氧16富集的金属氧化物的制备方法

技术领域

本申请涉及同位素热源工艺制备技术领域，更具体地涉及一种氧16富集的金属氧化物的制备方法。

背景技术

钚238属于α衰变同为素，在钚238的衰变过程中会释放出高能量的α粒子，这些粒子与周围物质作用产生热能。利用这个特性，将一定量的

目前，相关技术一般是将二氧化钚与富含氧16的载体介质置于密闭容器中，在高温条件下，利用二氧化钚和载体介质中氧18的化学势不同，使得二氧化钚中的氧18向载体介质中扩散，以实现二氧化钚中氧16的富集。该方法需要不断充入新的富含氧16的载体介质，不仅工艺复杂，工艺成本高，并且工艺稳定性容易受到二氧化钚表面形态以及二氧化钚投料量影响。

发明内容

鉴于上述问题，本申请提供了可以简化工艺流程、降低工艺成本的氧16富集的金属氧化物的制备方法。

本申请提供了一种氧16富集的金属氧化物的制备方法，包括：利用氧16富集水制备金属的盐溶液；向上述盐溶液中添加氧16富集的草酸溶液，得到该金属的氧16富集的草酸盐沉淀物；将上述草酸盐沉淀物置于氧16富集氧气中进行煅烧，得到氧16富集的金属氧化物。

根据本申请实施例提供的氧16富集的金属氧化物的制备方法，通过利用氧16富集水制备金属的盐溶液，再向盐溶液中添加氧16富集的草酸溶液，反应得到氧16富集的草酸盐沉淀物，最后将草酸盐沉淀物置于氧16富集氧气中进行煅烧，得到氧16富集的金属氧化物。本发明的实施例通过化学合成法，利用了氧16富集水、氧16富集气体为原料进行制备，可以直接得到氧16富集的金属氧化物，省去了相关技术中需要将氧化物中的氧18置换为氧16的工艺，进而达到了简化工艺流程，降低工艺成本的技术效果。

附图说明

通过以下参照附图对本申请实施例的描述，本申请的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本申请实施例的氧16富集的金属氧化物的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本申请的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本申请实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本申请。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

钚238拥有比热功率较高(0.4W/g-

钚238同位素电池一般用于深空探测。因为在深空探测过程中所使用的航天器一般在远离太阳的位置，这会导致航天器接收不到太阳光照射或者接收到的光照很弱，航天器将处于温度极低的环境且无法利用太阳能发电，在这种极端低温环境下探测器器件不但失去了能源供应，而且还无法工作甚至会被低温损坏。若使用RHU对航天器进行保温，可以保证航天器在低温环境下持续工作或者不被低温损坏，若使用RHU供能的RTG，将同时解决供电问题和供热问题。

目前，在世界范围内应用的空间核电源有空间堆钚238同位素电源和温差转换型钚238同位素电源，空间堆钚238同位素电源的电输出功率大，温差转换型钚238同位素电源的寿命长、可靠性高、体积和重量小。由此可以看出，空间堆钚238同位素电源适合应用于火星、月球基地等任务，而温差转换型钚238同位素电源由于体积、重量优势，特别适合深空探测任务。

钚238属于α衰变核素，由于射程非常短，因此在RTG中α粒子无需屏蔽，钚238的中子和伽马剂量率也很低(其中经金属包壳封装的每百瓦

为解决高热功率钚238热电源辐射水平偏高的问题，目前已经开展了以降低二氧化钚中子发射率为目的的

由于

相关技术中一般是将

有鉴于此，本申请提供了一种氧16富集的氧化物的制备方法，其工艺流程简单，工艺成本较低。具体地，该方法包括利用氧16富集水制备金属的盐溶液；向盐溶液中添加氧16富集的草酸溶液，得到该金属的氧16富集的草酸盐沉淀物；将草酸盐沉淀物置于氧16富集氧气中进行煅烧，得到氧16富集的金属氧化物。

