СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО УРАН-ПЛУТОНИЕВОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
METHOD OF PRODUCING PELLETIZED URANIUM-PLUTONIUM FUEL FOR FUEL ELEMENTS OF NUCLEAR REACTORS

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к технологии изготовления смешанного оксидного (МОКС-топлива, РЕМИКС-топлива) или нитридного уран-плутониевого ядерного топлива (СНУП-топливо) для реакторов на быстрых или тепловых нейтронах.
238,240,241,242,244
При изготовлении МОКС-, СНУП- или РЕМИКС-топлива, содержащего значительные количества высокотоксичного ядерно опасного плутония (особенно энергетического «высокофонового» плутония, имеющего в своем составе значительные концентрации изотопов Pu), необходимо:
- исключить (или минимизировать) ручные операции и прямой контакт персонала с плутонийсодержащими материалами за счет обеспечения дистанционного обслуживания и управления технологическим оборудованием;
- обеспечить легкость и простоту ремонта и замены вышедшего из строя и изношенного оборудования, загрязненного плутонием.
Для обеспечения требуемого качества ядерного топлива (МОКС-, РЕМИКС- или СНУП-топлива) и стабильных производственных показателей необходимо исключить контакт порошков ядерных материалов (оксидов и нитридов урана и плутония) с кислородом и парами воды, т.к. порошки при взаимодействии с кислородом могут окисляться и воспламеняться (в случае нитридных порошков), а влажные порошки плохо прессуются за счет потери текучести.
В случае изготовления смешанного оксидного уран-плутониевого топлива (МОКС-, РЕМИКС-топлива) окисление порошков диоксида урана приводит к образованию закиси-окиси и других высших оксидов урана и, как следствие, к получению низкой плотности спеченных топливных таблеток (в отличие от таблеток из диоксида урана, не содержащих диоксид плутония). При изготовлении смешанного нитридного уран-плутониевого СНУП-топлива окисление нитридов может происходить со взрывом, а окисленные продукты не позволят получить требуемую плотность и прочность спеченной таблетки. Поэтому технологический процесс должен гарантировать отсутствие контакта топливных порошков с кислородом и парами воды на всех стадиях получения таблеток смешанного уран-плутониевого топлива (МОКС-, РЕМИКС-, СНУП-топлива).
МОКС- и СНУП-топливо для реакторов на быстрых нейтронах имеет несколько основных составов: низкого, среднего и высокого обогащения по плутонию. При этом точность поддержания требуемого состава (в частности, (условной) массовой доли плутония) очень высока. Поэтому не допускаются «закладки» ядерных материалов в оборудовании, при переходе от одного состава к другому необходимо тщательно удалять из оборудования остатки ядерных материалов от предыдущих партий. При работе с плутоний-содержащими материалами это крайне опасно и сложно сделать.
Исходные порошки диоксида плутония, как правило, неоднородны по физическо-химическим свойствам (остаточному влагосодержанию, размерам частиц, плотности, содержанию углерода и других примесей). Если не проводить механическое усреднение таких порошков перед использованием, то вероятно снижение выхода в годное готовой продукции (таблеток смешанного уран-плутониевого топлива (МОКС-, РЕМИКС-, СНУП-топлива) за счет их несоответствия по следующим показателям: геометрическим размерам, плотности, структурной и фазовой однородности, величине зерна, содержанию углерода и других лимитируемых примесей.
В связи с использованием материалов с высоким содержанием (до 30%) плутония аппарат для смешения порошков и получения гранулята уран-плутониевого топлива (МОКС-, РЕМИКС-, СНУП-топлива) должен иметь ядерно безопасную конструкцию. Принципиально, оборудование для смешения порошков и получения гранулята для последующего получения пресс-порошка для таблеток МОКС- и СНУП-топлива может быть идентичным.
Известен способ изготовления таблеток МОКС-топлива [патент RU 2262756 С2 от 29.09.2003], согласно которому исходный порошок диоксида плутония без усреднения, диоксид урана и магнитные иглы загружают в камеру вихревого смешения - в немагнитный стакан из титана вместе с магнитными иглами. Так как рабочая зона имеет небольшую протяженность, то стакану придают возвратно-поступательное движение, амплитуду которого подбирают так, чтобы весь объем стакана проходил через рабочую зону. Гомогенную смесь порошков получают за счет интенсивного перемешивания при хаотичном вращении магнитных игл в переменном электромагнитном поле, которые, увлекая с собой частицы порошка диоксидов, одновременно не только перемешивают порошки, но и измельчают их, уплотняют и активируют поверхность частиц порошка. Длительность операции вихревого смешения обычно не превышает 1 часа.
