Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của chất tạo lỗ xốp Amoni Oxalat đến một số đặc tính của viên gốm Urani Dioxit

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của chất tạo lỗ xốp Amoni Oxalat đến một số đặc tính của viên gốm Urani Dioxit

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN NGUYỄN VĂN TÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT TẠO LỖ XỐP AMONI OXALAT ĐẾN MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA VIÊN GỐM URANI DIOXIT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 1
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN NGUYỄN VĂN TÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤT TẠO LỖ XỐP AMONI OXALAT ĐẾN MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA VIÊN GỐM URANI DIOXIT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên Ngành: Hóa Vô cơ Mã số: 60440113 Tập thể hướng dẫn khoa học: TS. Hoàng Thị Hương Huế PGS.TS. Lê Bá Thuận Hà Nội – 2015 2
3. LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc nhất em xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Lê Bá Thuận và TS. Hoàng Thị Hương Huế đã giao đề tài, tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Trọng Hùng, Giám đốc Trung tâm Công nghệ nhiên liệu hạt nhân đã đưa ra những nhận xét, góp ý kịp thời cho tôi trong suốt thời gian làm luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô của Bộ môn Hóa Vô cơ, Khoa Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên; tập thể cán bộ Trung tâm Công nghệ nhiên liệu hạt nhân, Trung tâm Nghiên cứu và chuyển giao công nghệ đất hiếm – Viện Công nghệ xạ hiếm đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, ngày 09 tháng 04 năm 2015 Học viên Nguyễn Văn Tùng 3
4. MỤC LỤC Mục Trang MỞ ĐẦU 1 Chương 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Công nghệ chế tạo viên gốm UO2 3 1.2. Quá trình thiêu kết 8 1.2.1. Các giai đoạn thiêu kết 8 1.2.2. Ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình thiêu kết 10 1.2.3. Thiêu kết viên gốm UO2 10 1.3. Ảnh hưởng của lỗ xốp đến tính chất viên gốm 12 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16 Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1. Hóa chất và thiết bị 20 2.1.1. Hóa chất 20 2.1.2. Thiết bị 20 2.2. Các phương pháp nghiên cứu 22 2.2.1. Các phương pháp đánh giá, kiểm tra chất lượng bột UO2 22 2.2.2. Các phương pháp đánh giá, kiểm tra chất lượng viên gốm UO2 23 2.3. Chế tạo viên gốm UO2 26 2.3.1. Chuẩn bị mẫu bột UO2 26 2.3.2. Chế tạo viên gốm UO2 27 2.4. Đánh giá tính thiêu kết của bột UO2 28 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1. Đặc tính bột UO2 và amoni oxalat nguyên liệu 29 3.1.1. Đặc tính bột UO2 29 3.1.2. Đặc tính của amoni oxalat 33 3.2. Chế tạo viên gốm 35 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến độ co ngót và tỷ 36 trọng viên gốm UO2 3.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến độ co ngót của viên 36 gốm UO2 4
5. 3.3.2. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến tỷ trọng viên gốm 37 UO2 38 3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến tỷ số O/U của viên gốm UO2 3.5. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến sự phân bố và 38 kích thước lỗ xốp trong viên gốm UO2 3.5.1. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến sự phân bố lỗ xốp 39 trong viên gốm UO2 3.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến kích thước lỗ xốp 42 trong viên gốm UO2 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến kích thước hạt 45 tinh thể 47 3.7. Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến độ bền nhiệt của viên gốm UO2 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 PHỤ LỤC 53 5
6. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADU Amoni diuranat AO Amoni oxalat AUC Amoni urani cacbonat AUO Amoni urani oxit ASTM Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Mỹ BET Diện tích bề mặt riêng CDS Khuôn ép thép nguội H/D Tỷ lệ chiều cao/đường kính KLR Khối lượng riêng LPW Lò phản ứng nước nhẹ O/U Tỷ lệ mol oxy/urani SEM Kính hiển vi điện tử quét TD Tỷ trọng theo lý thuyết WC Vonfram cacbit 6
7. DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ A- Bảng biểu Bảng 1: Một số đặc tính của bột UO2 thu được Bảng 2: Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến độ co ngót của viên gốm UO2 Bảng 3: Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến tỷ trọng của viên gốm UO2 Bảng 4: Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến tỷ số O/U của viên gốm UO2 Bảng 5: Số liệu tính toán sự phân bố lỗ xốp trên lát cắt viên gốm Bảng 6: Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến kích thước lỗ xốp của các viên gốm UO2 Bảng 7 : Kích thước hạt trung bình của viên gốm UO2 B- Hình vẽ Hình 1: Sơ đồ công nghệ chế tạo viên gốm UO2 Hình 2: Phân bố bột trong viên ép và trạng thái thiêu kết liên quan đến độ bền của hạt Hình 3: Phân bố tỷ trọng trong viên UO2 ép 2 chiều Hình 4: Giản nở đường kính viên UO2 theo lực ép trong các khuôn khác nhau Hình 5: Bản đồ ép chỉ dẫn vùng khuyết tật và không khuyết tật Hình 6: Mô hình các giai đoạn thiêu kết Hình 7: Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đến KLR của viên UO2 Hình 8: Mô tả sự hình thành lỗ xốp Hình 9: Dòng nguyên tử và lỗ trống trong quá trình thiêu kết Hình 10: Lỗ xốp ở góc giữa 3 hạt khi gb < 3 sv Hình 11: Lỗ xốp ở góc giữa 3 hạt khi gb = 3 sv Hình 12: Lỗ xốp ở góc giữa 3 hạt khi gb > 3 sv Hình 13: Tỷ trọng viên gốm UO2 khi có mặt các chất tạo lỗ xốp Hình 14: Sự phân bố của lỗ xốp > 10 μm trong viên gốm UO2 sử dụng các chất tạo lỗ xốp khác nhau Hình 15: Kích thước tinh thể UO2 khi có mặt chất tạo lỗ xốp 7
