本發(fā)明屬于核材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種氧化镎靶件芯塊制備工藝。
背景技術(shù)：
238Pu是空間核能領(lǐng)域的一種重要核材料，是開(kāi)展空間活動(dòng)所需的放射性同位素電源和熱源的理想燃料。以美國(guó)為例，在過(guò)去60年的空間探索任務(wù)中，其發(fā)射的空間飛行器上搭載的42個(gè)放射性同位素電源系統(tǒng)均選擇了238Pu作為燃料。
目前，238Pu的生產(chǎn)主要通過(guò)在反應(yīng)堆中輻照237Np的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理為：237Np在中子輻照下發(fā)生(n,γ)反應(yīng)產(chǎn)生238Np核素，產(chǎn)生的238Np發(fā)生β衰變生成238Pu。
基于以上原理，美國(guó)薩凡納河實(shí)驗(yàn)室發(fā)展了NpO2-Al彌散靶件制備工藝(注：下文中Np均特指237Np)，其主要制備流程如下：首先將原始氧化镎經(jīng)過(guò)溶解、除雜和氧化等化學(xué)過(guò)程制成純化氧化镎粉末；然后將氧化镎粉末和Al粉按1:4體積比混合，經(jīng)熱擠壓制成環(huán)形靶件芯體；最后將芯體組裝制成靶件。然而該工藝較為復(fù)雜，靶件為環(huán)形且氧化镎粉末只占靶件芯體的20％，使得總體镎裝載量較低，導(dǎo)致238Pu產(chǎn)量也較低，生產(chǎn)成本較高。
美國(guó)于1988年停止生產(chǎn)238Pu，并于1996年薩凡納河K反應(yīng)堆關(guān)閉后喪失了大規(guī)模238Pu的生產(chǎn)能力。2013年，美國(guó)能源部重啟了238Pu的生產(chǎn)，目前仍選用了較為成熟的NpO2-Al彌散靶件制備工藝，而與镎靶件相關(guān)的陶瓷靶、液體靶等新工藝的開(kāi)發(fā)工作也在進(jìn)行之中，截至目前未見(jiàn)成熟的工藝公開(kāi)發(fā)表。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為解決現(xiàn)有氧化镎靶件制備工藝中存在的總體镎裝載量較低，生產(chǎn)成本較高，工藝較為復(fù)雜等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種氧化镎靶件芯塊制備工藝。該工藝包括以下步驟：
(一)根據(jù)需要取氧化镎粉末與氧化鎂粉末作為靶件芯塊原料，其中，氧化鎂粉末的質(zhì)量占二者總質(zhì)量的1-10％；
(二)在所述氧化镎粉末中，取出占所述氧化鎂粉末質(zhì)量0.5-4倍的氧化镎粉末，將取出的氧化镎粉末與所述氧化鎂粉末在三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)內(nèi)混合4h以上，得到初混粉末；
(三)將剩余的氧化镎粉末和硬脂酸加入三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)內(nèi)，使之與前述初混粉末繼續(xù)混合2h以上，得到混合粉末；其中，硬脂酸的加入量占全部氧化镎粉末與氧化鎂粉末總質(zhì)量的0.2-0.8％；
(四)采用300～600MPa壓力對(duì)所述混合粉末進(jìn)行冷壓成型，保壓時(shí)間30-120s，制成靶件芯塊生坯；
(五)在保護(hù)氣氛條件下，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝對(duì)制得的靶件芯塊生坯進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1550～1850℃，制得氧化镎靶件芯塊。
所述保護(hù)氣氛可以采用惰性氣體保護(hù)或真空保護(hù)。
所述保護(hù)氣氛優(yōu)選為Ar-5vol％H2還原性保護(hù)氣氛。
本發(fā)明制得的氧化镎靶件芯塊屬于陶瓷芯塊，其含有占總質(zhì)量1-10％的氧化鎂。實(shí)際上，純氧化镎陶瓷能夠作為靶件在反應(yīng)堆中輻照生成238Pu，但由于其化學(xué)穩(wěn)定性過(guò)高，因此在輻照后難以通過(guò)化學(xué)處理將238Pu提取出來(lái)。為此，本發(fā)明嘗試通過(guò)摻雜第二相以使制得的氧化镎靶件芯塊易于通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理來(lái)提取生成的238Pu，同時(shí)改善其它有關(guān)性能。
通過(guò)大量的試驗(yàn)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)摻入少量氧化鎂的氧化镎陶瓷可以方便的通過(guò)硝酸進(jìn)行化學(xué)溶解，并具有較好的溶解速度，便于238Pu的提取。與此同時(shí)，這種少量摻雜氧化鎂的氧化镎陶瓷還兼具以下優(yōu)異的特性：一、相較于純氧化镎陶瓷，其具有更優(yōu)良的熱導(dǎo)率。本發(fā)明少量摻雜氧化鎂的氧化镎陶瓷，其室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)10-20W/mK，較純氧化镎陶瓷的室溫?zé)釋?dǎo)率8-10W/mK有了極大提升，因此有利于降低靶件在堆內(nèi)運(yùn)行溫度，減輕靶件芯塊與包殼相互作用，提高靶件堆內(nèi)運(yùn)行安全性。二、由于氧化鎂的熱中子吸收截面很低，因此其具有較高的反應(yīng)堆中子利用率。三、摻入少量氧化鎂制得的芯塊相對(duì)密度可達(dá)89％，與純氧化镎陶瓷芯塊一般僅為80％左右的相對(duì)密度相比，不但沒(méi)有降低，反而有所提高，顯著提高了總體镎裝載量。
