СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШИХТЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРМЕТНЫХ СТЕРЖНЕЙ ТВЭЛОВ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
METHOD OF PREPARING CHARGE MIXTURE FOR MAKING CERMET RODS OF NUCLEAR REACTOR FUEL ELEMENTS

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к способам, применяемым при получении шихты из смеси порошков ядерного топлива и материала матрицы для прессования керметных стержней твэлов ядерного реактора.
Одним из направлений в ядерной энергетике является использование твэлов, в которых тепловыделяющие сердечники набраны из керметных стержней (см., например, Федик И.И., Гаврилин С.С. и др. "Новое поколение твэлов на основе микротоплива для ВВЭР", "Атомная энергия", Москва, 2004, т.96, вып.4, с.280).
Такой стержень выполнен в виде заглушенной с двух сторон тонкостенной оболочки из циркониевого сплава, заполненной изостатически спрессованной смесью порошков ядерного топлива, например двуокиси урана, и материала матрицы, в качестве которого также используется цирконий (см., например, С.С.Гаврилин, В.П.Денискин и др., "Способ изготовления керметного стержня топливного сердечника тепловыделяющего элемента ядерного реактора", Патент РФ №2305334, опубл. 27.08.2007, Бюл. №24).
В технологии такого стержня одной из важнейших операций является получение шихты, которой, перед проведением изостатического прессования, заполняется внутренняя полость оболочки стержня.
Основное требование к такой шихте - равномерное распределение частиц топлива в материале матрицы при обеспечении заданного значения его объемной доли в стержне.
Известен способ получения шихты из частиц топлива и материала матрицы путем механического перемешивания ее компонентов с использованием смесителей (см., например, А.Г.Самойлов, А.И.Каштанов, В.С.Волков, Дисперсионные твэлы, т.1, Энергоиздат, М., 1982, с.180). Недостатком такого способа является расслаивание смеси при дальнейших операциях и, как следствие, нарушение ее однородности.
Известен также способ получения шихты из частиц топлива и материала матрицы, в котором в порошок ядерного топлива вводят связующее вещество, плакируют частицы порошка ядерного топлива пленкой связующего вещества путем его высушивания, смешивают плакированный порошок с порошком материала матрицы, перемешивают смесь в смесителе до получения конгломерированных частиц и удаляют излишки порошка материала матрицы (см., например, А.Г.Самойлов, А.И.Каштанов, В.С.Волков, Дисперсионные твэлы, т.1, Энергоиздат, М., 1982, с.181).
Недостатком этого способа является большая вероятность дробления крупных, диаметром (0,4-0,6) мм, сферических частиц ядерного топлива при смешивании их с порошком материала матрицы, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик топливной композиции, в частности, к увеличению ее радиационной повреждаемости.
По совокупности существенных признаков последний способ наиболее близок к предлагаемому и выбран в качестве прототипа.
Предлагаемый способ получения шихты для изготовления керметных стержней твэлов ядерного реактора заключается в том, что в порошок ядерного топлива вводят связующее вещество, плакируют частицы порошка пленкой связующего вещества путем его высушивания, смешивают плакированный порошок с порошком материала матрицы, перемешивают смесь до получения конгломерированных частиц и удаляют излишки порошка материала матрицы. От прототипа предлагаемый способ отличается тем, что в качестве связующего вещества используют раствор парафина и воска в трихлорэтилене при соотношении компонентов (7,5-32) мас.% - парафин, (2-10) мас.% - воск, трихлорэтилен - остальное, а высушивание связующего вещества проводят до получения сыпучих гранул.
В силу указанного отличия частицы топлива при испарении трихлорэтилена плакируются тонким пластичным слоем парафина и воска, адгезионная связь которого с частицей существенно превышает силы сцепления плакированных частиц друг с другом. Таким образом, усилие разделения плакированных частиц в смесителе значительно снижено по сравнению со способом, выбранным в качестве прототипа, где смеситель работает с клейкой массой, что и обеспечивает достижение положительного эффекта - увеличение радиационной стойкости топливной композиции за счет уменьшения вероятности дробления топливных частиц.
Возможность получения шихты по предлагаемому способу проиллюстрируем конкретным примером. В механический смеситель помещали засыпку массой 12 г сферических частиц из диоксида урана со средним диаметром 0,4 мм. В смеситель ввели 0,7 г раствора парафина и воска в трихлорэтилене при соотношении компонентов 12,75 мас.% - парафин, 4,25 мас.% - воск, трихлоэтилен - остальное. Высушивание раствора до получения сыпучих гранул плакированных частиц продолжалось в течение 3 мин при перемешивании со скоростью 1 об/с и температуре 23°C. После получения сыпучих гранул в смеситель подавался порошок циркония со средним размером 50 мкм, и работа смесителя продолжалась в течение 1,5 мин при неизменных параметрах перемешивания. Внешний вид плакированных частиц показан на фотографии фиг.1, конгломерированных частиц готовой шихты - на фотографии фиг.2.