Однако практическое использование этого способа для изготовления в промышленном масштабе уран-плутониевого ядерного топлива выявило следующие недостатки. Измельченные в вихревом смесители порошки имеют слишком малые размеры частиц, часто недостаточную текучесть и требуют проведения дополнительной операции гранулирования порошка - уплотнения порошка методом экструзии или в «шашку», т.е. проведения дополнительной технологической операции, которую сложно выполнить дистанционно, без применения ручного труда. В стакане смесителя после выгрузки измельченного порошка остается значительная «закладка» от 10 до 35%, которую не удается выгрузить полностью без зачистки стакана вручную. Установлено, что при использовании вихревого размола не удается получить воспроизводимые результаты размола, что, в конечном счете, снижает качество и выход в годное продукции. Оборудование участка изготовления гранулята на основе вихревого размола и грануляции сложно в обслуживании, ремонте и требует выполнения ручных операций, что оказывает повышенное радиационное воздействие на персонал, что неприемлемо для работы с плутонийсодержащими материалами, т.к. ухудшается радиационная безопасность. Из-за сложной конструкции промышленных установок вихревого размола и грануляции, многостадийности технологических операций, а также сложности в обеспечении и поддержании сухой бескислородной внутрикамерной атмосферы при проведении штатных дезактивационных работ с использованием водных растворов в примыкающих к камере помещениях, зачастую происходит попадание влажного воздуха в камеру размола и грануляции, в результате чего снижается качество гранулята, и как следствие, ухудшается качество получаемых топливных таблеток.
2
Известен способ получения таблеток МОКС-топлива, включающий операцию измельчения порошков, подготовки пресс-порошка, прессования и спекания таблеток, в котором измельчение и смешение порошков осуществляют в планетарных шаровых мельницах [Мохова В.А. Промышленное производство и опыт эксплуатации (U, Pu)O-топлива в реакторах LWRM. ЦНИИАтоминформ. - 1991, выпуск 20, с. 26, 27]. Для обеспечения требуемой гомогенности смеси порошков приходится проводить обработку смеси в шаровой мельнице в течение длительного времени 4-20 часов. В результате использования этого способа не удается добиться структурной, фазовой однородности и равномерного (взаимного) распределения компонентов в спеченных таблетках. Вследствие длительной обработки порошков в мельнице происходит износ мелющих тел (шаров) и стенок мельницы, в результате пресс-порошок загрязняется продуктами этого износа (железом, хромом, никелем и др.).
2
2
3
3
3
8
2
3
Наиболее близким способом получения гомогенного ядерного топлива является способ получения ядерного топлива из диоксида урана и выгорающего поглотителя (оксида гадолиния, оксида эрбия) [Иванов А.В., Дерр В. Освоение на ОАО «МСЗ» производства уран-гадолиниевого топлива по спецификациям «Framatome ANP». Ежегодный журнал «МСЗ», №2, г. Электросталь, Моск. обл., 2003 г], выбранный в качестве прототипа, в котором приготавливают сухую смесь порошков UO, GdO, Al(ОН) и таблетки (U, Gd)O, прошедшие стадию высокотемпературного окисления и измельчения, затем смесь механически смешивают в планетарном смесителе, измельчают и гранулируют в течение 0,5-1 часа в шаровой вибромельнице объемом 150 л, затем рассеивают, смешивают гранулят со стеаратом цинка и порообразователем, прессуют, спекают во влажной (до 12000 ppm паров воды) атмосфере и затем таблетки (U, Gd)O шлифуют. На стадии обработки порошков в вибромельнице при интенсивном радиально-осевом вибрационном воздействии на мелющие тела (шары) происходит размол и смешение ядерного порошка диоксида урана и порошка выгорающего поглотителя, а также за счет специально подобранного режима осевой и радиальной вибрации, при котором шары испытывают вращающее поступательное движение вдоль тора вибромельницы происходит грануляция измельченных и смешанных порошков, в результате чего получается крупнозернистый хорошо текучий порошок. Причем изменением продолжительности обработки порошков в вибромельнице можно получать требуемую насыпную плотность гранулята от 3,0 до 4,3 г/см, что позволяет изменять конечную плотность прессованных и спеченных таблеток. Из-за непродолжительной операции измельчения и гранулирования порошков в вибромельнице (не более 1,5 часа) не происходит значимого износа мелющих тел и стенок вибромельницы, а следовательно, и возможного ухудшения качества топливных таблеток. Таким образом, в отличие от вихревого размола порошков не требуется применять дополнительные операции грануляции.
