СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО МОДЕЛЬНОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА УРАНА
METHOD OF PRODUCING PELLETED URANIUM DIOXIDE-BASED MODEL NUCLEAR FUEL

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для получения таблетированного модельного ядерного топлива на основе диоксида урана, включающего имитаторы продуктов деления (ИПД), состав и количество которых соответствует заданной глубине выгорания облученного ядерного топлива.
В присутствии ИПД в диоксиде урана формируются структура, химический и фазовый состав, характерные для облученного состояния ядерного топлива, что позволяет использовать модельное топливо при ускоренных внереакторных и реакторных исследованиях теплофизических, механических свойств и радиационной стойкости диоксида урана применительно к глубоким выгораниям топлива.
2
В современной ядерной энергетике при изготовлении модельного топлива распределение ИПД в топливе осуществляют как «мокрым» [см. статью "Microstructural features of SIMFUEK - Simulated high-burnup UO-based nuclear fuel", Journal of Nuclear Materials, 1991, vol. 178, 48-60], так и сухим смешиванием [см. статью "Chemical state, phases and vapor pressures of fission-produced noble metals in oxide fuel", Journal of Nuclear Materials, 1988, vol. 154, 3-13] с последующим прессованием и термообработкой.
Недостатком известных способов является то, что они ограничены по составу ИПД, число которых не превышает четырех, и кроме того, включают дополнительные технологические операции, такие как «мокрое» смешивание, осаждение хлоридов и т.п., не свойственные используемым штатным технологиям изготовления топливных таблеток.
2
2
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
Известен способ получения модельного ядерного топлива на основе диоксида урана [см. статью "Chemical form of the solid fusion products in (Th,U)O simulated high burnup", Journal of Nuclear Materials, 1979, vol. 84, 26-38], в котором используется расширенный состав ИПД (ZrO, СеO, YO, NdO, LaO, SmO, PrO, Mo, Ru, Rh, PdO, BaO, SrO, CsO) без использования дополнительных технологических операций.
2
2
2
2
2
2
2
Этот способ, включающий подготовку порошков диоксида урана, и диоксида тория, и имитаторов продуктов деления, их сухое смешивание, приготовление шихты, прессование и спекание, является наиболее близким к предлагаемому и выбран в качестве прототипа. Изготовление таблеток-образцов в соответствии с этим способом проводят из смеси порошков ТhO и UO. Порошки ThO-UO смешивают с порошками ИПД чистотой не менее 99,9% и растирают вручную в ступке около 10 часов до гомогенизации, определяемой по цвету смеси порошков. Таблетки прессуют под давлением 2 т/м и спекают в 7-ступенчатом режиме с изменением атмосферы и длительности спекания для достижения равновесного состояния в образцах. Смешивание-растирание порошков ИПД и ThO-UO проводят однократно.
Режим смешивания является важным фактором, поскольку порошки ИПД имеют различную морфологию и, соответственно, различную форму частиц (округлую, дендритную и т.д.).
Недостатком данного способа является то, что при одновременном смешивании порошков создается объемная неоднородность распределения ИПД, что не позволяет моделировать состояние облученного топлива по характеру распределения продуктов деления. Кроме того, используемый в способе режим гомогенизации существенно удлиняет технологический процесс получения модельного топлива.
Перед авторами стояла задача получения таблетированного модельного ядерного топлива на основе диоксида урана с высокой степенью имитации микроструктуры, химического и фазового состава ядерного топлива при глубоком выгорании путем уменьшения объемной неоднородности и повышения равномерности распределения ИПД в модельном топливе без существенного удлинения технологического процесса.
Для решения поставленной задачи разработан способ получения таблетированного модельного ядерного топлива на основе диоксида урана, включающий подготовку порошков диоксида урана и имитаторов продуктов деления, их сухое смешивание, приготовление шихты, прессование и спекание, в котором имитаторы продуктов деления разделяют на группы по химическому состоянию в диоксиде урана, например на группы металлов, оксидов редкоземельных металлов и гидроксидов керамических соединений, осуществляют предварительное смешивание внутри каждой группы, после чего все группы объединяют и смешивают с удвоенной массой диоксида урана, полученную смесь объединяют с оставшейся массой диоксида урана в несколько приемов, включающих промежуточное перемешивание, спекание ведут в вакууме, причем температуру поднимают ступенчато в несколько этапов до прекращения газовыделения на каждом из них, при этом для ИПД с температурой плавления ниже 800°С выдержки проводят при температурах, составляющих 0,8 от температуры их плавления, а для остальных ИПД - 0,5 от их средней температуры плавления.
В качестве ИПД вводят элементы и их соединения, номенклатура и содержание которых соответствуют заданному уровню выгорания.
Оптимальное время выдержки при максимальной температуре спекания составляет не менее 2 часов.
Технический результат, который выражается в уменьшении объемной неоднородности и повышении равномерности распределения ИПД в модельном топливе, достигается:
1) разделением вводимых ИПД на группы по их химическому состоянию в диоксиде урана;
2
2
2) дискретным смешиванием вначале отдельных групп ИПД с последующим перемешиванием их с порциями UO, объединением смесей и окончательным смешиванием с оставшимся количеством UO;
3) ступенчатым подъемом температуры с учетом температуры плавления вводимых ИПД и контролем прекращения газовыделения на каждом этапе термообработки.
На фиг. 1 приведена фотография, на которой изображена микроструктура характерного участка таблетки модельного ядерного топлива, полученного в соответствии с данным изобретением, до травления.
