Способ изготовления таблеток керамического ядерного топлива, устройство для его осуществления и контейнер

Изобретение относится к области атомной техники и может быть использовано для получения гомогенного ядерного топлива из смеси керамических порошков делящихся компонентов и различных добавок для ядерных реакторов на быстрых и тепловых нейтронах. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса измельчения и смешивания порошков и достижение требуемых характеристик порошковой смеси, необходимых для получения гомогенного смешанного ядерного топлива различного состава, например, содержащего высокофоновый регенерированный плутоний или различные добавки в количестве от 0,05 мас.%. В способе изготовления таблеток керамического ядерного топлива, включающем стадии подготовки пресс-порошка, его гранулирования, прессования и спекания полученных таблеток, стадия подготовки пресс-порошка включает операции загрузки доз порошков исходных компонентов и инициирующего размол вещества в контейнер из немагнитного материала, герметизации контейнера, перемещения контейнера с порошками и ферромагнитными иглами в полость трубы из немагнитного материала, помещенной внутрь катушки индуктора, измельчения и смешивания порошков под воздействием ферромагнитных игл, движущихся в магнитном поле индуктора, извлечения контейнера из трубы, охлаждения контейнера, разгерметизации контейнера и выгрузки полученной порошковой смеси из контейнера в аппарат гранулирования. В полости контейнера формируют рабочую зону цилиндрической формы, в которой постоянно размещают ферромагнитные иглы, и торцевую зону, зоны разделяют между собой непроницаемой для игл сетчатой перегородкой. Загрузку доз порошков в рабочую зону проводят через торцевую зону и сетчатую перегородку. Контейнер на высоту его рабочей зоны вводят в полость трубы, размещенной вертикально внутри катушки индуктора. Обработку порошков проводят при движении игл в рабочей зоне, а выгрузку полученной порошковой смеси из контейнера осуществляют через сетчатую перегородку и торцевую зону без выгрузки ферромагнитных игл из рабочей зоны. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области атомной техники и может быть использовано для получения гомогенного ядерного топлива из смеси керамических порошков делящихся компонентов и различных добавок для ядерных реакторов на быстрых и тепловых нейтронах. В частности, изобретение может быть использовано в технологии изготовления таблеток керамического ядерного топлива (далее - таблеток) для производства тепловыделяющих элементов (далее - твэлов), используемых в активных зонах атомных реакторов электростанций, например, таблеток из диоксидов урана и плутония (далее - смешанного топлива) с содержанием различных добавок от 0,05 мас.%.

Предшествующий уровень техники

Технология изготовления таблеток состоит из стадий подготовки пресс-порошка, прессования таблеток и их спекания. При изготовлении таблеток из нескольких компонентов, например из оксидов урана и плутония, подготовка пресс-порошка включает операцию измельчения и смешивания исходных порошков. От этой операции зависят основные характеристики готовых таблеток: гомогенность твердого раствора, плотность, размер зерна, микроструктура и др., которые определяют работоспособность ядерного топлива в реакторе.

Известен способ получения таблеток смешанного топлива, состоящий из подготовки пресс-порошка путем смешивания исходных порошков оксидов урана и плутония, прессования полученной смеси и спекания полученных таблеток [заявка РСТ 96/25746, МПК G 21 C 3/62, публ. 22.08.96]. В соответствии с этим способом подготовку пресс-порошка проводят путем измельчения и смешивания компонентов в шаровой мельнице. Недостатком этого способа является низкая эффективность измельчения и смешивания порошков. Вследствие этого в структуре спеченных таблеток наблюдается наличие двух фаз и не достигается требуемая гомогенность смешанного топлива. Такие таблетки плохо растворяются в азотной кислоте, что усложняет реализацию замкнутого топливного цикла.