2
Недостатком данного способа в случае изготовления таблеток уран-плутониевого топлива (МОКС-, РЕМИКС-, СНУП-топлива) является то, что основные операции по измельчению, смешению, гранулированию и рассеву гранулированного порошка, а также обслуживание оборудования включают применение ручных операций при минимальном объеме автоматизации и дистанционного обслуживания. Все основные операции с исходными материалами и порошкообразными ядерными материалами происходят при воздушной или влажной атмосфере, что недопустимо для производства уран-плутониевого топлива (МОКС-, РЕМИКС-, СНУП-топлива). Также применяемое для изготовления (U, Gd)O-топлива оборудование неремонтопригодно для дистанционного обслуживания в условиях радиационно-защитных камер и боксов.
Задачей изобретения является разработка способа изготовления таблетированного уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, отвечающего современным требованиям по гомогенности распределения плутония, однородной микроструктуре, размеру зерна, геометрическим размерам, примесному составу качества спеченных таблеток МОКС-, РЕМИКС-, СНУП-топлива, воспроизводимости требуемых показателей, получаемых из исходных порошков ядерных материалов от одной партии. Также способ должен быть реализован с учетом требований ядерной, радиационной безопасности на дистанционно-обслуживаемом ремонтопригодном (в условиях эксплуатации в радиационно-защитных камерах и боксах) оборудовании при отсутствии ручных операций.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления таблетированного уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, включающем стадии подготовки пресс-порошка, его гранулирования, прессования, спекания полученных таблеток, шлифования таблеток (при необходимости, в случае наличия требования в конструкторской документации), на стадии подготовки пресс-порошка исходные порошки урана и плутония в заданном соотношении усредняют по изотопному, химическому и гранулометрическому составу в механическом смесителе, далее смесь загружают в дистанционно обслуживаемую вибромельницу ядерно-безопасной конструкции, герметично закрывают загрузочный клапан и проводят обработку порошков, заключающуюся в одновременном измельчении, смешивании, гранулировании, при заданных значениях осевого и радиального виброускорения и амплитуды, после окончания обработки гранулят выгружают из вибромельницы в контейнер и далее передают на последующие операции изготовления таблеток уран-плутониевого топлива.
Дистанционное обслуживание вибромельницы (в условиях радиационно-защитных камер) включает выполнение операций по загрузке и выгрузке мелющих тел, ядерных материалов, замене изношенных узлов. Дистанционное обслуживание вибромельницы выполняется копирующим манипулятором, а также внутрикамерным краном.
В частном случае, для изготовления таблетированного МОКС-топлива и РЕМИКС-топлива, в качестве исходных порошков урана и плутония используют либо диоксид плутония и диоксид урана, либо диоксид плутония, диоксид урана и скрап, представляющий собой измельченные таблетки МОКС-топлива или РЕМИКС-топлива. Для изготовления таблетированного СНУП-топлива в качестве исходных порошков урана и плутония используют смесь диоксидов плутония и урана, предназначенную для последующего получения нитридов урана и плутония.
Для усреднения исходных порошков по изотопному, химическому и гранулометрическому составу в качестве механического смесителя может быть использован смеситель типа «пьяная бочка», в частности, смеситель типа TURBULA Т10 В. Время усреднения порошков в смесителе составляет не более 0,5 часа.
2
В качестве вибромельницы для обработки порошков (для одновременного измельчения, смешивания, гранулирования) используют шаровую вибромельницу типа МВ-0,01. При обработке порошков в вибромельнице значения осевого и радиального виброускорения составляют до 14 м/с. Продолжительность обработки составляет не более 1,5 часа. Гранулят после обработки выгружают из вибромельницы при включенной вибрации и открытом разгрузочном клапане. Операции с порошкообразными материалами проводят в среде осушенного инертного газа.
