Плазмохимический способ получения порошка титаната и/или гафната диспрозия

Изобретение относится к плазмохимическому способу получения высокодисперсных порошков титаната и/или гафната диспрозия. Плазмохимический способ получения порошка титаната и/или гафната диспрозия заключается в том, что его получают путем подачи в прямоточный плазмохимический реактор смеси растворов нитратов титана и/или гафния, диспрозия и азотной кислоты, обеспечивающей получение эквимолярной смеси оксидов, улавливания образующихся частиц порошка и их обжига. Изобретение позволяет создать высокоэффективный способ получения порошка титаната или гафната диспрозия при максимальном упрощении процесса синтеза порошка с минимальным использованием вспомогательного оборудования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к плазмохимическому способу получения высокодисперсных порошков титаната и/или гафната диспрозия, используемых в стержнях регулирования ядерных реакторов для поглощения нейтронов.

Известно использование для производства порошков функционального назначения (например, пигментного диоксида титана, ультрадисперсного нитрида титана, нитрида кремния и т.п.) плазмохимических реакторов. Эффективность использования плазмохимического процесса для получения таких продуктов обусловлена механизмом и кинетикой химических и фазовых превращений при высоких температурах, а также возможностью введения энергии непосредственно в реакционный объем [https://studfiles.net/preview/3651436/page:2/].

Известен способ получения порошка титаната диспрозия для поглощающих элементов ядерного реактора [RU 2590887 G21C 7/24. Опуб. 10.07.2016. Бюл. №19], включающий получение порошка титаната диспрозия путем механической активации смеси компонентов - диоксида титана - TiO2 и оксида диспрозия - Dy2O3, взятых в эквимолярном соотношении, в планетарной шаровой мельнице в атмосфере аргона.

Недостатком способа является неизбежное истирание мелющих шаров и, соответственно, загрязнение получаемого порошка дополнительными примесями.

Известен способ получения поликристаллического нейтронопоглощающего материала на основе гафната диспрозия (Патент US 4992225, опубл. 12.02.1991), по которому оксид диспрозия (65-85 мас. %) смешивают с диоксидом гафния и полученную смесь в виде компактированного образца спекают в интервале температур 1500-2000°С.

В связи с использованием процесса твердофазного синтеза недостатком данного способа является многофазность полученного материала из-за возможности наличия в нем остатков непрореагировавших исходных веществ (в основном оксида диспрозия) и дополнительного размола спекшегося материала.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения поглотителя нейтронов для ядерных реакторов [Патент РФ №2124240, опубл. 27.12.1998], принятым в качестве прототипа. Материал синтезируют методом высокочастотного индукционного плавления смеси оксидов диспрозия, гафния и ниобия в холодном тигле. Смесь оксидов готовят перемешиванием в шаровой мельнице. Полученную смесь засыпают в водоохлаждаемый медный тигель, а в слой шихты вводят стружку металлического гафния в виде комка. При пуске установки стружка металлического гафния сгорает до оксида, образуя первичную ванну расплава. Синтез материала происходит в расплаве, что обеспечивает высокую однородность распределения в нем всех составляющих и отсутствие непрореагировавших оксидов. Расплав после завершения синтеза охлаждают с высокой скоростью для сохранения гранецентрированной кубической структуры.

Недостатком данного способа является многостадийность процесса, высокая температура синтеза (свыше 2300°С), что приводит к увеличению эксплуатационных расходов из-за использования специального комплекса аппаратуры, наличие дополнительного реагента (оксида ниобия), необходима операция размола полученного плава до определенной дисперсности, поскольку невозможно получить прочные и плотные изделия (таблетки) из материала с кубической структурой.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании высокоэффективного способа получения порошка титаната и/или гафната диспрозия, пригодного для изготовления поглощающих элементов ядерного реактора, при максимальном упрощении процесса синтеза порошка с минимальным использованием вспомогательного оборудования.

Поставленная задача решается тем, что порошок титаната и/или гафната диспрозия получают путем подачи в прямоточный плазмохимический реактор смеси растворов нитратов титана и/или гафния, диспрозия и азотной кислоты, обеспечивающей получение эквимолярной смеси оксидов, улавливания образующихся частиц порошка и их обжига, причем, улавливают частицы, требуемые по морфологии и дисперсности, а обжигают их при температуре получения необходимой кристаллической структуры.

На фиг. 1 показано электронно-микроскопическое изображение частиц порошков оксидной Ti-Dy композиции, на фиг. 2 - распределение кристаллитов по размерам в образце титаната диспрозия (1-ый пылеулавитель).