綜上所述，本發(fā)明的氧化镎靶件芯塊制備工藝具有工藝流程較為簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，所制得的氧化镎靶件芯塊總體镎裝載量高，中子利用率高，且具備較高熱導(dǎo)率，在堆內(nèi)輻照性能更好，生成的238Pu便于化學(xué)溶解提取，且具有較高的提取效率。采用本發(fā)明的制備工藝制備氧化镎靶件芯塊，進(jìn)而生產(chǎn)238Pu燃料，其總體生產(chǎn)成本較低，適用于238Pu燃料的大規(guī)模生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例1
(一)根據(jù)需要取氧化镎粉末與氧化鎂粉末作為靶件芯塊原料，其中，氧化鎂粉末的質(zhì)量占二者總質(zhì)量的1％；
(二)在所述氧化镎粉末中，取出與所述氧化鎂粉末質(zhì)量相等的氧化镎粉末，將取出的氧化镎粉末與所述氧化鎂粉末在三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)內(nèi)混合6h，得到初混粉末；
(三)將剩余的氧化镎粉末和硬脂酸加入三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)內(nèi)，使之與前述初混粉末繼續(xù)混合3h，得到混合粉末；其中，硬脂酸的加入量占全部氧化镎粉末與氧化鎂粉末總質(zhì)量的0.2；
(四)在手套箱內(nèi)采用液壓機(jī)以350MPa壓力對(duì)所述混合粉末進(jìn)行冷壓成型，保壓時(shí)間40s，制成相對(duì)密度為55％的靶件芯塊生坯；
(五)在保護(hù)氣氛條件下，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝對(duì)制得的靶件芯塊生坯燒結(jié)2h，燒結(jié)溫度為1650℃，制得相對(duì)密度為85.2％的氧化镎靶件芯塊。
實(shí)施例2
(一)根據(jù)需要取氧化镎粉末與氧化鎂粉末作為靶件芯塊原料，其中，氧化鎂粉末的質(zhì)量占二者總質(zhì)量的5％；
(二)在所述氧化镎粉末中，取出占所述氧化鎂粉末質(zhì)量0.5倍的氧化镎粉末，將取出的氧化镎粉末與所述氧化鎂粉末在三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)內(nèi)混合4h，得到初混粉末；
(三)將剩余的氧化镎粉末和硬脂酸加入三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)內(nèi)，使之與前述初混粉末繼續(xù)混合2h，得到混合粉末；其中，硬脂酸的加入量占全部氧化镎粉末與氧化鎂粉末總質(zhì)量的0.4；
(四)在手套箱內(nèi)采用液壓機(jī)以400MPa壓力對(duì)所述混合粉末進(jìn)行冷壓成型，保壓時(shí)間80s，制成相對(duì)密度為58％的靶件芯塊生坯；
(五)在保護(hù)氣氛條件下，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝對(duì)制得的靶件芯塊生坯燒結(jié)3h，燒結(jié)溫度為1600℃，制得相對(duì)密度為89％的氧化镎靶件芯塊。
實(shí)施例3
(一)根據(jù)需要取氧化镎粉末與氧化鎂粉末作為靶件芯塊原料，其中，氧化鎂粉末的質(zhì)量占二者總質(zhì)量的10％；
(二)在所述氧化镎粉末中，取出占所述氧化鎂粉末質(zhì)量4倍的氧化镎粉末，將取出的氧化镎粉末與所述氧化鎂粉末在三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)內(nèi)混合8h，得到初混粉末；
(三)將剩余的氧化镎粉末和硬脂酸加入三維運(yùn)動(dòng)混合機(jī)內(nèi)，使之與前述初混粉末繼續(xù)混合5h，得到混合粉末；其中，硬脂酸的加入量占全部氧化镎粉末與氧化鎂粉末總質(zhì)量的0.6；
(四)在手套箱內(nèi)采用液壓機(jī)以600MPa壓力對(duì)所述混合粉末進(jìn)行冷壓成型，保壓時(shí)間120s，制成相對(duì)密度為52％的靶件芯塊生坯；
(五)在保護(hù)氣氛條件下，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝對(duì)制得的靶件芯塊生坯燒結(jié)2.5h，燒結(jié)溫度為1700℃，制得相對(duì)密度為81％的氧化镎靶件芯塊。
實(shí)施例4
對(duì)實(shí)施例3制得的氧化镎靶件芯塊進(jìn)行硝酸溶解試驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)流程及結(jié)果如下：將氧化镎靶件芯塊破碎成顆粒，置入8mol/L的濃硝酸溶液中，攪拌后靜置24小時(shí)，溶液中顆粒物基本完全溶解。將溶解后的溶液抽濾，濾紙上殘余細(xì)小顆?？傎|(zhì)量為芯塊質(zhì)量的4.6％，相應(yīng)可得出芯塊溶解率為95.4％。
試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本發(fā)明的制備工藝制得的氧化镎靶件芯塊具有良好的化學(xué)溶解性。