СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ПОРИСТОГО ДИОКСИДА УРАНА
METHOD OF PRODUCING PELLETED POROUS URANIUM DIOXIDE

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для получения таблеток диоксида урана топливных сердечников высокотемпературных вентилируемых тепловыделяющих элементов (ТВЭЛОВ) преимущественно термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТРП) встроенного варианта.
Ресурс ТРП существенно зависит от характеристик микроструктуры топливных сердечников ТВЭЛОВ из диоксида урана, которая быстро относительно ресурса преобразователя формируется в начальный период эксплуатации ядерной энергетической установки (≤300 часов).
При использовании типичного диоксида урана в виде таблеток с равноосной структурой в топливном сердечнике ТВЭЛА ТРП формируется устойчивая микроструктура в виде радиально ориентированных столбчатых зерен с максимальной шириной (поперечным размером) 300-400 мкм. Это обстоятельство приводит к появлению локальных зон в топливном сердечнике ТВЭЛА с низкой ползучестью, что может привести к повреждению оболочки из-за распухающего топлива [Гонтарь А.С., Гриднев А.А., Ракитская Е.М. и др. «Оптимизация структуры диоксида урана применительно к ТВЭЛУ термоэмиссионного реактора-преобразователя». Атомная энергия, 2005, т. 99, вып. 4, с. 264-268].
7
Оптимальная микроструктура топливного сердечника ТВЭЛА из диоксида урана характеризуется шириной столбчатого зерна <200 мкм и формируется в топливном сердечнике ТВЭЛА при использовании таблеток диоксида урана с преимущественным размером пор 20-60 мкм при общей пористости 10-20% [Патент РФ №2260862, МПК G21C 3/58 «Способ формирования микроструктуры сердечника тепловыделяющего элемента» А.С. Гонтарь, А.А. Гриднев и др., заявл. 20.01.2004 г.].
Реализация указанного способа формирования оптимальной структуры в топливном сердечнике ТВЭЛА из диоксида урана в начальный момент эксплуатации ТРП требует разработки соответствующего экономичного и технологичного способа получения таблеток с указанными выше исходными характеристиками.
Известен способ получения таблеток ядерного топлива на основе диоксида урана, включающий приготовление шихты из исходного сырья, прессование и спекание заготовок [см. Котельников Р.Б., Башлыков С.Н., Каштанов А.И., Мельникова Т.С. «Высокотемпературное ядерное топливо», М.: Атомиздат, 1978, 432 с.].
Данный способ позволяет получать таблетки из исходного порошка диоксида урана плотностью 84-93% от теоретического значения плотности. При использовании в качестве исходного сырья гранулы или микросферы плотность таблеток достигала 95% от теоретического значения плотности. При этом преимущественный спектр пор составляли поры размером 3-5 мкм. Поэтому известный способ не отвечает требованиям по спектру пор для таблеток диоксида урана, необходимого для формирования оптимальной структуры в топливном сердечнике ТВЭЛА ТРП.
Известен также способ получения таблеток из диоксида урана для тепловыделяющих реакторов АЭС [Патент РФ №2253913, МПК G21C 3/62 «Способ получения топливных таблеток для тепловыделяющих элементов из диоксида урана (варианты) Н.З. Ляхов, Г.Р. Карагедов и др. заявл. 23.05.2003 г.].
Этот способ, включающий приготовление шихты (пресс-порошка) из диоксида урана керамического сорта, прессование и спекание таблеток при температуре ≤1900°С, является по технической сущности наиболее близким к предлагаемому и выбран в качестве прототипа. В шихту, формируемую из измельченных частиц бракованных готовых таблеток, добавляют 2-4% масс летучего порообразущего вещества.
Недостатком способа является то, что возможность формирования в таблетках диоксида урана требуемого спектра пор 20-60 мкм исключается из-за характерного для прототипа преобладающего спектра пор малого размера (3-5 мкм) и величины пористости ≤5% масс. Поры с поперечным размером 5-10 мкм не позволяют формировать микроструктуру в топливном сердечнике ТВЭЛА ТРП из-за отсутствия возможности для формирования сетки радиальных микроканалов, обеспечивающую ширину столбчатых зерен <200 мкм вследствие того, что поры размером ≤10 мкм не могут изменять свою форму при движении в поле градиента температуры. Следовательно, таблетки диоксида урана, изготовленные с помощью прототипа, не позволяют сформировать в топливном сердечнике ТВЭЛА оптимальную микроструктуру в начальный момент эксплуатации ТРП.
В обеспечение формирования оптимальной микроструктуры в топливном сердечнике ТВЭЛА в начальный период эксплуатации ТРП перед авторами стояла задача получения таблеток диоксида урана с преимущественным размером пор 20-60 мкм при уровне общей пористости 10-20%.
Диапазон гранулометрического состава порообразующего летучего вещества и его процентного содержания выбран на основе результатов исследовательской работы, показавшей, что поры размером 20-60 мкм позволяют формировать в сердечнике столбчатые зерна шириной менее 200 мкм. Таким образом, обеспечивается минимальное распухание сердечников ТВЭЛОВ в реакторе. Для предлагаемых сердечников не требуется прочной оболочки.