Термодинамические расчеты возможных равновесных составов при взаимодействии раствора нитратов титана и диспрозия с воздухом в температурном интервале 400-2000 К при давлении 0,1 МПа, выполненные с использованием программы «Астра-3» [Синярев Г.В., Ватолин Н.А., Трусов Б.Г., Моисеев Г.К Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов. - М.: Наука, 1982. - 264 с.], показали, что в результате полного взаимодействия всех компонентов рассматриваемой системы титан-диспрозий, нитраты должны полностью превратиться в оксиды и во всем температурном интервале находиться в конденсированной (твердой) фазе.

Технологическая схема по переработке смешанных растворов нитратов титана, диспрозия и азотной кислоты состояла из прямоточного цилиндрического плазмохимического реактора на основе ВЧ-индукционного разряда с тепловой мощностью 40-45 кВт с коаксиальным вводом реагентов, двух последовательно установленных вихревых пылеуловителя для отделения твердой фазы, конденсатор паров воды и аппаратуры для санитарной очистки сбросных газов. Производительность установки по раствору - до 25 л/час.

Раствор титана и диспрозия готовили смешением индивидуальных растворов нитратов титана, диспрозия и азотной кислоты в соотношении, обеспечивающим получение эквимолярной смеси оксидов.

Удельную поверхность полученных наноструктурных оксидных композиций определяли газохроматографическим методом тепловой десорбции аргона по ГОСТ 28794-90. Морфологический и гранулометрический составы порошков определяли методом методами дифракционной электронной микроскопии (фиг. 1).

В результате проведенных экспериментов получен титанат диспрозия с эквимолярным соотношением входящих в него оксидов, при этом:

- 11% об. составляли частицы в виде сплошных монокристаллических сфер;

- в 1-ом пылеуловителе в количестве 80% об. присутствовали частицы порошка в виде поликристаллических полых сфер, во 2-ом их доля - 55% об.;

- остальная часть порошка представляла собой монокристаллические частицы: пленки и частицы осколочной формы.

При сопоставлении результатов анализов проб, взятых из первого и второго пылеуловителей по ходу движения пылегазовой смеси из плазмохимического реактора, получено, что возможно выделение и концентрирование порошков по морфологии и гранулометрии. По результатам рентгенофазового анализ (РФА) рассчитаны размеры кристаллитов титаната диспрозия с эквимолярным соотношением оксидов. Функция распределения кристаллитов по размерам показана на фиг. 2.

Образцы титан-диспрозиевых комбинаций, полученных по плазмохимической технологии, по данным РФА, представляют собой механическую смесь двух фаз.

На основании экспериментов установлено, что:

-1-й пылеуловитель улавливал 90% образующегося порошка и он имел удельную поверхность 17-19 м /г, во 2-м пылеуловителе - 21-24 м2/г;

- электронно-микроскопический анализ гранулометрии и морфологии порошков из обоих пылеуловителей показал, что в первом улавливаются более крупные и монолитные сферические частицы. Продукт из всех партий по морфологическому набору частиц однотипным с преобладанием пустотелых сфер, со средним разделом 200 нм. При этом размеры включенных в сферы кристаллитов находились в пределах 10-60 нм.

При нагреве до 1000°С изменений в кристаллической структуре порошков титан-диспрозиевых оксидных композиций не наблюдалось. При нагреве от 1050°С до 1600°С структура этого материала изменялась от кубической фазы, типа флюорита, до гексагональной.

Поскольку дисперсность, морфология и кристаллическая структура материала определяют его ядерно-физические характеристики, можно утверждать, что подбором условий улавливания целевого продукта в пылеуловителях можно выделить требуемую по морфологии и дисперсности фракцию и последующим обжигом придать ей необходимую кристаллическую структуру.

Эксперименты, проведенные со смесью растворов нитратов циркония, диспрозия и азотной кислоты в соотношении, обеспечивающим получение эквимолярной смеси оксидов, показали аналогичные результаты.

1. Плазмохимический способ получения порошка титаната и/или гафната диспрозия, заключающийся в том, что его получают путем подачи в прямоточный плазмохимический реактор смеси растворов нитратов титана и/или гафния, диспрозия и азотной кислоты, обеспечивающей получение эквимолярной смеси оксидов, улавливания образующихся частиц порошка и их обжига.

2. Способ по п. 1, включающий улавливание частиц порошка, требуемых по морфологии и дисперсности.