Известен также способ изготовления таблеток для твэлов реакторов на тепловых нейтронах из (U, Pu)О₂, включающий предварительное перемешивание порошков оксидов урана и плутония в V-образном смесителе и размол смеси в течение 20 часов в шаровой или молотковой мельнице с последующими операциями гранулирования полученной смеси, прессования и спекания таблеток [Решетников Ф.Г., Бибилашвили Ю.К. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Кн.1. М., Энергоатомиздат, 1995, с.110]. Этот способ также имеет невысокую эффективность измельчения и перемешивания порошков, что не позволяет обеспечивать требуемую гомогенность смешанного топлива. Процесс характеризуется низкой производительностью и сложностью обеспечения ядерной безопасности технологических процессов. Кроме того, длительность операции измельчения и смешивания порошков приводит к значительному износу мелющих тел и стенок смесителя и загрязнению пресс-порошка вредными примесями.

Известен способ получения гомогенного ядерного топлива из смеси диоксидов урана и плутония для изготовления таблеток, включающий стадии подготовки пресс-порошка в вихревом слое, гранулирования и спекания таблеток [патент RU №2122247, МПК 6 G 21 C 21/00]. Вихревой слой в рабочем объеме смесителя цилиндрической формы создается за счет интенсивного движения магнитных игл под действием переменного магнитного поля. Под воздействием игл происходит перемешивание и измельчение порошков, а также активация частиц порошковой смеси. Этот способ является наиболее близким к заявляемому способу и выбран в качестве прототипа.

Известно устройство, которое состоит из индуктора с катушкой в форме цилиндра с центральным отверстием, ось которого расположена горизонтально. Внутрь полости катушки введена труба из немагнитного материала для размещения герметичного цилиндрического контейнера из немагнитного материала, например титана, в контейнере размещены смешиваемые порошки и иглы из ферромагнитного материала [патент RU №2122247, МПК 6 G 21 C 21/00]. Для увеличения эффективности процессов измельчения и перемешивания устройство снабжено средством для возвратно-поступательного перемещения контейнера в трубе в горизонтальном направлении. Это устройство является наиболее близким к предлагаемому устройству и выбрано в качестве прототипа.

Известен контейнер для измельчения и смешивания порошков, который выполнен в форме цилиндрического стакана с герметичной крышкой цилиндрической формы, стакан и крышка выполнены из немагнитного материала [патент RU №2122247, МПК 6 G 21 C 21/00]. Этот контейнер является наиболее близким к предлагаемому контейнеру и выбран в качестве прототипа.

Стадия подготовки пресс-порошка, осуществляемая в соответствии со способом-прототипом и с помощью описанных выше устройства и контейнера, включает следующие операции: загрузку доз исходных порошков диоксидов урана, плутония и инициирующих размол веществ, а также ферромагнитных игл в стакан контейнера, герметизацию контейнера с помощью съемной крышки; перемещение контейнера с порошками и иглами в полость горизонтальной трубы, помещенной внутрь катушки индуктора; измельчение и смешивание порошков под воздействием ферромагнитных игл, движущихся в магнитном поле индуктора при возвратно-поступательных перемещениях контейнера в трубе; извлечение контейнера из трубы; охлаждение контейнера с содержимым; снятие крышки и выгрузку полученной порошковой смеси и игл; отделение порошка от игл, загрузку его в аппарат гранулирования. Загрузку доз порошков диоксидов урана и плутония в стакан контейнера производят в количестве 50-70% объема стакана, а массу загружаемых магнитных игл задают не более половины от величины критической массы, при которой иглы прекращают вращаться в электромагнитном поле смесителя. Геометрическая форма и соотношение геометрических размеров ферромагнитных игл при использовании способа имеют существенное значение, так, например, отношение длины иглы к ее диаметру должно изменяться в пределах от 8 до 14. При загрузке исходных порошков в контейнер могут также вводится специальные добавки, например выгорающие поглотители нейтронов.

