王 輝,陳 勇,劉錦洪,尹榮才,肖紅星
中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核燃料材料國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041
UO2顆粒的晶粒尺寸對(duì)其在核反應(yīng)堆中的輻照時(shí)產(chǎn)生的裂變氣體的行為有重要影響。UO2顆粒的晶粒尺寸越大,裂變氣體的遷移距離越長(zhǎng),裂變氣體的釋放速率越低,降低PCI效應(yīng)。摻雜鈦能有效地促進(jìn)UO2微球的晶粒生長(zhǎng),在相同的燒結(jié)條件下,摻鈦UO2微球的晶粒尺寸比未摻雜的UO2微球要大。摻鈦UO2微球晶粒生長(zhǎng)行為和UO2微球必然有一定的差異,因此研究摻鈦UO2微球晶粒生長(zhǎng)機(jī)制,對(duì)提高和控制摻鈦UO2微球的質(zhì)量、優(yōu)化工藝參數(shù)具有一定的理論指導(dǎo)意義。本工作從摻鈦UO2微球晶粒生長(zhǎng)的研究出發(fā),對(duì)摻鈦UO2微球晶粒生長(zhǎng)機(jī)制做簡(jiǎn)要的探討。
鈦酸四丁酯(純度不小于98.5%(GC))、w=68%濃硝酸、w=70%濃硫酸、去離子水、超純凈水、尿素、烏洛托品、異辛醇(分析純)、乙醇(分析純)、Span80等,市售。缺酸硝酸鈾酰(ADUN),實(shí)驗(yàn)室自制。
OKP-H010型超純水器,上海淶科儀器有限公司;JB-2A磁力恒溫?cái)嚢杵?,杭州匯爾儀器公司;溶膠儲(chǔ)罐、分散膠凝裝置,自制;HZH2000-160還原燒結(jié)爐,上海升利測(cè)試儀器有限公司;6XB-PC光學(xué)金相顯微鏡,上海光學(xué)儀器廠。
固定摻雜鈦量為0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),采用溶膠-凝膠法制備含鈦缺酸硝酸鈾酰溶膠,取一定量酸、去離子水、某鈦化合物、缺酸硝酸鈾酰(ADUN)混合在燒杯中,通過(guò)勻速攪拌一段時(shí)間后得到透明的摻鈦ADUN溶膠;摻鈦ADUN溶膠經(jīng)溶膠分散、膠凝、洗滌、煅燒、還原燒結(jié)等工藝得到摻鈦UO2微球。其中燒結(jié)氣氛為H2;燒結(jié)溫度分別為:1 250、1 350、1 450、1 550 ℃;燒結(jié)時(shí)間為4 h。
燒結(jié)后的摻鈦UO2微球經(jīng)研磨、機(jī)械拋光、并用φ=50%濃HNO3+φ=50%高純H2O化學(xué)蝕刻1~3 min后用光學(xué)顯微鏡觀察晶粒大小和形狀,用圖像儀測(cè)量晶粒平均大小。
對(duì)一般材料而言,其晶粒生長(zhǎng)均符合經(jīng)典的阿倫尼烏斯公式,即:
(1)
式中:k為晶粒生長(zhǎng)速度,A為指前因子,Ea為晶粒生長(zhǎng)活化能,R為氣體常數(shù),T為熱處理溫度。
(2)
(3)
在兩個(gè)溫度T1、T2之間平均活化能為:
(4)
式中:G1、G2為溫度分別為T(mén)1、T2時(shí)的平均晶粒大??;G0為樣品退火前的平均晶粒大小。
本工作所研究的摻鈦UO2微球分別在1 250、1 350、1 450、1 550 ℃保溫4 h,得到的平均晶粒大小分別為3.3、6.8、25.4、41.9 μm(圖1)。根據(jù)公式(4),可以計(jì)算得到1 250~1 550 ℃之間的摻鈦UO2微球晶粒生長(zhǎng)的平均活化能Ea。計(jì)算結(jié)果列于表1。根據(jù)表1計(jì)算1 250~1 550 ℃之間的摻鈦UO2微球晶粒生長(zhǎng)的平均活化能Ea=(181.72+361.70+154.95)/3=232.79 kJ/mol。
圖1 w(Ti)=0.3%摻鈦UO2微球不同燒結(jié)溫度下的金相照片