3. Способ по п. 1, включающий обжиг выделенных частиц порошка при температуре получения необходимой кристаллической структуры.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к ядерной технике, в частности к поглощающим нейтроны материалам (гафнат диспрозия - Dy2НfО5), и может быть использовано в стержнях регулирования ядерных реакторов.
Изобретение относится к способу получения высокодисперсных порошков титаната диспрозия для поглощения нейтронов и может быть использовано в стержнях регулирования ядерных реакторов.
Изобретение может быть использовано при изготовлении нейтронопоглощающих материалов для стержней регулирования систем управления и защиты ядерных реакторов. Способ получения керамических материалов на основе нанокристаллических порошков гафната диспрозия включает изготовление смешанного гидроксида диспрозия и гафния путем растворения в воде солей HfOCl2·8H2O и Dy(NO3)3·5H2O и добавления полученного раствора к раствору аммиака.
Изобретение относится к изготовлению трубных изделий из гафния, которые могут быть использованы в качестве оболочек регулирующих стержней в ядерных реакторах с водяным охлаждением.
Изобретение относится к поглощающему нейтроны материалу на основе гафната диспрозия, содержащему оксиды диспрозия и гафния. Материал дополнительно содержит триоксид молибдена, имеет следующие соотношение компонентов, мас.%: оксид диспрозия 60…70 оксид гафния 25…35 триоксид молибдена 3…5 и его получают путем твердофазного синтеза при температуре 1500-1700°C в атмосфере воздуха.
Изобретение относится к ядерной технике. .
Изобретение относится к ядерной технике, в частности к поглощающим нейтроны материалам на основе редкоземельных элементов и может быть использовано в стержнях регулирования водоохлаждаемых реакторов.

Изобретение относится к материалам для стержней регулирования водо-водяных реакторов. .
Изобретение относится к атомной технике и может быть использовано в органах регулирования атомных реакторов. .

Изобретение относится к оборудованию плазмохимического синтеза ультрадисперсных порошков, неорганических соединений и композиций, в частности к установке плазмохимического синтеза наноразмерных порошков и шнековому циклону, используемому в ней.

Изобретение относится к получению мелкодисперсных металлических порошков из сплавов на основе тугоплавких металлов. Заготовку в виде стержня, состоящего из конусной и цилиндрической частей, устанавливают в камеру загрузки.
Группа изобретений относится к получению спеченного инструментального материала на основе оксида алюминия. Материал состоит из зерен оксида алюминия сферической формы размером от 0,01 до 0,4 мкм с тонкой пленкой никеля на поверхности каждого зерна толщиной 0,1÷0,4 от его размера.

В изобретении раскрывается способ получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия. Органометаллический прекурсор церия должным образом расщепляется на наночастицы CeO2 при температуре 500-700°C в условиях кислородной среды методом химического осаждения в паровой фазе, и наночастицы CeO2 равномерно наносятся на подложку из Al2O3.

Изобретение относится к получению агломерированного конденсаторного танталового порошка, который может быть использован в производстве различных типов танталовых конденсаторов.

Изобретение относится к области получения порошка кристаллического соединения Bi12SiO20 и может быть использовано в радиоэлектронике для создания электро- и магнито-оптических модуляторов лазерного излучения.

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к нанотрубкам на основе сложных неорганических оксидов, которые могут быть использованы в качестве сорбентов, гетерогенных катализаторов и компонентов композитных материалов фрикционного и конструкционного назначения.

Изобретение относится к получению карбоборидов редкоземельных металлов. Исходную заготовку формуют в виде стехиометрической навески порошка низкогидридной фазы металла, углерода и бора, после чего ведут отжиг исходной заготовки в вакууме при температуре 1100°С в течение 10 минут, заготовку охлаждают, перетирают, прессуют в штабик, который отжигают при температуре 1100°С в течение 10 минут в вакууме, затем полученный штабик охлаждают, перетирают, прессуют в штабик и проводят его дуговую переплавку на охлаждаемом медном поде в среде аргона с получением образца, содержащего карбобориды редкоземельных металлов, после чего полученный образец нагревают в вакууме до температуры 950°С и выдерживают при этой температуре в течение 12 часов с последующей закалкой образца в воде.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к порошковым материалам для газотермического напыления покрытий, и может быть использовано для защиты деталей горячего тракта авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), наземных газотурбинных установок (ГТУ) и ракетных двигателей (РД) от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии.
Изобретение относится к порошковой металлургии железа и его сплавов и может быть использовано для извлечения железа в виде дисперсных частиц порошка из отработанного смазочного масла при эксплуатации автотракторного парка.

Изобретение относится к плазмохимическому способу получения высокодисперсных порошков титаната иили гафната диспрозия. Плазмохимический способ получения порошка титаната иили гафната диспрозия заключается в том, что его получают путем подачи в прямоточный плазмохимический реактор смеси растворов нитратов титана иили гафния, диспрозия и азотной кислоты, обеспечивающей получение эквимолярной смеси оксидов, улавливания образующихся частиц порошка и их обжига. Изобретение позволяет создать высокоэффективный способ получения порошка титаната или гафната диспрозия при максимальном упрощении процесса синтеза порошка с минимальным использованием вспомогательного оборудования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх