Способ изготовления таблетированного ядерного топлива

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях изготовления тепловыделяющих элементов, собираемых в тепловыделяющие сборки и используемых в ядерных реакторах. Техническим результатом изобретения является получение перспективного таблетированного ядерного топлива с увеличенным размером зерна и требуемой скоростью ползучести, обеспечивающего увеличение выхода годного, улучшение технических характеристик по доспекаемости и повышение эффективности топливного цикла в ядерном реакторе за счет увеличения глубины выгорания и повышения безопасности при эксплуатации ядерного реактора. В пресс-порошок вводят оксиды алюминия и кремния, которые при спекании таблеток образуют алюмосиликат, способствующий укрупнению зерна диоксида урана 10-20 мкм и увеличению твердости, компенсируемой пластичностью ИЛ-3. 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях изготовления таблетированного ядерного топлива из диоксида урана (UO₂) для тепловыделяющих элементов (твэлов), собираемых в тепловыделяющие сборки (твс) и используемых в ядерных реакторах.

Известен способ изготовления таблетированного ядерного топлива, включающий:

- смешение порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃О₈ и связующего;

- прессование таблетированного ядерного топлива из смеси порошков диоксида урана, оксида урана и связующего;

- спекание таблетированного ядерного топлива в печи тоннельного типа с тремя температурными зонами нагревания, спекания в восстановительной среде и охлаждения с продвижением лодочек с таблетками через зоны;

- мокрое шлифование поверхности таблетированного ядерного топлива;

- сушку (см. “Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов”. Под ред. Ф.Г.Решетникова, М.: Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1, стр. 93-95, 98-99, 101-102).

Известный способ предусматривает одностадийное смешение порошков диоксида урана UО₂, оксида урана U₃O₈ и связующего перед прессованием таблетированного ядерного топлива, что не исключает неравномерности смешения пресс-порошка со связующим и получения при прессовании некачественного таблетированного ядерного топлива.

Известен способ изготовления таблетированного ядерного топлива, включающий трехстадийное смешение порошков диоксида урана UО₂, оксида урана U₃O₈ со связующим (см. патент Российской Федерации RU 2170957 МПК7 G 21 C 3/62, 21/04, заявка 99115232/06 от 09.07.1999, опубл. 20.07.2001 “Способ получения таблетированного ядерного топлива и устройство для его осуществления”).

Способ по патенту 2170957 устраняет недостатки известного способа в части равномерности распределения в пресс-порошке диоксида урана UO₂, оксида урана U₃О₈ и связующего перед прессованием таблетированного топлива. Однако трехзонная проводка лодочек с таблетированным ядерным топливом - “сырыми” таблетками через зоны нагрева, спекания и охлаждения не исключает контакта таблеток с отходящими газами при прохождении зон нагрева и спекания и ведет к быстрому спеканию, поскольку количество зон ограничено. При этом в первую очередь происходит спекание и уплотнение поверхностных слоев таблетки. Этому способствует не только неизбежный градиент температуры в таблетке по ее толщине, но и наличие своего рода градиента плотности таблетки за счет поверхностного уплотнения слоя, образующегося при прессовании таблетки. Уплотненный спеченный поверхностный слой таблетки затрудняет выход газообразных продуктов. Это приводит к растрескиванию и разрушению таблеток (см. “Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов”. Книга 1. Под ред. Ф.Г.Решетникова - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с.99 §4.4).

Наиболее близким по техническим условиям и достигаемому эффекту является способ изготовления таблетированного ядерного топлива, включающий подготовку пресс-порошка в смеси со связующим, прессование таблеток, спекание таблеток в восстановительной среде путем их движения по противотоку движения восстановительной среды через три зоны секции удаления связующего, через две зоны секции предварительного нагрева, через три зоны спекания и через секцию охлаждения (см. патент Российской Федерации RU 2181221, МПК 7 G 21 C 21/02, 3/62 “Способ изготовления спеченных топливных таблеток и лодочка для спекания”).

Способ-прототип устраняет недостатки известных аналогов за счет проводки спекаемого таблетированного топлива не через три зоны нагрева, спекания и охлаждения, а через три зоны секции удаления связующего, через две зоны секции предварительного нагрева, через три зоны спекания и через секцию охлаждения, т.е. через девять зон.

