نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مواد و چرخه سوخت هسته‌ای، دانشکده مهندسی انرژی و فیزیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، صندوق پستی: 4413-15875‌، تهران-ایران

2 پژوهشکده‌ی چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 8486-11365، تهران-ایران

چکیده

با توجه به محدود بودن ذخایر اورانیم و مزایای سوخت‌­های توریمی نسبت به سوخت­‌های اورانیمی، توسعه چرخه سوخت توریم در کشورهای مختلف ازجمله ایران مورد توجه قرار‌ گرفته است. یکی از انواع سوخت­‌های توریمی مورد استفاده در راکتورهای هست‌ه­ای، سوخت مخلوط دی‌اکسید اورانیم- توریم است. نوع روش سنتز پودر، نکته­‌ای کلیدی در کارایی بهتر و بهینه‌­ی این سوخت در راکتور است. هدف اصلی این مطالعه، ساخت مخلوط نانوذرات اکسیدی توریم و اورانیم با ترکیب درصد وزنی 30% تا 70% 2O‌(Th-U) بود. با استفاده از طراحی آزمایش تاگوچی اثر چهار پارامتر غلظت، زمان، درصد اولیه نیترات اورانیم- توریم در محلول و دما بررسی شد. نانوذرات سنتزشده با آنالیزهای XRD،BET ،EDS  و SEM مشخصه‌­یابی شدند. در بهترین شرایط نمونه­‌ی پودری با خصوصیت (15/33% تا 85/66‌% ‌2O‌(Th-U)) به‌دست آمد. نمونه بهینه دارای ذراتی با اندازه nm 25/13 و خلوص 100% بود که نشان­‌دهنده کارایی بالای سیال فوق‌بحرانی برای تولید نانوذرات است. نتایج نشان داد که روش هیدروترمال فوق­بحرانی عملکرد مطلوبی جهت تولید مخلوط نانوذرات اکسیدی توریم و اورانیم دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Synthesis of Uranium-Thorium dioxide nano powder using supercritical hydrothermal method

نویسندگان [English]

  • A. H. Chenari 1
  • S.J. Ahmadi 2
  • F. Zahakifar 2

1 Energy Engineering and Physics Department, Amirkabir University of Technology, P.O. Box: 15875-4413, Tehran, Iran

2 Nuclear Fuel Cycle Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 11365-8486, Tehran-Iran

چکیده [English]

Due to the limited uranium reserves and advantages of thorium fuels over uranium fuels, the development of the thorium fuel cycle in various countries including Iran, has been considered significantly. One type of thorium fuels used in nuclear reactors is a mixture of uranium dioxide and thorium. The type of powder synthesis method is a key point in improving the efficiency of this fuel in the reactor. The main objective of the present study was to achieve mixed nanoparticles of 30-70% (Th-U)O2. The effect of four parameters including concentration, time, initial percentage of uranium-thorium nitrate in solution, and temperature was studied using Taguchi's experimental design. The synthesized nanoparticles were characterized by XRD, BET, EDS, and SEM analyses. The results showed that at the best conditions, the nanoparticles were synthesized with a weight percentage of 32.28 and 67.72%, a particle size of 13.25 nm, high purity, and high surface area. Also, the results showed that the supercritical hydrothermal method has performed well for mixed nanoparticles of 30-70% (Th-U)O2 production.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thorium fuel
  • Supercritical Hydrothermal
  • Homogeneous
  • Nano Powder
1.  Thorium Fuel Cycle., Potential benefits and challenges (IAEI, Vienna,  2005).
 
2.  Thorium Fuel Utilization: Options and Trends. (IAEI, Vienna,  2002).
 
3.  Fabrication of thorium fuel pellets using nanoparticles and microparticles of thorium dioxide and comparison of their physical properties, Ph.D thesisNuclear Science and Technology Institute and Amirkabir University (2016) (in persian).
 
4. S. Komarneni, Nanophase materials by hydrothermal, microwave-hydrothermal and microwave-solvothermal methodsCur. Sci. Ban. 85, 1730 (2003).
 
5.    D. W. Matson et al., A flow-through hydrothermal method for the synthesis of active nanocrystalline catalystsAdv. Tech. Cat. Pre.  259 (1996).
 
6.    H. Hayashi, Y. Hakuta, Hydrothermal synthesis of metal oxide nanoparticles in supercritical waterMaterials  3, 3794 (2010).
 
7.    M. Outokesh et al., Hydrothermal synthesis of CuO nanoparticles: study on effects of operational conditions on yield, purity, and size of the nanoparticlesInd. Eng. Chem. Res. 50, 3540 (2011).
 
8.  S. Giri et al., Magnetic properties of α-Fe2O3 nanoparticle synthesized by a new hydrothermal methodJ. Mag. Mag. Mat. 285  296 (2005).
 
 9.   Y. Arai, S. Takeshi, Y. Takebayashi, Reactions in supercritical fluids (Springer, Germany, 2013).
 
10. Y. Shigeru, Y. Takahashi, Preparation of high density (Th,vhkd,l U)O2 pellets by sol-gel microsphere pelletization and 1300°C air sintering,  J. Nucl. Mat. 217, 127 (1994).
 
11.   T. Pavelková et al., Preparation of UO2, ThO2 and (Th, U)O2 pellets from photochemically-prepared nano-powdersJ. Nucl. Mat. 469, 57 (2016).
 
12. N.Hingant et al., sintering and leaching of optimized uranium thorium dioxidesJ. Nucl. Mat. 385 400 (2009).
 
13.  G. Rousseau et al., Synthesis and characterization of nanometric powders of UO2+x,(Th, U)O2+x and (La,U)O2+ xJ. Sol. Stat. Chem. 182  2591 (2009).
 
 14.  N. Mohseni et al., Characterization of ThO2 and (Th,U)O2 pellets consolidated from NSD-sol gel derived nanoparticlesCer. Inte. 43, 3025 (2017).
 
15.  S. J. Ahmadi et al., Optimization study on formation and decomposition of zinc hydroxynitrates to pure zinc oxide nanoparticles in supercritical waterInd. Eng. Chem. Res. 52, 1448 (2013).
 
16. Y. Liu et al., Ostwald ripening of β-carotene nanoparticlesPhys. Rev. Lett. 98 (2007).
 
17.  Holzwarth et al., The Scherrer equation versus the'Debye-Scherrer equationNat. Nano. 6, 534 (2011).
 
18. Mody et al., Introduction to metallic nanoparticlesJ.  Phar. Bio. Sci. 2, 282 (2010).
 
19.  Sing, SW Kenneth, Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosityPur. App. Chem. 57, 603 (1985).
 
20.  TD. Shen et al., Enhanced radiation tolerance in nanocrystalline MgGa2O4App. Phy. Let. 90, 263115 (2007).
 
21.   M. Roshanzamir, R. Khazaneh, Nuclear fuel based on its use in pressurized water reactors (AEOI, Iran, 1996) (in persian).