Описанная выше операция подготовки пресс-порошка имеет недостаточную эффективность перемешивания и измельчения порошков по изложенным ниже причинам. Зона вращения переменного магнитного поля индуктора, под действием которого движутся иглы из ферромагнитного материала, существенно меньше высоты цилиндрического контейнера. При проведении операции значительная часть порошка при этом оказывается вне рабочей зоны действия электромагнитного поля на ферромагнитные иглы, так как порошок распределяется слоем по всей длине горизонтально расположенного контейнера. Поэтому в процессе перемешивания порошков приходится осуществлять возвратно-поступательные перемещения контейнера в горизонтальной трубе с определенной амплитудой. В этом случае условия измельчения и смешивания порошков в торцевых зонах контейнера существенно отличаются от условий в его центре, что снижает эффективность процесса, ведет к увеличению времени операции и к ухудшению характеристик получаемой смеси. Кроме того, такой процесс состоит из большого числа элементарных операций (например, отделение порошка от игл, загрузка игл в контейнер, перемещение контейнера) и с трудом поддается автоматизации, которая имеет большое значение для обеспечения безопасности производства смешанного ядерного топлива.

Еще одним недостатком известного способа является низкая эффективность охлаждения контейнера в процессе измельчения и смешивания из-за горизонтального размещения контейнера в трубе и существенного снижения эффективности конвективного охлаждения контейнера с порошком. В результате этого после обработки порошков в соответствии со способом-прототипом в течение 6-10 мин, контейнер нагревается до температуры около 100°С, что увеличивает время охлаждения контейнера до его разгерметизаций и опорожнения.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности процесса измельчения и смешивания порошков и достижение требуемых характеристик порошковой смеси, необходимых для получения гомогенного смешанного ядерного топлива различного состава, например, содержащего высокофоновый регенерированный плутоний или различные добавки в количестве от 0,05 мас.%.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается тем, что в известном способе изготовления таблеток керамического ядерного топлива, включающем стадии подготовки пресс-порошка, его гранулирования, прессования и спекания полученных таблеток, стадия подготовки пресс-порошка включает операции загрузки доз порошков исходных компонентов и инициирующего размол вещества в контейнер из немагнитного материала, герметизации контейнера, перемещение контейнера с порошками и ферромагнитными иглами в полость трубы из немагнитного материала, помещенной внутрь катушки индуктора, измельчение и смешивание порошков под воздействием ферромагнитных игл, движущихся в магнитном поле индуктора, извлечение контейнера из трубы, охлаждения контейнера, разгерметизации контейнера и выгрузки полученной порошковой смеси из контейнера в аппарат гранулирования, согласно изобретению в полости контейнера формируют рабочую зону цилиндрической формы, в которой постоянно размещают ферромагнитные иглы, и торцевую зону, зоны разделяют между собой непроницаемой для игл сетчатой перегородкой, загрузку доз порошков в рабочую зону проводят через торцевую зону и сетчатую перегородку, контейнер на высоту его рабочей зоны вводят в полость трубы, размещенной вертикально внутри катушки индуктора, обработку порошков проводят при движении игл в рабочей зоне, а выгрузку полученной порошковой смеси из контейнера осуществляют через сетчатую перегородку и торцевую зону без выгрузки ферромагнитных игл из рабочей зоны.

В частном варианте массу загружаемых ферромагнитных игл задают от 2,5% до 90% от величины критической массы, при увеличении которой иглы не вращаются в электромагнитном поле смесителя.

В другом частном варианте величину критической массы ферромагнитных игл рассчитывают по формуле

m_кр=К_кр·V_к·ρ_u,

где К_кр - коэффициент критичности загрузки смесителя иглами;

V_к - внутренний объем контейнера, соответствующий высоте зоны вращения электромагнитного поля, см³;

ρ_и - плотность игл, г/см³.

В другом частном варианте общий объем загружаемых в контейнер керамических порошков задают не более 90% от его свободного объема, приходящегося на зону вращения электромагнитного поля.

В другом частном варианте используют ферромагнитные иглы, отношение длины которых к их диаметру изменяется в пределах от 8 до 14.

В другом частном варианте отношение суммарной массы керамических порошков к массе магнитных игл задают в пределах от 0,3 до 3,0, преимущественно от 0,5 до 2,0.

В другом частном варианте частоту вращения электромагнитного поля задают в пределах 10-50 Гц.

В другом частном варианте измельчение и смешивание порошков проводят в течение 1-20 минут.

В другом частном варианте измельчение и смешивание порошков проводят за несколько циклов длительностью 1-10 минут.

В другом частном варианте все операции стадии подготовки пресс-порошка проводят в инертной газовой атмосфере.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из защитной камеры, узла загрузки в контейнер доз исходных порошков и инициирующего размол вещества, узла измельчения и смешивания порошков, который выполнен в виде индуктора с катушкой, внутрь которой введена труба из немагнитного материала для размещения герметичного контейнера из немагнитного материала с порошками и иглами из ферромагнитного материала, узла гранулирования порошка, а также системы транспортирования и позиционирования контейнера, согласно изобретению узел измельчения и смешивания порошков выполнен с вертикальным расположением осей индуктора и трубы, которая с нижнего торца снабжена заглушкой и образует фрагмент защитной камеры, защитная камера выполнена в виде контура с возможностью перемещения в нем контейнера от узла загрузки к узлу измельчения и смешивания, затем к узлу гранулирования, а затем к узлу загрузки, контур защитной камеры образован технологическими боксами для размещения узлов устройства и транспортными боксами, а система транспортирования и позиционирования контейнера снабжена элементами для его вертикального перемещения по оси трубы и для его переворота в зоне узла гранулирования смеси.

В частном варианте защитная камера заполнена инертной газовой атмосферой.

В другом частном варианте защитная камера снабжена транспортным боксом для вывода контейнера из контура.

В другом частном варианте корпус защитной камеры функционально совмещен с несущим каркасом конструкции установки.

В другом частном варианте индуктор с катушкой размещен снаружи защитной камеры.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, достигается тем, что в известном контейнере, выполненном в форме цилиндрической емкости из немагнитного материала с узлом герметизации на торце, согласно изобретению узел герметизации выполнен в форме клапана с внутренней полостью, которая отделена от цилиндрической емкости контейнера непроницаемой для ферромагнитных игл поперечной сетчатой перегородкой, причем клапан соединен с цилиндрической емкостью с помощью фланцевого соединения.

В частном варианте фланцевое соединение выполнено разъемным.

В другом частном варианте клапан выполнен в форме шарового крана, на котором смонтирован привод механизма для его вращения.

В другом частном варианте фланцевое соединение снабжено платформой для фиксации и позиционирования контейнера.

В другом частном варианте цилиндрическая внутренняя поверхность емкости имеет галтельный переход к плоскому днищу.

Краткое описание графических материалов

Сущность изобретения поясняется четырьмя иллюстрациями.

На фиг.1 приведена схема, иллюстрирующая осуществление предлагаемого способа с помощью заявляемого устройства и контейнер.

На фиг.2 приведена принципиальная схема защитной камеры.

На фиг.3 приведен общий вид заявляемого контейнера.

На фиг.4 приведены данные по размеру зерна а и распределению концентрации плутония по поверхности шлифа b для заявляемого способа, а также соответствующие данные e и d для способа - прототипа.

Варианты осуществления изобретения

Осуществление способа и принцип действия устройства поясняется схемой, представленной на фиг.1.