Технический результат изобретения обеспечивает получение требуемого качества топливных таблеток (плотности, геометрии, химической и структурной однородности) при минимизации радиационного воздействия на персонал за счет обеспечения радиационной и ядерной безопасности, дистанционного обслуживания оборудования и дистанционного управления технологическим процессом. Технический результат изобретения позволяет совместить операции измельчения, смешивания и гранулирования исходных порошков с реализацией указанных переделов в одном технологическом оборудовании (в вибромельнице), что упрощает технологическую схему и снижает риски нарушения технологического процесса при изготовлении уран-плутониевого топлива, а также исключает образование «закладок», т.е. не выдаваемых остатков ядерных материалов после завершения операции приготовления гранулята для последующего прессования топливных таблеток.
Обработку исходных компонентов (порошков урана и плутония), являющуюся отличительным признаком заявленного способа, реализуют в следующей последовательности. Ядерный материал от одной партии в соответствии с требованиями ядерной безопасности, расфасованный в контейнеры объемом не более 5 л, сначала в осушенной инертной газовой атмосфере усредняется содержимое каждого контейнера, затем усредняются все контейнеры между собой, от них отбираются пробы для определения качества усреднения, при получении удовлетворительных результатов контейнеры с усредненным порошком, заполненные осушенным инертным газом направляются на хранение до использования. Контейнеры с исходным диоксидом урана и нитридом урана, а также контейнеры со скрапом (измельченными таблетками МОКС- или СНУП-топлива) заполняются осушенным инертным газом и хранятся до использования. Перед загрузкой в вибромельницу порошки в заданном соотношении загружают в контейнер смесителя общей массой загрузки не более 3 кг и перемешивается смесь в смесителе типа «пьяная бочка» в течение не более 0,5 часа. Затем смесь загружают в вибромельницу, герметично закрывают загрузочный клапан и проводят обработку порошков в вибромельнице при заданных значениях осевого и радиального виброускорения и амплитуде. Продолжительность операции размола и грануляции не более 1,5 часа. После окончания обработки при включенной вибрации при открытом разгрузочном клапане гранулят выгружают последовательно на магнитный ловитель и вибросито, вмонтированные в транспортный трубопровод. Пройдя через ловитель и вибросито, гранулят поступает в контейнер приготовления пресс-порошка. На ловителе собираются ферромагнитные частицы, которые могут образовываться при разрушении мелющих тел, а на вибросите отсеиваются частицы порошка менее 100 мкм, более крупные частицы возвращаются на следующую операцию в вибромельницу или на операцию переработки отходов. Все операции передачи гранулята выполняют путем вертикального пересыпания гранулята при вибрационного встряхивания трубопровода выдачи гранулята из вибромельницы в контейнер приема гранулята в камере изготовления пресс-порошка без применения дополнительных транспортеров и ручных операций, что исключает образование «закладок», т.е. не выдаваемых остатков ядерных материалов после завершения операции приготовления гранулята.
Пример 1.
Изготовление таблетированного уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов проводили следующим образом.
Готовили навеску (2 кг) смеси диоксидов урана (ДУ) марки РАЗ (52000-34 ТУ) и диоксида плутония (ДП), соответствующего техническим условиям 2Б.11993 ТУ (ФГУП «ГХК»). Навеску предварительно усредняли в смесителе TURBULA Т10В в течение 30 минут.
Операции измельчения, смешивания, гранулирования смеси порошков ДУ и ДП после усреднения проводили путем обработки в шаровой вибромельнице МВ-0,01 при следующих технологических параметрах:
- скорость вращения шаровой группы - 1750 об/мин;
- время работы шаровой мельницы - 60 мин;
- время выгрузки - 5 мин;
- масса загруженных шаров (∅20 мм, сталь 95X18) - 38,006 кг;
- радиальное виброускорение - не менее 4,5 G;
- вертикальное виброускорение - не менее 11,5 G.
3
3
После окончания обработки полученный гранулят выгружали из вибромельницы в контейнер, смешивали с сухой смазкой (стеарат цинка) и далее передавали на операцию прессования таблеток. Насыпная плотность порошка составляла 3,2 г/см, высота спрессованных таблеток составляла 10,63-10,78 мм, плотность («сырых») таблеток - 6,10-6,11 г/см.
Полученные топливные таблетки помещали в печь и проводили процесс спекания при выдержке в течение 4 часов при температуре 1750°С в восстановительной среде (аргоно-водородная смесь с содержанием водорода 7-8%). После остывания печи выгружали полученные таблетки.