8. Hình 16: Lò chuyển hóa bột UO2 Hình 17: Lò thiêu kết viên gốm UO2 Hình 18: Dụng cụ đo KLR đống (dB) Hình 19: Vị trí xác định sự phân bố lỗ xốp Hình 20: Vị trí xác định kích thước hạt Hình 21: Giản đồ phân tích nhiệt của mẫu bột AUC Hình 22: Giản đồ XRD của mẫu bột thu được Hình 23: Ảnh SEM của mẫu bột UO2 Hình 24: Phân bố cỡ hạt của bột UO2 Hình 25: Giản đồ phân tích nhiệt của amoni oxalat Hình 26: Chương trình nhiệt thiêu kết viên gốm Hình 27: Các viên gốm sau khi ép và thiêu kết Hình 28: Ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến tỷ trọng viên gốm UO2 Hình 29: Ảnh hiển vi kim tương của các viên gốm với độ phóng đại 1000 lần Hình 30: Ảnh SEM của các viên gốm UO2 Hình 31: Sự phân bố kích thước lỗ xốp < 4 µm khi có mặt amoni axalat Hình 32: Hạt UO2 của viên gốm UO2 Hình 33: Sự phụ thuộc của kích thước hạt trung bình vào hàm lượng amoni oxalat Hình 34: Viên gốm UO2 sau khi thiêu kết và tái thiêu kết 8
9. MỞ ĐẦU Tính chất lý – nhiệt của viên gốm UO2 được quan tâm đặc biệt trong công nghệ chế tạo gốm nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân. Các đặc tính của viên gốm UO2 có mối liên hệ mật thiết với cấu trúc của viên gốm được chế tạo. Các thông số cấu trúc của viên gốm UO2 là căn cứ phản ánh nhiều tính chất cơ bản của viên gốm như độ bền cơ, tính dẫn nhiệt, khả năng lưu giữ khí phân hạch Thông qua các kết quả nghiên cứu cấu trúc, một mặt dự đoán được chất lượng viên gốm nhiên liệu, mặt khác tập hợp các thông số cấu trúc này sẽ cho phép xác định ảnh hưởng của quá trình chế tạo viên gốm (chất lượng bột, viên mộc, chế độ thiêu kết ) đến chất lượng của viên gốm. Từ đó quay trở lại điều chỉnh các thông số quá trình chế tạo sao cho đạt các chỉ tiêu, tiêu chuẩn cở bản của viên gốm nhiên liệu, tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo viên gốm nhiên liệu. Chất lượng của viên gốm nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất lượng bột, các thông số công nghệ của quá trình ép viên, thiêu kết và các chất phụ gia Chất lượng của viên gốm được phản ánh qua các thông số cấu tạo, các tính chất lý-nhiệt của viên gốm. Trong đó, kích thước lỗ xốp và sự phân bố lỗ xốp là một trong những tính chất quan trọng của viên gốm nhiên liệu. Nó ảnh hưởng đến tỷ trọng viên gốm và đặc biệt là tính chất nhiệt của viên gốm. Trong thực tế, bột UO2 dùng để chế tạo gốm nhiên liệu thường được cho thêm một lượng nhỏ các chất tạo lỗ xốp để các lỗ xốp có kích thước phù hợp và phân bố đồng đều trong nền UO2. Mặc dù với hàm lượng nhỏ (khoảng 0,1 – 2%) nhưng chất tạo lỗ xốp có thể điều khiển kích thước lỗ xốp và sự phân bố lỗ xốp. Trong quá trình làm việc trong lò, lỗ xốp là nơi chứa sản phẩm khí phân hạch, đồng thời nó cũng ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của viên. Khi tỷ lệ lỗ xốp lớn làm giảm độ dẫn nhiệt, nếu tỷ lệ lỗ xốp quá nhỏ sẽ không đủ chỗ lưu giữ tạm thời các sản phẩm khí dẫn đến viên phồng dộp và có thể vỡ. Do đó, trên thế giới, trong quy trình sản xuất viên gốm urani đioxit thương mại, người ta luôn cho vào một lượng chất tạo lỗ xốp nhằm giải quyết những vấn đề trên. Hiện nay, công tác đào tạo cán bộ trẻ cho chương trình phát triển điện hạt nhân của đất nước đang được chú trọng phát triển. Các hướng nghiên cứu ưu tiên để phát triển điện hạt nhân, trong đó có lĩnh vực công nghệ nhiên liệu hạt nhân đang được thực hiện tại Viện Công nghệ xạ hiếm thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam. 1
10. Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của chất tạo lỗ xốp amoni oxalat đến một số đặc tính của viên gốm urani dioxit (UO2)” là một phần rất nhỏ thuộc lĩnh vực nghiên cứu này. Nội dung nghiên cứu của luận văn: 1. Điều chế bột UO2, chế tạo viên gốm UO2 với hàm lượng amoni oxalat khác nhau. 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến độ co ngót và tỷ trọng viên gốm UO2. 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến tỷ số O/U của viên gốm UO2. 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến sự phân bố và kích thước lỗ xốp trong viên gốm UO2. 5. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến kích thước hạt của viên gốm UO2. 6. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng amoni oxalat đến độ bền nhiệt của viên gốm UO2. 2