表1 摻鈦UO2微球晶粒生長(zhǎng)活化能
根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知UO2微球晶粒生長(zhǎng)的平均活化能Ea0=518.32 kJ/mol。Nichols[2]提出了正常晶粒生長(zhǎng)唯象動(dòng)力學(xué)方程(5),同時(shí)也適用于第二相雜質(zhì)存在時(shí)的晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)關(guān)系。根據(jù)公式(5)可知,燒結(jié)后的晶粒大小的三次方隨晶粒生長(zhǎng)活化能的減小而增大。因?yàn)閾解乁O2微球晶粒生長(zhǎng)的活化能Ea=232.79 kJ/mol (5) TiO2的加入對(duì)微球燒結(jié)過(guò)程中的氧勢(shì)有很大的影響。氧化鈦種類(lèi)很多,有Ti2O、TiO、Ti2O3、TiO2等,TiO2在高溫及H2氣氛中可以通過(guò)價(jià)態(tài)的改變而放出氧,TiO2以TiO2-x形式存在: TiO2=TiO2-x+xO (6) TiO2-x中x主要和燒結(jié)溫度有關(guān),根據(jù)文獻(xiàn)[3]中描述的溫度和TiO2氧勢(shì)的關(guān)系,當(dāng)燒結(jié)溫度為1 250 ℃時(shí),TiO2在微球中的氧勢(shì)很低,可以推測(cè)此時(shí)TiO2所釋放的氧很少,不足以使UO2產(chǎn)生新的相。當(dāng)燒結(jié)溫度繼續(xù)提高,TiO2在微球中的氧勢(shì)隨之迅速上升,溫度達(dá)到1 500 ℃時(shí),TiO2的氧勢(shì)已經(jīng)超過(guò)H2+φ=5%H2O的氧勢(shì)。此時(shí)TiO2氧勢(shì)較高,TiO2-x偏離正化學(xué)計(jì)量比較大,從而釋放的氧比較多,可能誘導(dǎo)摻鈦UO2微球中高價(jià)U4O9相的生成。 通過(guò)以上討論,在UO2微球中添加少量TiO2,隨燒結(jié)過(guò)程中溫度的升高,氧化鈦不斷地釋放出氧,通過(guò)TiO2聯(lián)合作用,使摻鈦UO2微球有可能在1 250~1 550 ℃之間部分相組成發(fā)生變化。只有少量的UO2相可能變成U4O9相,但因?yàn)閾诫s鈦的量極少,U4O9所占的比例也是極少的。 因?yàn)閾解乁O2微球中摻雜鈦的量極少,并且Ti原子半徑小于U原子半徑,所以摻鈦UO2微球中的晶粒生長(zhǎng)速度主要取決于U原子的擴(kuò)散速度DU。 令晶粒直徑為G,假設(shè)晶粒在一定溫度下為等軸長(zhǎng)大,從時(shí)間t0到t后晶粒增長(zhǎng)的體積ΔV等于: (7) 針對(duì)摻鈦UO2微球研究體系,利用公式(7)得到U4O9相和UO2相在一定時(shí)間(t-t0)內(nèi)晶粒增長(zhǎng)的體積之比為: (8) (9) 有關(guān)U原子的擴(kuò)散系數(shù),前人做了大量研究工作,文獻(xiàn)[4]中的研究結(jié)論被大家廣泛認(rèn)可,其內(nèi)容為: (10) (11) 式中:UO2的平均晶界活化能Ea1=377.6 kJ/mol,UO2+X的平均活化能Ea2=276.3 kJ/mol,式(11)中的X=0.25。 