Далее спеченные таблетки направляли на операцию шлифования. Для шлифования использовали автомат специальный кругло шлифовальный бесцентровой ВШ-826М. Диаметр топливных таблеток после шлифования составлял 7,587-7,590 мм.
Результаты химического анализа таблеток, изготовленных с использованием шаровой вибромельницы для смешивания исходных навесок ДУ и ДП, представлены в таблице 1.
Результаты измерения плотности спеченных таблеток уран-плутониевого топлива представлены в таблице 2.
Результаты измерения параметров микроструктуры полученных таблеток уран-плутониевого топлива, представлены в таблице 3.
Максимальный линейный размер участка с повышенным содержанием плутония (отличающимся от номинального значения не более чем в два раза) по результатам анализа изготовленных таблеток составил менее 40 мкм. Данные дополнительно представлены на фиг. 1.
Результаты анализа доспекаемости (термической стабильности по диаметру) полученных таблеток после шлифования: для индивидуальных значений - менее 0,1%, для группового показателя (среднего значения по партии) - менее 0,1%.
Пример 2.
Изготовление таблетированного уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов проводили аналогично примеру 1 за исключением массы исходной навески порошков ДУ и ДП, которая составила 3 кг.
3
Насыпная плотность порошка после обработки смеси ДУ и ДП в шаровой вибромельнице МВ-0,01 составляла 2,8 г/см, высота спрессованных таблеток составляла 10,38-10,41 мм, плотность («сырых») таблеток - 6,14-6,15 г/см.
Результаты химического анализа полученных таблеток представлены в таблице 4.
Результаты измерения плотности полученных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива представлены в таблице 5.
Результаты измерения параметров микроструктуры полученных таблеток:
- средний эффективный диаметр зерна (групповой показатель среднего значения по партии) - 10,1 мкм;
- максимальный диаметр Фере отдельных пор на поле шлифа - более 100 мкм;
- количественная доля пор от 1 до 10 мкм - более 99%.
Максимальный линейный размер участка с повышенным содержанием плутония (отличающимся от номинального значения не более чем в два раза) по результатам анализа изготовленных таблеток составил менее 40 мкм.
Результаты анализа доспекаемости (термической стабильности по диаметру) полученных таблеток после шлифования: для индивидуальных значений - 0,10-0,13%, для группового показателя (среднего значения по партии) - менее 0,1%.
Пример 3.
Изготовление таблетированного уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов проводили следующим образом.
Готовили навеску (3 кг) смеси ДУ (52000-35 ТУ) и ДП, соответствующего техническим условиям 2Б. 11993 ТУ (ФГУП «ГХК»). Навеску предварительно усредняли в смесителе TURBULA Т10В в течение 30 минут.
Операции измельчения, смешивания, гранулирования смеси порошков ДУ и ДП после усреднения проводили путем обработки в шаровой вибромельнице МВ-0,01 при следующих технологических параметрах:
- скорость вращения шаровой группы - 1750 об/мин;
- время работы шаровой вибромельницы - 60 мин;
- время выгрузки - 5 мин;
- масса загруженных шаров (020 мм, сталь 95X18) - 38,006 кг;
- радиальное виброускорение - не менее 4,5 G;
- вертикальное виброускорение - не менее 11,5 G.
После окончания обработки полученный гранулят выгружали из вибромельницы в контейнер, смешивали с сухой смазкой (стеарат цинка) и далее передавали на операцию прессования таблеток. Насыпная плотность порошка составляла 3,71 г/см, плотность («сырых») таблеток - 6,26-6,46 г/см.
Полученные топливные таблетки помещали в печь и проводили процесс спекания при выдержке в течение 6 часов при температуре 1750°С в восстановительной среде (аргоно-водородная смесь с содержанием водорода 7-8%). После остывания печи выгружали таблетки.
Результаты химического анализа полученных таблеток:
- массовая доля суммы урана и плутония - 88,11%;
- массовая доля плутония в смеси изотопов урана и плутония - 17,24%.
Результаты измерения плотности полученных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива представлены в таблице 6.
Значения среднего условного размера зерна спеченных таблеток составили 5,3 мкм, 6,0 мкм, 5,9 мкм.
Максимальный линейный размер участка с повышенным содержанием плутония (отличающимся от номинального значения не более чем в два раза) по результатам анализа изготовленных таблеток составил менее 40 мкм.