二氧化铀氧化成八氧化三铀后的重量。

I0——每克二氧化铀里所有杂质元素氧化物的总重量;It——每克八氧化三铀中所有杂质元素氧化物的总重量;

mA1——八氧化三铀的分子量/3倍氧原子量;

mA2——二氧化铀的分子量/氧原子

其中，氧的原子量M0=15.9994 ，铀的原子量是根据样品中各个铀的同位素富集度与其质量分数的乘积之和：

MU=234.0409×（234U%）+ 235.0439×（235U%）+ 236.0457×（236U%）+ 238.0508×（238U%）若樣品为天然铀，其中238U占99.3%，235U占0.7%，并且不考虑杂质含量则：

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

UO2-MO芯块中MO在氧气中是一种稳定的氧化物，不参与反应。

2设备及材料

实验仪器为德国耐弛TG209+ASC型热重分析仪，温度范围为RT-1000℃，升温速率（0～100）℃/min。

试验中所用到的芯块为重水磨削芯块，与MO粉末按一定比例配比进行氧化。

3结果与讨论

3.1 试验条件

热分析中对试验条件的选择必不可少，热分析的影响因素有温度、气氛，气体流速、升温速率等，本文在二氧化铀粉末和芯块的氧铀比检测方法基础上建立UO2-MO芯块的氧铀比检测方法。

3.1.1温度校正

使用热分析仪测定UO2-MO的氧铀比，必须保证仪器对温度的准确控制，所以要进行温度校正。

选取耐驰公司提供的In、Sn、Bi、Zn和Al材料，已知这些材料的熔点理论值，设定相应的升温程序（在空气气氛下，一般从室温升至高于材料熔点50℃的温度即可），使材料在升温过程中达到熔点，利用吸热放热判定材料熔点的实验值，与理论值加以比较，并进行修正，可得到温度校正曲线，数据结果见表1。

由表1可以看出，校正后的温度与理论温度很接近，二者差值≤±1℃，说明仪器的温度控制是准确的。

3.1.2测量气氛

实验均在动态气氛下进行，在样品脱水阶段，炉体内通入高纯氮气进行保护;在氧化阶段，通入高纯氧气利于样品完全氧化。在测量过程中要保证气流稳定，否则会影响TG曲线。

3.1.3温度程序

样品在氧气气氛下，由室温升至500℃可完全氧化成稳定的八氧化三铀，完全氧化后样品重量不再发生变化，在TG曲线上表现为水平直线。

测量温度程序如下：

整个过程中升温速率为10℃/min。

3.1.4基线

在热作用下不发生任何化学变化的样品支架和坩埚，不装入任何样品进行加热，其表观重量会随温度变化而变化，就是所谓的“浮力效应”，这是由于加热使空气浮力减小而产生对流，以及天平机械部件热效应等因素作用的结果。为了消除浮力效应，需要对空坩埚进行基线测量，然后用基线对样品测量曲线进行校正。需要注意的是，基线文件的测量必须与样品的测量具有完全相同的测量条件、温度程序和测量步骤等。

3.2 UO2-MO的氧铀比试验

用0.01mg精度的天平进行称量，试验用二氧化铀芯块磨削粉末和MO粉末进行配比（MO含量为3%，5%，7%，10%）放入坩埚中混匀，在热重分析仪中进行TG曲线测量，试验结果见表2。

表中可以明显观察MO添加比例越高，得到的增重百分比越低。图1为UO2芯块的热重曲线。

图1曲线说明了随着温度的升高，二氧化铀是不稳定的铀氧化物，随着温度的升高，二氧化铀会转化成更加稳定的八氧化三铀，表现为质量增加，依据国标GB 11842《二氧化铀粉末和芯块的氧铀原子比测定 热重法》可以测量增重百分比，掺杂MO的二氧化铀芯块的热重曲线与图1相同，不同的是MO的加入量不同，增重量会发生变化。

利用公式（1）（2）计算出氧铀原子比。在二氧化铀芯块磨削粉掺杂MO后，增重部分只是二氧化铀生成了八氧化三铀。随着MO含量增多，相对应的二氧化铀含量减少，增重量减少。根据以上分析，对于二氧化铀-MO芯块的氧铀比计算，利用公式进行推导：总增重百分比计算公式

根据公式可以计算出不同添加比例的二氧化铀-MO氧铀比值。

UO2-MO芯块与二氧化铀芯块中二氧化铀的净增重百分比几乎一致，计算得到的氧铀比一致，充分证明了UO2-MO芯块中MO不参与增重反应。

对工艺上提供的UO2-5%MO芯块进行氧铀比测量，连用质谱仪测得工艺上提供的UO2-5%MO芯块中MO实际含量为4.95%，与理论值接近，经过计算，UO2-5%MO芯块的氧铀比为2.000，结果与不添加MO的二氧化铀芯块氧铀比一致。

3.3精密度

利用上述测量条件对5%的UO2-MO进行6次测量，测量结果见表3。

结论

1、研究表明掺杂MO和不掺杂MO的二氧化铀氧铀比基本一致，UO2-MO芯块中MO是一种稳定的化合物，不参与热重反应。通过公式推导，得出了的UO2-MO芯块氧铀比的计算公式。

2、建立的方法的RSD优于0.13%，用UO2-5%MO芯块验证了方法的可靠性。

参考文献

[1] 武浩松，美国工程师开发出更加安全高效的核燃料要闻，2005，（10）：25-26