當(dāng)燒結(jié)溫度為1 350 ℃時(shí),利用公式(10)、(11)和(9)計(jì)算得到: 當(dāng)燒結(jié)溫度為1 450 ℃時(shí),利用公式(10)、(11)和(9)計(jì)算得到: 當(dāng)燒結(jié)溫度為1 550 ℃時(shí),利用公式(10)、(11)和(9)計(jì)算得到: 由圖1知,摻鈦UO2微球在1 250 ℃燒結(jié)時(shí)晶粒大小比較均勻,平均晶粒尺寸約為3.3 μm;摻鈦UO2微球在1 350 ℃燒結(jié)時(shí)最大的晶粒尺寸為20 μm,為1 250 ℃燒結(jié)時(shí)平均晶粒尺寸的約7倍;摻鈦UO2微球在1 450 ℃燒結(jié)時(shí)最大的晶粒尺寸約為50.5 μm,為1 350 ℃燒結(jié)時(shí)平均晶粒尺寸的約8倍;與上面計(jì)算得到的數(shù)值8.0、7.0很接近,而摻鈦微球在1 550 ℃燒結(jié)時(shí)最大的晶粒尺寸為65 μm,為1 450 ℃燒結(jié)時(shí)平均晶粒尺寸的2.3倍,與上面計(jì)算的7倍差異很大。因此認(rèn)為在1 250~1 450 ℃之間由于摻雜鈦提供了過(guò)剩氧而使微球中可能生成U4O9相這一觀點(diǎn)基本是合理的。由于擴(kuò)散速度的差異,U4O9相成為大晶粒區(qū),而UO2相成為小晶粒區(qū),大晶粒生長(zhǎng)速度大于小晶粒,大晶粒附近的小晶粒不斷消失,盡管整體上也在不斷長(zhǎng)大,但速度較慢。當(dāng)小晶?;颈淮缶Я!案采w”后,且晶界由曲線變?yōu)橹本€時(shí),晶粒生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力消失,晶粒生長(zhǎng)基本結(jié)束。同時(shí),繼續(xù)提高燒結(jié)溫度以及在還原氣氛H2中燒結(jié)較長(zhǎng)時(shí)間后,U4O9被還原為UO2。 因此,摻鈦UO2微球在燒結(jié)后期(1 250 ℃以后),晶粒迅速長(zhǎng)大的主要原因可能是摻雜劑鈦通過(guò)價(jià)態(tài)的改變提供了“過(guò)?!毖酰瑥亩筛邇r(jià)態(tài)的U4O9相促進(jìn)了U原子擴(kuò)散速度,導(dǎo)致?lián)解乁O2微球晶粒尺寸大于UO2微球。 (1)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到在1 250~1 550 ℃之間摻鈦UO2微球晶粒生長(zhǎng)的平均活化能Ea=232.79 kJ/mol,明顯地低于未摻鈦UO2微球晶粒生長(zhǎng)的平均活化能(Ea0=518.32 kJ/mol),因此摻雜氧化鈦后有助于微球的晶粒生長(zhǎng)。 (2)摻鈦UO2微球在燒結(jié)后期(1 250 ℃之后),晶粒迅速長(zhǎng)大的主要原因可能是摻雜的氧化鈦通過(guò)價(jià)態(tài)的變化提供了剩余氧,從而微球部分區(qū)域形成高價(jià)態(tài)的U4O9相加快了U原子擴(kuò)散速度。 [1]果世駒,粉末燒結(jié)理論[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007:110-111. [2]Nichols F A.Kinetics of Diffusional Motion of Pores in Solids: A Review[J].J Nucl Mater,1969,30: 143-165. [3]Dehaudt Ph.New UO2Fuel Studied.IAEA-TECDOC-1036[R].Vienna: IAEA. [4]Dehaudt Ph,Bourgeois L,Chevrel H,et al.Activation Energy of UO2and UO2+XSintering[J].J Nucl Mater,2001,299(3): 250-259.2.2 摻雜鈦對(duì)UO2微球燒結(jié)過(guò)程中氧勢(shì)的影響
2.3 摻鈦UO2微球中UO2相和U4O9相對(duì)晶粒生長(zhǎng)的影響
3 結(jié) 論