Качество таблеток таблетированного ядерного топлива характеризуется их микроструктурой: размером и формой зерна, количеством и крупностью пор.

Эти показатели в ТУ на таблетированное ядерное топливо, как правило, не включается, а согласовывается между заказчиком и потребителем, хотя влияние их на работоспособность таблеток и, следовательно, твэлов существенно. В частности, от микроструктуры зависит, какое количество газовых продуктов удерживается в таблетированном ядерном топливе и характер взаимодействия таблетированного ядерного топлива с оболочкой твэла при его работе в ядерном реакторе.

По этим соображениям стремятся получать таблетки с крупным зерном (см. “Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов”. Книга 1. Под ред. Ф.Г.Решетникова - М.: Энергоатомиздат 1995 г. стр. 91).

На рост зерен влияют температура и длительность спекания таблетированного ядерного топлива, отношение числа атомов кислорода к атомам урана (O/U), способ получения диоксида, примеси, плотность и т.д. Процесс рекристаллизации при спекании начинается преимущественно в деформированных частях таблетки. Наиболее вероятным местом начала рекристаллизации являются границы зерен. Рост зерен после рекристаллизации происходит за счет перемещения границ. Движение границы зерен приводит как бы к стиранию пор на ее пути (см. там же, стр. 300-301).

Средний условный размер зерна (СУРЗ) в таблетированном ядерном топливе ряда предприятий различен.

Увеличение размера зерна за счет строгой выдержки технологических требований в существующем серийном производстве не представляется возможным. Теоретические и экспериментальные исследования свидетельствуют, что большой размер зерна в таблетированном ядерном топливе диоксида урана снижает высвобождение газообразных продуктов деления. Однако по мере увеличения размера зерна снижается скорость высокотемпературной ползучести таблетированного ядерного топлива. Поэтому представляет интерес перспективное таблетированное ядерное топливо, обладающее как увеличенным размером зерна, так и требуемой скоростью ползучести. Этим двум критериям известные виды таблетированного ядерного топлива ряда предприятий не удовлетворяют.

Технической задачей изобретения является получение перспективного таблетированного ядерного топлива с увеличенным размером зерна, так и требуемой скоростью ползучести, обеспечивающего увеличение выхода годного, улучшение технических характеристик по доспекаемости и повышение эффективности топливного цикла в ядерном реакторе за счет увеличения глубины выгорания, повышение характеристик безопасной эксплуатации ядерного реактора.

Эта техническая задача решается тем, что в способе изготовления таблетированного ядерного топлива, включающем подготовку пресс-порошка в смеси со связующим, прессование таблеток, спекание таблеток в восстановительной среде путем их движения по противотоку движения восстановительной среды через три зоны секции удаления связующего, через две зоны секции предварительного нагрева, через три зоны спекания и через секцию охлаждения; согласно изобретению при подготовке гомогенизированной партии пресс-порошка для прессования таблеток таблетированного ядерного топлива используют компоненты, массовые доли, в пресс-порошке которых составляют в %:

- оксид алюминия Аl₂O₃ - не более 0,01;

- оксид кремния SiO₂ - не более 0,006;

- связующее - не более 0,3;

- оксид урана U₃О₈ - не более 10;

- диоксид урана UO₂ керамического сорта, остальное - 89,68,

в соответствии с наличием массы порошка диоксида урана MUO₂ рассчитывают массу оксида алюминия Аl₂O₃ по формуле

рассчитывают массу оксида кремния SiО₂ по формуле:

рассчитывают общую массу легирующей добавки М_лег=МАl₂O₃+МSiO₂,

рассчитывают массу связующего по формуле:

рассчитывают массу оксида урана U₃О₈ по формуле:

рассчитывают массу гомогенизированной партии пресс-порошка по формуле:

М_гпп=МAl₂O₃+MSiO₂+М_св+МU₃О₈+MUO₂, где

МАl₂O₃ - масса оксида алюминия Аl₂O₃,

MUO₂ - масса диоксида урана UO₂,

MSiO₂ - масса оксида кремния SiO₂,

М_лег - суммарная масса Аl₂O₃ и SiO₂,

М_св - масса связующего стеарата цинка,

МU₃О₈ - масса порообразователя оксида урана U₃O₈,

М_гпп - масса пресс-порошка,

KUO₂ - массовая доля диоксида урана в пресс-порошке, %,

КAl₂О₃ - массовая доля оксида алюминия в пресс-порошке, %,

KSiO₂ - массовая доля оксида кремния в пресс-порошке, %,

КU₃О₈ - массовая доля оксида урана в пресс-порошке, %

К_св - массовая доля связующего стеарата цинка в пресс-порошке, %,

суммарную массу “Аl₂O₃” и “SiO₂” и массу порошка диоксида урана в соотношении 1:2 по массе подвергают смешению 15-20 минут, получают смесь №1, затем смесь №1 и порошок диоксида урана в соотношении 1:10 по массе подвергают смешению 15-20 мин и получают смесь №2 и порошок диоксида урана в соотношении 1:10 по массе подвергают смешению 50-60 мин и получают смесь №3, которую подвергают смешению с пресс-порошком, полученным смешением оксида урана и “сухого” связующего в течение 30-100 мин, приготовленную “шихту” контролируют на гомогенность, критерием гомогенности которой является распределение “Аl” в трех точечных пробах, при этом отличность результата анализа на “Аl” не должна превышать 30 ррт, затем после прессования при спекании таблеток в газовой восстановительной среде в них образуется амоносиликат (Аl₂O₃ × SiO₂), и дальнейшее спекание таблеток происходит в режиме “жидкой” фазы в каждой таблетке, способствующей укрупнению зерна диоксида урана в диапазоне 10-20мкм, увеличению твердости, компенсируемой пластичностью таблеток при высоких температурах в ядерном реакторе.

Предложенный способ изготовления таблетированного ядерного топлива позволит получить перспективное таблетированное ядерное топливо с увеличенным размером зерна и требуемой скоростью ползучести, обеспечивающего увеличение выхода годного, улучшение технологических характеристик по доспекаемости и повышению эффективности топливного цикла в ядерном реакторе за счет увеличения глубины выгорания и повышения характеристик безопасности эксплуатации ядерного реактора.

На чертеже представлен способ изготовления таблетированного ядерного топлива, где:

- на фиг.1 - технологическая схема;

- на фиг.2 - зависимость среднего размера зерна от содержания Аl₂O₃;

- на фиг.3 - шлифы таблетированного ядерного топлива.

Пример осуществления способа изготовления таблетированного ядерного топлива.

При подготовке гомогенизированной партии пресс-порошка для прессования таблетированного ядерного топлива используют компоненты, массовые доли в пресс-порошке которых составляют в %:

- оксид алюминия Аl₂O₃ - не более 0,01=100 ррт;

- оксид кремния SiO₂ - не более 0,006=60 ррт;

- связующие - не более 0,3;

- оксид урана О₃О₈ - не более 10,0;

- диоксид урана UO₂ остальное - 89,68.

В соответствии с наличием MUO₂ – массы порошка диоксида урана, например 1750 кг, рассчитывают массу оксида алюминия Аl₂О₃ по формуле:

рассчитывают массу оксида кремния SiO₂ по формуле;

рассчитывают общую массу легирующей добавки

М_лег=МАl₂O₃+MSiO₂,

М_лег=0,195+0,117=0,312 кг,

рассчитывают массу связующего по формуле:

рассчитывают массу оксида урана U₃О₈ по формуле:

рассчитывают массу гомогенизированной партии пресс-порошка по формуле:

М_гпп=Маl₂O₃+MSiO₂+М_св+МU₃О₈+MUO₂

М_гпп=0,195+0,117+5,854+195+1750,

М_гпп=1951, 166 кг, где

МАl₂O₃ - масса оксида алюминия Аl₂O₃ в кг,

MUO₂ - масса диоксида урана UO₂ в кг,

MSiO₂ - масса оксида кремния SiO₂ в кг,

М_лег - суммарная масса Аl₂O₃ и SiO₂ в кг,

М_св - масса связующего стеарата цинка в кг,

MU₃O₈ - масса порообразователя оксида урана U₃О₈ в кг;

М_гпп - масса пресс-порошка в кг,

KUO₂ - массовая доля диоксида урана UO₂ в пресс-порошке в %,

КАl₂O₃ - массовая доля оксида алюминия АlO₃ в пресс-порошке в %,

KSiO₂ - массовая доля оксида кремния SiO₂ в пресс-порошке в %,

KU₃O₈ - массовая доля оксида урана U₃О₈ в пресс-порошке в %,

К_св - массовая доля связующего стеарата цинка в %.