图1示意性示出了根据本申请实施例的氧16富集的金属氧化物的制备方法的流程图。

如图1所示，氧16富集的金属氧化物的制备方法包括操作S101～操作S103。

在操作S101，利用氧16富集水制备金属的盐溶液。其中，所用金属为第三副族元素。

在操作S102，向上述盐溶液中添加氧16富集的草酸溶液，得到该金属的氧16富集的草酸盐沉淀物。

在操作S103，将上述草酸盐沉淀物置于氧16富集氧气中进行煅烧，得到该金属的氧16富集的金属氧化物。

根据本申请的实施例，所用金属可以是钚或者铈，最终制备得到的氧化物为氧16富集的二氧化钚或者二氧化铈。

根据本申请的实施例，在执行操作S101时，可以将金属的硝酸盐或氯化物溶解于氧-16富集水中，得到盐溶液。示例地，在制备氧16富集的二氧化铈时，可以利用氧16富集水溶解硝酸铈形成硝酸铈溶液。在制备氧16富集的二氧化钚时，可以选用氯化钚或者硝酸钚作为钚盐。示例地，当选用氯化钚时，可以用氧16富集水溶解氯化钚形成氯化钚溶液。

在一些实施例中，当制备氧16富集的二氧化钚时，在利用氧16富集水制备钚的盐溶液时，可以将金属钚溶解于氧16富集的盐酸溶液中形成钚的盐溶液，其中，氧16富集的盐酸溶液为氧16富集水与氯化氢气体加压形成。

在一些实施例中，可以将金属的氧化物溶解于氧16富集的硝酸溶液中形成金属的盐溶液，其中氧16富集的硝酸溶液由氧16富集水与氧16富集硝酸混合得到。示例地，在制备氧16富集的二氧化钚时，也可以通过

本申请的实施例在制备盐溶液时，通过使用氧16富集水等溶剂，来去除溶液环境中的氧18或者尽量减少溶液环境的氧18，从而降低最终制得的氧化物中的氧18的丰度。

此外，在制备氧16富集的二氧化钚时，还可以在传统的钚制备流程中将硝酸钚溶液浓缩获得钚溶液，其作为盐溶液参与后续的反应。本实施例中的制备方法可以直接接入传统的二氧化钚制备流程中，工艺操作简单。可以理解的是，采用在钚制备流程中将硝酸钚溶液浓缩的方法获得盐溶液时，硝酸根以及溶液体系容易引入自然丰度氧元素，会在一定程度上提高最终制备的

根据本申请的实施例，在操作S102中所使用的氧16富集的草酸溶液可以为氧16富集的草酸或者稀释于氧16富集水中的草酸溶液。氧16富集的草酸盐沉淀物为氧16富集的草酸钚或者氧16富集的草酸铈。

当制备二氧化钚时，操作S102可以包括如下操作：将氧16富集的草酸溶液添加至钚盐溶液中，可以形成氧16富集的草酸钚沉淀，得到氧16富集的草酸钚沉淀的反应方程式可以如公式(1)所示。

2

其中，Pu

根据本申请的实施例，操作S102还可以包括如下操作：向金属的盐溶液中添加氧16富集的草酸溶液后，陈化预设时间，得到悬浊液；过滤悬浊液，得到氧16富集的草酸盐沉淀物。本申请的实施例通过陈化过程，可以使得形成的草酸盐沉淀的颗粒增大。

根据本申请的实施例，在制备二氧化钚时，将氧16富集的草酸溶液添加至钚盐溶液中，会形成氧16富集的草酸钚沉淀，此时公式(1)所示的化学反应可能还未完全反应，即还未得到全部的氧16富集的草酸钚沉淀，而且此时氧16富集的草酸钚沉淀的尺寸可能较小，所以需要待草酸钚完全沉淀后将反应液陈化一定的预设时间得到悬浊液，例如陈化20～30min，以增大草酸钚沉淀的尺寸。在陈化一定时间后，可以将悬浊液中的氧16富集的草酸钚沉淀过滤出。

根据本申请的实施例，在过滤氧16富集的草酸钚沉淀时，需要在充有保护气氛的设备中过滤悬浊液。保护气氛可以包括氮气或氩气。具体地，过滤悬浊液时可以在充满氮气或者氩气的手套箱、充满氮气或者氩气的热室中进行过滤，或者是在密闭的且充满有氮气或者氩气保护的空间内开展制备过程，以防止在草酸钚的自发热过程中，环境中的氧与草酸钚发生交换反应，不利于氧16的富集。

根据本申请的实施例，操作S103还可以包括如下操作：将草酸盐沉淀物置于气氛炉中，其中，气氛炉内的气氛为保护气氛；将气氛炉的温度升至预设温度后，将所述气氛炉保持在所述预设温度；当所述气氛炉保持在所述预设温度下时，向气氛炉中通入氧16富集的氧气，以便草酸盐沉淀物在氧16富集的氧气中煅烧，得到氧16富集的金属氧化物。本申请的实施例，通过将草酸盐在氧16富集的氧气中煅烧，从而使得草酸盐分解形成金属氧化物，同时利用氧气将分解得到的固体产物中的碳除去，其中固体产物中的碳在高温的氧气中形成二氧化碳或者一氧化碳得以除去。

其中，将草酸盐沉淀物置于气氛炉后，还可以对气氛炉内进行多次洗气操作，并向气氛炉中通入保护气氛。具体地，可以对气氛炉进行抽真空以去除炉内杂余气体，之后向气氛炉中通入氩气作为保护气氛，实现对气氛炉的洗气操作。可以反复多次进行抽真空、通氩气的操作以实现对气氛炉的多次洗气。

根据本申请的实施例，氧16富集的金属氧化物可以为氧16富集的二氧化钚或者氧16富集的二氧化铈。当制备二氧化钚时，操作S103还可以理解为将氧16富集的草酸钚滤饼(由过滤出的氧16富集的草酸钚组成)投入到气氛炉中，对气氛炉进行抽真空以去除杂余气体，之后向气氛炉中通入氩气，反复多次进行抽真空、通氩气的操作以实现对气氛炉进行洗气。

在洗气完成后，可以再通入氩气，并将气氛炉升温至预设温度。在本实施例中预设温度可以大于或等于600℃。在该预设温度下保温一定时间后，再通入氧16富集的氧气使其与氧16富集的草酸钚进行反应，得到氧16富集的二氧化钚。在反应完成后，可以采用常见的气体处理方式将反应产物中的碳化物除去。氧16富集的草酸钚和氧16富集的氧气之间的反应方程式可以如公式(2)所示。

其中，

根据本申请的实施例，在煅烧后，可以将氧16富集的金属氧化物存储至密闭、不含氧的金属罐中，并对金属罐进行降温散热处理。

根据本申请的实施例，制得的氧16富集的二氧化钚粉末颗粒需存放至密闭的、不含氧的耐热金属罐中，对于存放较多的单个耐热金属罐需要进行降温散热处理。若不将氧16富集的二氧化钚粉末颗粒存放至密闭的、不含氧的环境下，在氧16富集的二氧化钚接触到环境中的氧气后，容易导致二氧化钚在自发热的情况下重新与环境氧发生氧同位素交换，导致自身氧18丰度升高，不利于氧16的富集。

本申请的实施例，通过利用化学合成法，以钚溶液和氧16富集草酸，在去除溶液环境中的氧18或者尽量减少溶液环境的氧18条件下，合成氧16富集的草酸钚，而后通过在氧16富集的氧气的环境下高温煅烧，获得氧16富集的二氧化钚粉末。因为利用的是氧16富集的溶液、氧16富集的氧气为原料制得的氧16富集的二氧化钚，二氧化钚中的氧16以及氧18的丰度应该与原料中的氧16以及氧18的丰度分别相同，由于原料中的氧16的丰度可以测量并控制，进而可以控制到二氧化钚中氧16的丰度，因此可以做到二氧化钚中的氧16丰度的精准定量。

根据本申请实施例提供的氧16富集的金属氧化物的制备方法，通过利用氧16富集的溶液制备金属的盐溶液，并向盐溶液中添加氧16富集的草酸溶液，得到氧16富集的草酸盐沉淀物，接着将草酸盐沉淀物置于氧16富集的氧气中进行煅烧，得到氧16富集的金属氧化物。因为利用了氧16富集的盐溶液、氧16富集的气氛为原料进行制备，可以直接得到氧16富集的金属氧化物，省去了相关技术中需要将二氧化物中的氧18置换为氧16的工艺，进而达到了简化工艺流程，降低工艺成本的技术效果。

实施例1

首先是钚溶液的获取。钚盐优选氯化钚。氯化钚需采用氧16富集的水溶解，形成钚溶液。也可以选取金属钚，可以将金属钚在盐酸(氧16富集的水与HCl加压形成)中溶解，得到钚溶液。也可以通过二氧化钚在氧16富集的水和氧16富集硝酸中溶解获得钚溶液。还可以在钚制备流程中将硝酸钚溶液浓缩获得钚溶液。采用在钚制备流程中将硝酸钚溶液浓缩的方法获得钚溶液时，硝酸根以及溶液体系容易引入自然丰度氧元素，会提高后面制备二氧化钚的氧18丰度。

在制备好钚溶液后，可以将氧16富集的草酸溶液添加至钚溶液中，形成氧16富集的草酸钚沉淀。待氧16富集的草酸钚完全沉淀后将悬浊液陈化20min以上，以增大草酸钚颗粒。陈化后可以通过过滤获得氧16富集草酸钚固体或氧16富集的草酸钚滤饼。获得草酸钚滤饼的过程应在充氮气或者氩气手套箱、热室中开展或者在密闭的有氮气或者氩气保护的空间内开展，防止草酸钚自发热过程中环境氧与草酸钚发生交换反应。

在得到氧16富集的草酸钚滤饼后，可以将氧16富集草酸钚滤饼投入到气氛炉中，对气氛炉进行抽真空除气，而后通入氩气，反复进行三次以上的抽真空和通氩气的操作，以便对气氛炉进行洗气。洗气后可以通入氩气，并将气氛炉内的温度快速升温至≥600℃，并保温1～2h，在保温1～2h后可以持续通入1～2h的氧16富集的氧气，以便氧16富集的氧气与氧16富集的草酸钚发生反应得到氧16富集的二氧化钚。

在获得氧16富集的二氧化钚后可以对二氧化钚中的氧16丰度进行检测，或者对二氧化钚中的氧18丰度进行检测。因为利用的是氧16富集的溶液、氧16富集的氧气为原料制得的氧16富集的二氧化钚，二氧化钚中的氧16以及氧18的丰度应该与原料中的氧16以及氧18的丰度分别相同。

获得的氧16富集二氧化钚粉末需保存在密闭的、不含氧的耐热金属罐中，对于存放较多的单个耐热金属罐需要进行降温散热处理。若不将氧16富集二氧化钚粉末保存在密闭的、不含氧的环境中，氧16富集二氧化钚在接触环境氧气后，容易导致二氧化钚在自发热的情况下重新与环境氧发生氧同位素交换，导致自身氧18丰度升高。

实施例2

根据本申请的实施例，由于铈和钚位于同一副族，周期相邻，且化学性质相似，也较为活泼，因此本申请还提供了一种制备氧16富集的二氧化铈的方法。

首先是铈溶液的制备，铈盐可以采用硝酸铈，并通过的氧16富集的水溶解硝酸铈，获得硝酸铈溶液。其中，硝酸铈的克数可以为8g～100g，例如8g、10g、20g、30g、40g、50g、60g、70g、80g、90g、100g等，氧16富集的水的体积可以为10ml～100ml，例如10ml、20ml、30ml、40ml、50ml、60ml、70ml、80ml、90ml、100ml等。硝酸铈的克数和氧16富集的水的体积可以根据实际需要进行适应性调整，但还需说明的是，硝酸铈的克数和氧16富集的水的体积如果克数或体积过少，则会增加操作难度，如果克数过多以及体积过少或克数过少以及体积过多，会降低二氧化铈的收集率。

铈溶液制备后可以制备草酸铈沉淀。可以将氧16富集的草酸溶液添加至硝酸铈溶液中，形成草酸钚沉淀。待硝酸铈完全沉淀后将溶液在40～50℃条件下陈化20～30min，再过滤陈化后的悬浊液，得到氧16富集的草酸铈固体沉淀。陈化时间和陈化温度可以根据实际需要进行适应性调整。

在过滤草酸铈沉淀后，可以得到草酸铈湿饼。将氧16富集草酸铈湿饼投入到气氛炉中，对气氛炉进行抽真空除气，而后通入氩气，反复进行三次以上的抽真空和通氩气的操作，以便对气氛炉进行洗气。洗气后可以通入氩气，并将气氛炉内的温度快速升温至≥600℃，并保温1～2h，在保温1～2h后可以持续通入1～2h的氧16富集的氧气，以便氧16富集的氧气与氧16富集的草酸铈发生反应得到氧16富集的二氧化铈。

在获得氧16富集的二氧化铈后可以对二氧化铈中的氧16丰度进行检测，或者对二氧化铈中的氧18丰度进行检测。因为利用的是氧16富集的溶液、氧16富集的氧气为原料制得的氧16富集的二氧化铈，二氧化铈中的氧16以及氧18的丰度应该与原料中的氧16以及氧18的丰度分别相同。本申请实施例中采用氧16富集的草酸溶液中氧18的丰度为～3％％，获得的氧16富集的二氧化铈因为受溶液中硝酸根(自然氧丰度)的影响，二氧化铈氧18的丰度会略微升高，通过质谱法测定氧18的丰度为3％％～6％％。与该氧18的丰度对应的实验条件可以是采用8g的硝酸铈、50ml氧16富集的水、添加氧16富集的草酸溶液形成草酸铈沉淀后，在40～50℃条件下陈化20min，将气氛炉内的温度快速升温至≥600℃，并保温1h，在保温1h后持续通入1h的氧16富集的氧气，进行煅烧。

获得的氧16富集二氧化铈粉末需保存在密闭的、不含氧的耐热金属罐中，对于存放较多的单个耐热金属罐需要进行降温散热处理。若不将氧16富集二氧化铈粉末保存在密闭的、不含氧的环境中，氧16富集二氧化铈在接触环境氧气后，容易导致二氧化铈在自发热的情况下重新与环境氧发生氧同位素交换，导致自身氧18丰度升高。

根据本申请的实施例，通过利用化学合成法，以铈溶液和氧16富集草酸，在去除溶液环境中的氧18或者尽量减少溶液环境的氧18条件下，合成氧16富集的草酸铈，而后通过在氧16富集的氧气的环境下高温煅烧，获得氧16富集的二氧化铈粉末。因为利用的是氧16富集的溶液、氧16富集的氧气为原料制得的氧16富集的二氧化铈，二氧化铈中的氧16以及氧18的丰度应该与原料中的氧16以及氧18的丰度分别相同，由于原料中的氧16的丰度可以测量并控制，进而可以控制到二氧化铈中氧16的丰度，因此可以做到二氧化铈中的氧16丰度的精准定量。

需要说明的是，本公开实施例中的流程图所示的操作除非明确说明不同操作之间存在执行的先后顺序，或者不同操作在技术实现上存在执行的先后顺序，否则，多个操作之间的执行顺序可以不分先后，多个操作也可以同时执行。

本领域技术人员可以理解，本申请的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本申请中。特别地，在不脱离本申请精神和教导的情况下，本申请的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本申请的范围。

以上对本申请的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本申请的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本申请的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本申请的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本申请的范围之内。