В узле загрузки исходные порошки 1, например порошки диоксидов урана и плутония, инициирующее размол вещество и другие добавки из дозаторов 2, поступают в рабочую зону 3 контейнера 4 через торцевую зону 5 клапана 6 и сетчатую перегородку (на фиг.1 не показана). В рабочей зоне 3 контейнера 4 постоянно содержатся ферромагнитные иглы 7. Контейнер 4 при помощи системы транспортирования и позиционирования 8 перемещают в узел измельчения и смешивания к вертикальной трубе 9, которая введена в катушку 10 вихревого электромагнитного смесителя. На нижнем торце трубы 9 установлена заглушка 11. Труба 9 в зоне своего верхнего открытого торца закреплена на стенке защитной камеры 12 и является фрагментом этой камеры. (Геометрия защитной камеры на фиг.1 показана условно, общий вид варианта геометрии камеры приведен на фиг.2). Контейнер 4 при помощи элемента 13 вертикально перемещают вниз по оси трубы 9 и фиксируют в ней так, чтобы рабочая зона 3 контейнера совпадала с рабочей зоной катушки 10 смесителя. В катушке 10 смесителя возбуждается переменное электромагнитное поле заданной частоты вращения, которое воздействует на ферромагнитные иглы 7. Иглы под воздействием переменного магнитного поля совершают сложные вращательные движения в рабочей зоне контейнера 4, измельчая и перемешивая порошковые компоненты. Затем контейнер 4 при помощи элемента 13 перемещают вверх и возвращают на транспортер системы 8, проводят охлаждение, перемещение контейнера к узлу гранулирования и переворачивают контейнер при помощи элемента 14, открывают клапан 6 и проводят выгрузку порошковой смеси 15 через сетчатую перегородку (на фиг.1 не показана) и торцевую зону 5 в приемную воронку 16 узла гранулирования 17. При этом ферромагнитные иглы 7 остаются на сетчатой перегородке в рабочей зоне 3 контейнера. Затем контейнер 4 с ферромагнитными иглами 7 возвращают к узлу загрузки для новой дозировки исходных порошков. Полученную смесь порошков подвергают гранулированию, прессованию и спеканию известными способами.

Общий вид варианта геометрии защитной камеры приведен на фиг.2. Камера выполнена в виде контура с возможностью перемещения в нем контейнеров по кольцевому маршруту: узел загрузки - узел измельчения и смешивания - узел гранулирования - узел загрузки. Контур защитной камеры образован технологическими боксами 18 для размещения узлов устройства и транспортных боксов 19, предназначенных для перемещения и позиционирования контейнеров в контуре Защитная камера снабжена дополнительным транспортным боксом 20 для ввода и удаления контейнеров из контура.

Контейнер (см. фиг.3) состоит из цилиндрической емкости 21, выполненной из немагнитного материала, например из титана, узла герметизации, выполненного в виде клапана 6, например, с шаровым сердечником 22, сердечник снабжен приводом 23 его поворота во внутренней полости 24 клапана 6. Клапан 6 выполнен из немагнитного материала, например нержавеющей стали. Клапан 6 и цилиндрическая емкость 21 соединены между собой с помощью фланцевого соединения 25а и 25b и разделены поперечной сетчатой перегородкой 26, которая непроницаема для ферромагнитных игл. Фланцевое соединение 25а и 25b может быть выполнено разъемным для замены ферромагнитных игл (на фиг.3 не показаны) или сетчатой перегородки 26. Контейнер снабжен платформой 27 для фиксации и позиционирования контейнера. Для уменьшения сопротивления вращению игл и исключения возможности образования застойных зон цилиндрическая внутренняя поверхность емкости сопрягается с ее плоским дном галтельным переходом 28.

При практической реализации заявляемого способа получены эмпирические зависимости, позволяющие повысить эффективность процесса измельчения и смешивания исходных порошков. Установлено существенное влияние размера игл и массы их загрузки в контейнер на процесс измельчения и смешивания порошков. Наиболее эффективно процессы измельчения и смешивания протекают при отношении длины игл к их диаметру от 8 до 14.

Отношение массы загружаемых игл к массе исходных порошков также влияет на протекание процесса. Величину этого отношения ограничивают заданная производительность процесса смешения, натирание нежелательных примесей и масса критической загрузки рабочего контейнера иглами m_кр. Значение m_кр рассчитывали по формуле

m_кр=К_кр·V_к·ρ_и,

где К_кр - коэффициент критичности загрузки смесителя иглами;

V_к - внутренний объем контейнера, приходящийся на высоту зоны вращения электромагнитного поля, см³;

ρ_и - плотность материала игл, г/см³.