Суммарную массу Al₂O₃ и SiO₂ и массу порошка диоксида урана U02 в соотношении 1:2 по массе подвергают смешению 15-20 мин, и получают смесь №1.

Смесь №1 и порошок диоксида урана в соотношении 1:10 по массе подвергают смешению 15-20 мин и получают смесь №2.

Смесь №2 и порошок диоксида урана в соотношении 1:10 по массе подвергают смешению 50-60 мин и получают смесь №3.

Смесь №3 подвергают смешению с остальным порошком UO₂, пресс-порошком, полученным смешением оксида урана и “сухого” связующего в течение 30-100 мин, приготовленную “шихту” контролируют на гомогенность, критерием гомогенности которой является распределение “Аl” в трех точечных пробах, при этом отличность результата анализа на “Аl” не должна превышать 30 ррт, затем после прессования и спекания таблеток в газовой восстановительной среде в них образуется алюмосиликат (АlO₃ × SiO₂) и дальнейшее спекание таблеток происходит в режиме “жидкой” фазы в каждой таблетке, способствующей укрупнению зерна диоксида урана в диапазоне 10-20мкм, увеличению твердости, компенсируемой пластичностью таблеток при высоких температурах в ядерном реакторе.

Спекание таблетированного топлива проводят в печи тоннельного типа с секциями нагревания при 220-240° С по противотоку движения водорода, с последующим нагреванием при 280-700° С, при 480-500° С, при 980-100° С, при 1100-1200° С, при 1750-1770° С, при 1780-1800° С, при 1750-1770° С и охлаждения со скоростью падения температуры 145-340° С/час.

Крупное зерно в таблетированном ядерном топливе 10-20 мкм обусловлено тем, что при работе в ядерном реакторе тепловыделяющих элементов, снаряженных таким таблетированным топливом, происходит меньший выход газообразных продуктов деления при сохранении механических характеристик на прежнем уровне, если при этом использовались специальные добавки - силиката алюминия.

На фиг.2 приведена зависимость среднего размера зерна от содержания Al₂O₃.

Из графика следует, что максимальный размер зерна составляет при 100 ррт (Аl₂O₃)+60 ррт SiO₂.

Количество вводимых легирующих добавок ограничено требованием допустимого содержания примесей в таблетированном ядерном топливе (см. ТУ95 1823-2001Е).

Эти ограничения вызваны необходимостью обеспечения заданного борного эквивалента, определяемого физикой ядерных реакторов и ЮОррт (Аl₂O₃)₃+60ррт (SiO₂) укладываются в эти требования.

Были проведены эксперименты зависимости среднего условного размера зерна в таблетированном ядерном топливе от легирующих добавок. Результаты сведены в таблицу №1

№№	№ образца	Добавка и ее количество РРМ	Средний условный размер зерна, мкм
Давл. пресс-я 1,6 т/см2	4,5 т/см2
1.	1	40 ррт (Al2О3)	11	17,7
2.	2	40 ррт (Аl2O3)+20ррт SiO2	11,15	17,7
3.	3	100 ррт (Аl2O3)+60ррт SiO2	15,8	22,5
4.	4	Без добавки	9,8	-

Из таблицы 1 следует, что наиболее эффективна добавка 100 ррт (Аl₂O₃)+60 ррт(SiO₂).