-5
Для решения поставленной задачи разработан экономичный одностадийный технологичный способ получения таблетированного пористого диоксида урана топливных сердечников высокотемпературных вентилируемых тепловыделяющих элементов термоэмиссионных реакторов-преобразователей встроенного варианта, включающий приготовление шихты из исходного порошка диоксида урана с добавлением связки и летучего порообразующего вещества, прессование и спекание таблеток, причем летучее порообразующее вещество добавляют в виде смеси гранул с фракционным размером в диапазоне от 20 до 60 мкм в количестве 10-20% от массы порошка диоксида урана, а спекание таблеток осуществляют в высокотемпературной вакуумной печи при температуре спекания 1900±20°С, при давлении остаточной среды 5⋅10 мм.рт.ст. в течение четырех часов.
Предпочтительно, в качестве летучего порообразующего вещества используют парафин или стеарат цинка.
Как следует из изложенного выше, сущность изобретения заключается в том, что добавление летучего порообразующего вещества в виде смеси гранул с фракционным размером в диапазоне от 20 до 60 мкм в количестве 10-20% от массы порошка диоксида урана позволяет в одну стадию получить таблетки диоксида урана с преимущественным размером пор 20-60 мкм за счет испарения летучего порообразующего вещества и его удаления на стадии спекания прессованных таблеток диоксида урана. Формирование равномерно распределенного по объему пор от 20 до 60 мкм в таблетках диоксида урана повышает однородность формирующихся в поле градиента температуры столбчатых зерен в топливном сердечнике ТВЭЛА. Фракционный размер летучего порообразующего вещества и его процентное содержание определены по результатам проведенных авторами тестовых экспериментов с различным гранулометрическим составом летучего порообразующего вещества и его процентным содержанием в шихте с учетом объемной усадки таблетки при спекании.
На фиг. 1 приведена фотография типичной микроструктуры готовых таблеток диоксида урана.
На фиг. 2 приведена фотография типичной микроструктуры таблеток диоксида урана после испытаний в поле градиента температуры применительно к температурным условиям работы высокотемпературного ТВЭЛА ТРП.
Пример конкретного осуществления. Пример 1
Из парафина, как летучего порообразующего вещества, формировали гранулы с фракционным размером в диапазоне от 20 до 60 мкм. Для приготовления шихты, к исходному порошку диоксида урана последовательно добавляли смесь гранул парафина с фракционным размером в диапазоне от 20 до 60 мкм в количестве 19% от массы порошка диоксида урана и связку. Далее перемешивали до однородного состава шихты. В качестве связки использовали смесь этанола с глицерином в соотношении объемов 3:1 в количестве 4% от массы порошка диоксида урана.
-5
-3
Таблетки прессовали, а после осуществляли спекание таблеток в высокотемпературной вакуумной печи при известной температуре спекания 1900±20°С при давлении остаточной среды 5⋅10 мм.рт.ст. (6,76⋅10 Па) в течение четырех часов. Затем охлаждали печь.
На фиг. 3 представлена фотография микроструктуры готовых таблеток с размером пор от 20 до 60 мкм,
Пример 2
Из стеарата цинка формировали гранулы с фракционным размером в диапазоне от 20 до 60 мкм. Для приготовления шихты, к исходному порошку диоксида урана последовательно добавляли смесь гранул стеарата цинка с фракционным размером в диапазоне от 20 до 60 мкм в количестве 11% от массы порошка диоксида урана и связку. Далее перемешивали до однородного состава шихты. В качестве связки использовали смесь этанола с глицерином в соотношении 3:1 в количестве 5% от массы порошка диоксида урана.
-5
-3
Таблетки прессовали, а после осуществляли спекание таблеток в высокотемпературной вакуумной печи при температуре спекания 1900±20°С при давлении остаточной среды 5⋅10 мм.рт.ст. (6,76⋅10 Па) в течение четырех часов. Затем охлаждали печь.
Таблетки, изготовленные в соответствии с заявленным изобретением, имели следующие характеристики:
- геометрические характеристики: наружный диаметр 17,1 мм; внутренний диаметр 8,0 мм; высота 8,4 мм;
- плотность матрицы: 80-90% от теоретической плотности;
- общая пористость: 10-20%;
- размер пор: 20-60 мкм.
Следовательно, проведенные исследования показывают, что в таблетках диоксида урана, изготовленных в соответствии с данным изобретением, обеспечивается формирование микроструктуры с размером пор 20-60 мкм при общей пористости 10-20%. Полученная микроструктура обеспечивает формирование оптимальной микроструктуры в топливном сердечнике ТВЭЛА в начальный период эксплуатации термоэмиссионных реакторов-преобразователей. Вследствие этого, достигается минимальное распухание сердечников ТВЭЛОВ в реакторе, минимизируется нагрузка на оболочку, что позволяет использовать менее прочные и более дешевые оболочки. Разработанный способ получения таблетированного диоксида урана значительно сокращает время получения таблетированного диоксида урана относительно способа получения типичного таблетированного диоксида урана с равноосной структурой, т.к. является одностадийным, следовательно, более экономичным.