Величина К_кр определяется экспериментально для каждого типа игл и равна отношению объема контейнера, находящегося в зоне действия электромагнитного поля, к объему всех загруженных игл, при котором они прекращают движение.

Экспериментально установлены условия минимального натирания железа в зависимости от загрузки магнитных игл, от времени обработки и материала игл. Рекомендовано использование ферромагнитных игл из подшипниковой стали ШХ-15 или ШХ-45 с размерами: диаметр d=0,2 см, длина l=2 см. Для таких игл коэффициент критичности загрузки К_кр=0,1. Применяли контейнер с внутренним объемом, находящимся в зоне вращения электромагнитного поля, V_к=2713 см³ (является максимальным для применявшегося смесителя АВС-150 с длиной рабочей зоны L=24 см и максимально допустимым диаметром контейнера D=12 см). Плотность материала игл ρ_и≈7,5 г/см³.

Максимально возможное по фактору загрязнения порошков примесями значение отношения f массы игл к массе порошка равно 2. Минимально допустимое значение f определяется эффективностью измельчения и равно 0,3. Расчетное значение m_кр≈1800 г. Рекомендуемый диапазон величины загрузки рабочего контейнера порошком составляет от 0,6 до 3,6 кг, причем загружать контейнер порошком можно не более чем на 90% от его свободного объема, приходящегося на зону действия электромагнитного поля.

Экспериментально установлено, что при снижении частоты вращения электромагнитного поля с 50 до 30 Гц эффективность измельчения и смешивания порошков практически не изменяется, а температура внешних стенок титанового стакана контейнера после проведения операции снижается примерно на 50°С.

В проведенных экспериментах с радиоактивными и пирофорными порошками все операции подготовки пресс-порошка проводились в защитной камере с инертной атмосферой.

Примеры конкретного осуществления изобретения

Пример 1

Получают таблетки смешанного уран-плутониевого топлива из исходных порошков диоксида урана, соответствующего ТУ 52 000-28, и диоксида плутония, соответствующего ТУ 95.2-79, а также стеарата цинка, взятых в количестве, соответственно, 95 г, 5 г и 0,2 г и общей массой исходных порошков 100,2 г. Процесс измельчения и смешивания порошков ведут в контейнере из титана с диаметром рабочей зоны 12 см и высотой 24 см с использованием игл из стали ШХ-15 диаметром 0,2 см и длиной 2 см, с использованием вихревого смесителя, имеющего длину рабочей зоны 24 см и диаметр отверстия для размещения контейнера 13 см.

Определяют критическую массу загрузки рабочего контейнера иглами m_кр по формуле

m_кр=К_кр·V_к·ρ_и,

где К_кр - коэффициент критичности загрузки смесителя иглами, равный 0,1;

V_к - внутренний объем контейнера, приходящийся на высоту зоны вращения электромагнитного поля, равный 2713 см³;

ρ_и - плотность материала игл, равная 7,5 г/см³, и получают значение m_кр, равное 2000 г.

Загружают в контейнер иглы общей массой 200 г, при этом отношение массы игл к массе порошка составит 2, а объем порошка в контейнере ˜50 см³, что составляет ˜1,9% от свободного объема контейнера, приходящегося на зону действия электромагнитного поля. Устанавливают на цилиндрическую емкость сетчатую перегородку из латуни с размером сита 1 мм. Устанавливают на цилиндрическую емкость с перегородкой узел герметизации в форме шарового клапана типа ДУ-120 и герметизируют фланцевое соединение контейнера. В заполненной аргоном защитной камере загружают в рабочую зону контейнера через внутреннюю полость клапана и сетчатую перегородку описанные выше дозы исходных порошков. Герметизируют контейнер и проводят измельчение и смешивание порошков в вихревом смесителе АВС-150 при частоте вращения электромагнитного поля 30 Гц за один цикл продолжительностью 4 мин. Затем контейнер охлаждают в течение 5 мин и выгружают порошковую смесь в аппарат гранулирования типа L200/30P. Полученный гранулят прессуют в сырые таблетки диаметром ˜7,2 мм, высотой ˜6 мм и плотностью 6,5 г/см³. Полученные таблетки спекают в аргоно-водородной среде при температуре 1750°С в течение 3 ч.