Добавка кремния не оказывает заметного влияния на средний условный размер зерна, в то время как количество алюминия заметно увеличивает средний размер зерна таблетки. Кремний добавляется для того, чтобы при сохранении образовался амоносиликат (Аl₂O₃ ×SiO₂), который способствует лучшему спеканию таблетки за счет того, что спекание таблетки происходит в режиме “жидкой” фазы, что способствует укрупнению зерна при более низкой температуре, а увеличение твердости таблеток с более крупным зерном компенсируется высокой пластичностью таблеток при высоких температурах.

На фиг.3 приведены шлифы таблетированного ядерного топлива:

а) - без добавки;

б) - с добавкой 40 ррт Аl₂O₃;

в) - с добавкой 40 ррт Аl₂O₃+20 ррт SiO₂;

г) - с добавкой 100 ррт (Аl₂O₃)+60 ррт SiO₂.

Из фотографий шлифов средний условный размер “г)” является наиболее оптимальным.

Все параметры оптимальны и любое их снижение или повышение не решит поставленной технической задачи.

Способ изготовления таблетированного ядерного топлива, включающий подготовку пресс-порошка в смеси со связующим, прессование таблеток, спекание таблеток в восстановительной среде путем их движения по противотоку движения восстановительной среды через три зоны секции удаления связующего, через две зоны секции предварительного нагрева, через три зоны спекания и через секцию охлаждения, отличающийся тем, что при подготовке гомогенизированной партии пресс-порошка для прессования таблетированного ядерного топлива используют компоненты, массовые доли в пресс-порошке которых составляют, %:

Оксид алюминия Аl₂O₃ Не более 0,01

Оксид кремния SiО₂ Не более 0,006

Связующие Не более 0,3

Оксид урана U₃О₈ Не более 10

Диоксид урана UO₂ керамического сорта Остальные 89,68

в соответствии с наличием массы порошка диоксида урана MUO₂ рассчитывают массу оксида алюминия Аl₂O₃ по формуле:

рассчитывают массу оксида кремния SiO₂ по формуле:

рассчитывают общую массу легирующей добавки:

М_лег=МАl₂O₃+МSiO₂,

рассчитывают массу связующего по формуле

рассчитывают массу оксида урана U₃О₈ по формуле:

рассчитывают массу гомогенизированной партии пресс-порошка по формуле:

М_гпп=МAl₂O₃+MSiO₂+М_СВ+МU₃О₈+MUO₂, где

МАl₂O_з - масса оксида алюминия Аl₂O₃,

MUO₂ - масса диоксида урана UO₂,

MSiO₂ - масса оксида кремния SiO₂,

М_лег - суммарная масса Аl₂O₃ и SiO₂,

М_СВ - масса связующего,

МU₃О₈ - масса порообразователя оксида урана U₃O₈,

М_гпп - масса пресс-порошка,

KUO₂ - массовая доля диоксида урана в пресс-порошке, %,

КAl₂О₃ - массовая доля оксида алюминия в пресс-порошке, %,

KSiO₂ - массовая доля оксида кремния в пресс-порошке, %,

КU₃О₈ - массовая доля оксида урана в пресспорошке, %,

К_СВ - массовая доля связующего стеарата цинка в пресс-порошке,

суммарную массу Аl₂О₃ и SiO₂ и массу порошка диоксида урана в соотношении 1:2 по массе подвергают смешению 15-20 мин, получают смесь № 1, затем смесь № 1 и порошок диоксида урана в соотношении 1:10 по массе подвергают смешению 15-20 мин и получают смесь № 2, смесь № 2 и порошок диоксида урана в соотношении 1:10 по массе подвергают смешению 50-60 мин и получают смесь № 3, которую подвергают смешению с пресс-порошком, полученным смешением оксида урана и сухого связующего в течение 30-100 мин, приготовленную шихту контролируют на гомогенность, критерием гомогенности которой является распределение Аl в трех точечных пробах, при этом отличность результатов анализов на Аl не должна превышать 30 ррт, затем после прессования при спекании таблеток в газовой восстановительной среде в них образуется алюмосиликат (Аl₂О₃·SiO₂), и дальнейшее спекание таблеток происходит в режиме “жидкой” фазы в каждой таблетке, способствующей укрупнению зерна диоксида урана в диапазоне 10-20 мкм, увеличению твердости, компенсируемой пластичностью таблеток при высоких температурах в ядерном реакторе.