На фиг. 2 приведена фотография, на которой изображена микроструктура характерного участка таблетки модельного ядерного топлива, полученного в соответствии с данным изобретением, после травления (средний размер зерна 15 мкм).
На фиг. 3 приведена фотография, на которой изображена микроструктура участка таблетки модельного ядерного топлива, полученного по прототипу, до травления.
Пример конкретного осуществления.
Способ получения модельного топлива реализован для выгорания 80 МВт·сутки/кгU (8,5 ат.% FIMA). Состав и количество ИПД определяли на основе нейтронно-физических расчетов. Полученный таким образом состав ИПД разделяли на группы по химическому состоянию в диоксиде урана: металлические, керамические, полностью или частично растворимые в оксидной топливной матрице. В состав модельного топлива вводили представителей каждой группы в количестве, соответствующем массовому содержанию всех аналогов (по совокупности свойств) в группе.
В примере осуществления способа вводили:
- молибден (с учетом массового содержания теллура и ниобия), рутений (с учетом массового содержания родия), палладий;
- оксид неодима (с учетом массового содержания прометия, самария, иттербия, европия и тербия), оксид лантана (с учетом массового содержания празеодима), оксид церия, оксид иттрия;
- гидроксид бария (с учетом массового содержания цезия), гидроксид стронция (с учетом массового содержания рубидия), оксид циркония, оксид молибдена.
Процесс получения таблетированного модельного диоксида урана включал следующие основные технологические этапы:
1. Подготовка ИПД
2
2
3
2
3
2
3
2
3
2
2
2
2
Разделяли ИПД на 3 группы: 1 группа - металлы (Mo, Ru, Pd), 2 группа - оксиды редкоземельных металлов (СеO, LaO, NdO, YO), 3 группа - оксиды циркония (ZrO) и молибдена (МоO), гидроксиды бария (Ва(ОН)·8НO) и стронция (Sr(OH)·8HO). Взвешивали требуемое количество каждого ИПД отдельно и объединяли их по группам. ИПД каждой группы смешивали отдельно. Далее объединяли все три группы ИПД и смешивали. Взвешивали.
2. Приготовление рабочей смеси
2
2
Добавляли к ИПД диоксид урана в количестве, примерно равном весу ИПД. Смешивали растиранием в ступке. Затем добавляли удвоенное количество UO, продолжали смешивание растиранием в ступке, после чего добавляли остальное количество UO в несколько приемов и перемешивали. Загружали смесь в планетарную центробежную мельницу и перемешивали в течение 3 мин. Просеивали через сито 200 мкм.
3. Приготовление шихты
2
2
2
Взвешивали смесь порошков UO и ИПД. Отмеряли спиртоглицериновую связку в количестве 8% от массы смеси UO с ИПД. Загружали смесь порошков UO и ИПД со связкой в планетарную центробежную мельницу и перемешивали в течение 2 мин.
4. Прессование таблеток
Взвешивали навеску шихты. Засыпали навеску шихты в пресс-форму. Давление прессования определяли после первых прессовок для обеспечения геометрической плотности прессовок ~50% от теоретической.
5. Спекание таблеток
+50
+50
+50
+50
Загружали контейнер с таблетками в печь. Поднимали температуру до 300°C, делали выдержку 1 ч. Затем нагревали со скоростью 200°С/ч до температуры 800°C, делали выдержку 1 ч. Далее поднимали температуру до 1250°C со скоростью 250°C/ч, делали выдержку 1 ч. Затем поднимали температуру до 1900±50°C со скоростью 250°C/ч. При этой температуре делали выдержку в течение 2 ч. Охлаждение вели со скоростью 400°С/ч до температуры 1100°C, делали выдержку в течение 1 ч. Далее охлаждали со скоростью 400°C/ч до температуры 500°C. Дальнейшее снижение температуры проводили со скоростью 150°C/ч до температуры 40°C.
Подготовка полученных таблеток модельного топлива к исследованиям и проведение исследований их свойств осуществлялись с помощью известных методик. Так, массовую долю ИПД определяли спектральными и химическими методами, параметры микроструктуры определяли с помощью оптической микроскопии. Распределение ИПД в спеченных таблетках модельного топлива определяли с помощью микроанализатора «САМЕВАХ» по характеристическому рентгеновскому излучению соответствующего элемента. Объемную долю открытых пор и плотность определяли методом гидростатического взвешивания в воде. Кислородный коэффициент определяли полярографическим методом.
Таблетки модельного топлива, изготовленные в соответствии с заявляемым изобретением, имели следующие основные характеристики:
н
-0,05
вн
+0,2
- геометрические размеры: D=9,4 мм, d=2,3 мм, h=8±1 мм;
- плотность матрицы: >97% от теоретической плотности;
- стабилизированная общая пористость: 15±0,5%;
- кислородный коэффициент (атомное отношение кислорода к урану): 2,003.
Микрорентгеноспектральный анализ таблеток показал высокую степень равномерности распределения ИПД по объему таблетки модельного топлива (см. таблицу), что позволяет говорить о высокой степени имитации микроструктуры, химического и фазового состава ядерного топлива при глубоком выгорании.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что в таблетках модельного топлива, полученных в соответствии с данным изобретением (см. фиг. 1 и фиг. 2), равномерность распределения ИПД значительно превышает равномерность распределения в таблетках модельного топлива, изготовленных по прототипу (см. фиг. 3), и находится в соответствии с результатами послереакторных исследований [см. статью «Распределение продуктов деления в облученном виброуплотненном оксидном топливе», Атомная энергия, 2005, т. 99, вып. 5, 380-387].