Проводят исследование полученных таблеток с помощью электронного сканирующего микроскопа и металлографическим методом. Сравнительные результаты исследования таблеток, полученных с использованием заявляемого изобретения и способа-прототипа, представлены на фиг.4. Полученные результаты показывают, что при подготовке пресс-порошка по предлагаемому способу обеспечивается гомогенная структура твердого раствора (U, Pu)O₂ смешанного топлива с равномерным распределением компонентов по объему таблетки (см. данные а и b на фиг.4), и эти данные существенно выше, чем соответствующие показатели у способа прототипа (см. с и d на фиг.4). При этом обеспечивается полная растворимость таблеток такого топлива в азотной кислоте, которая имеет большое значение при проведении процессов регенерации смешанного топлива.

Пример 2

Получают таблетки смешанного уранового топлива скорректированного обогащения из исходных порошков диоксида обедненного урана (содержание U-235 0,24%) и диоксида высокообогащенного урана (содержание U-235 90%) марки ТУ 95.604-84, а также стеарата цинка коммерческого происхождения, взятых в количестве, соответственно, 99,95 г, 0,05 г, и 0,2 г и общей массой исходных порошков 100,2 г.

Затем проводят подготовку пресс-порошка, прессование и спекание таблеток, как это описано в примере 1.

Проводят исследование полученных таблеток с помощью металлографического анализа и гамма-спектрометрическим методом. Среднее содержание изотопа U-235 в таблетках составило 0,28%, среднее квадратичное отклонение концентрации U-235 по десяти образцам составило 0,004%.

Промышленная применимость

Результаты исследования таблеток, полученных с использованием заявляемого изобретения показывают, что при подготовке пресс-порошка по предлагаемому способу обеспечивается гомогенная структура смешанного топлива с равномерным распределением компонентов по объему таблетки.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения гомогенного ядерного смешанного топлива на практике позволит получить существенные преимущества по сравнению с известными способами. Такими преимуществами являются: повышение гомогенности и существенное увеличение размера зерна в таблетках смешанного керамического топлива; эффективное использование активной зоны электромагнитного смесителя, которая может быть загружена до 90% ее объема порошком и иглами; сокращение длительности измельчения и смешивания исходных порошков за счет интенсификации процессов в рабочей зоне вертикально расположенного контейнера; простота создания на базе предлагаемой технологии автоматизированного высокопроизводительного устройства производства смешанного керамического топлива; простота обеспечения ядерной безопасности технологических процессов.

1. Способ изготовления таблеток керамического ядерного топлива, включающий стадии подготовки пресс-порошка, его гранулирования, прессования и спекания полученных таблеток, стадия подготовки пресс-порошка включает операции загрузки доз порошков исходных компонентов и инициирующего размол вещества в контейнер из немагнитного материала, герметизации контейнера, перемещения контейнера с порошками и ферромагнитными иглами в полость трубы из немагнитного материала, помещенной внутрь катушки индуктора, измельчения и смешивания порошков под воздействием ферромагнитных игл, движущихся в магнитном поле индуктора, извлечения контейнера из трубы, охлаждения контейнера, разгерметизации контейнера и выгрузки полученной порошковой смеси из контейнера в аппарат гранулирования, отличающийся тем, что в полости контейнера формируют рабочую зону цилиндрической формы, в которой постоянно размещают ферромагнитные иглы, и торцевую зону, зоны разделяют между собой непроницаемой для игл сетчатой перегородкой, загрузку доз порошков в рабочую зону проводят через торцевую зону и сетчатую перегородку, контейнер на высоту его рабочей зоны вводят в полость трубы, размещенной вертикально внутри катушки индуктора, обработку порошков проводят при движении игл в рабочей зоне, а выгрузку полученной порошковой смеси из контейнера осуществляют через сетчатую перегородку и торцевую зону без выгрузки ферромагнитных игл из рабочей зоны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массу загружаемых ферромагнитных игл задают от 2,5% до 90% от величины критической массы, при увеличении которой иглы не вращаются в электромагнитном поле смесителя.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что величину критической массы ферромагнитных игл рассчитывают по формуле:

m_кр=К_кр·V_к·ρ_u,

где К_кр - коэффициент критичности загрузки смесителя иглами;

V_к - внутренний объем контейнера, приходящийся на зону вращения электромагнитного поля, см³;

ρ_u - плотность игл, г/см³.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что общий объем загружаемых в контейнер керамических порошков и игл задают не более 90% от его свободного объема, приходящегося на зону вращения электромагнитного поля.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют ферромагнитные иглы, отношение длины которых к их диаметру изменяется в пределах 8-14.

6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что отношение суммарной массы керамических порошков к массе магнитных игл задают в пределах 0,3-3,0, преимущественно 0,5-2,0.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что частоту вращения электромагнитного поля задают в пределах 10-50 Гц.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение и смешивание порошков проводят в течение 1-20 мин.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что измельчение и смешивание порошков проводят за несколько циклов длительностью 1-10 мин.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что все операции стадии подготовки пресс-порошка проводят в инертной газовой атмосфере.

11. Устройство, включающее защитную камеру, узел загрузки в контейнер доз исходных порошков и инициирующего размол вещества, узел измельчения и смешивания порошков, который выполнен в виде индуктора с катушкой, внутрь которой введена труба из немагнитного материала для размещения герметичного контейнера из немагнитного материала с порошками и иглами из ферромагнитного материала, узел гранулирования порошка, а также систему транспортирования и позиционирования контейнера, отличающееся тем, что узел измельчения и смешивания порошков выполнен с вертикальным расположением осей индуктора и трубы, которая с нижнего торца снабжена заглушкой и образует фрагмент защитной камеры, защитная камера выполнена в виде контура с возможностью перемещения в нем контейнера от угла загрузки к узлу измельчения и смешивания, затем к узлу гранулирования, а затем к узлу загрузки, контур защитной камеры образован технологическими боксами для размещения узлов устройства и транспортными боксами, а система транспортирования и позиционирования контейнера снабжена элементами для его вертикального перемещения по оси трубы и для его переворота в зоне узла гранулирования смеси.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что защитная камера заполнена инертной газовой атмосферой.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что защитная камера снабжена транспортным боксом для вывода контейнера из контура.

14. Устройство по п.11, отличающееся тем, что корпус защитной камеры функционально совмещен с несущим каркасом конструкции установки.

15. Устройство по п.11, отличающееся тем, что индуктор с катушкой размещен снаружи защитной камеры.

16. Контейнер, выполненный в форме цилиндрической емкости из немагнитного материала с узлом герметизации на торце, отличающийся тем, что узел герметизации выполнен в форме клапана с внутренней полостью, которая отделена от цилиндрической емкости контейнера непроницаемой для ферромагнитных игл поперечной сетчатой перегородкой, причем клапан соединен с цилиндрической емкостью с помощью фланцевого соединения.

17. Контейнер по п.16, отличающийся тем, что фланцевое соединение выполнено разъемным.

18. Контейнер по п.16, отличающийся тем, что клапан выполнен в форме шарового крана, на котором смонтирован привод механизма для его вращения.

19. Контейнер по п.16, отличающийся тем, что фланцевое соединение снабжено платформой для фиксации и позиционирования контейнера.

20. Контейнер по п.16, отличающийся тем, что цилиндрическая часть емкости, относящаяся к рабочей зоне контейнера, с внутренней стороны имеет галтельный переход к плоскому днищу.