СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ТОПЛИВНЫХ ТАБЛЕТОК ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
MANUFACTURING METHOD OF CERAMIC FUEL PELLETS FOR FUEL ELEMENTS OF NUCLEAR REACTOR

Предлагаемое изобретение относится к атомной промышленности и может найти использование на предприятиях по изготовлению керамических топливных таблеток из диоксида урана для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.
2
3
8
Известен способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку пресс-порошка диоксида урана (UO), обогащенного ураном 235, постадийное смешение с сухим связующим и с порошком закиси-окиси урана UO, прессование таблеток в матрице, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, при этом в качестве сухого связующего используется не содержащий металла пластификатор в количестве 0,1%-0,5% от массы оксидов урана (см. патент РФ №2360308, МПК G21C 3/62 БИ №18, 2009).
Известен также способ изготовления таблетированного ядерного топлива (см. патент РФ №2255386, МПК G21C 3/62), принятый в качестве прототипа, заключающийся в подготовке пресс-порошка, прессовании таблеток, спекании таблеток в восстановительной среде путем их движения по противотоку движения восстановительной среды. Согласно указанному изобретению в пресс-порошок вводят оксиды алюминия и кремния, которые при спекании таблеток образуют алюмосиликат, способствующий укрупнению зерна диоксида урана и увеличению твердости, компенсируемой пластичностью.
Однако, как известно, качество топливных таблеток из диоксида урана характеризуется их микроструктурой, в том числе размером и формой зерна. Эти показатели существенно влияют на работоспособность таблеток оксидов урана и, следовательно, тепловыделяющих элементов (твэлов). В частности, от микроструктуры зависит, какое количество газовых продуктов удерживается в топливе, характер взаимодействия топлива с оболочкой. Поэтому для снижения газовыделения стремятся получать таблетки с крупным зерном. С другой стороны, для снижения взаимодействия топлива с оболочкой необходимо более мелкое зерно.
Вышеуказанные способы не позволяют получать таблетки с регулируемым размером зерна на ее периферии и центральной области, а также нет возможности радиального регулирования содержания делящегося изотопа, что не позволяет повысить степень выгорания до 80-100 ГВт·сут/т U.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на получение комбинированной керамической топливной таблетки для тепловыделяющих элементов ядерного реактора с регулируемыми размером зерна и радиальным распределением делящегося изотопа, что позволит повысить степень выгорания.
2
2
2
1
2
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления керамических топливных таблеток для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающем подготовку пресс-порошка диоксида урана UO в смеси со связующим, прессование таблеток и их спекание в восстановительной среде, прессование таблеток, согласно изобретению, проводят в две стадии, при этом первоначально проводят прессование заготовки внутреннего сердечника таблетки с осевым отверстием из пресс-порошка высокообогащенного диоксида урана UO, содержащего легирующие добавки, используя пресс-форму меньшего диаметра, затем полученную заготовку помещают в пресс-форму большего диаметра, после чего зазор, образовавшийся между заготовкой и внутренней стенкой пресс-формы, заполняют пресс-порошком из низкообогщенного диоксида урана UO для создания внешнего слоя таблетки и проводят вторую стадию прессования, при этом давление прессования P на первой стадии не превышает половины P - давления прессования на второй стадии, после чего проводят их спекание в восстановительной среде.
Согласно п.2 формулы изобретения внутренний сердечник в качестве легирующих добавок может содержать оксиды Al, Si, Cr, Nb или Ti.
2
2
1
2
Кроме того, согласно п.3 формулы изобретения пресс-порошок низкообогащенного диоксида урана UO предлагается получать путем водной технологии, включающей приготовление раствора уранилнитрата, двухстадийное осаждение осадка полиураната аммония аммиаком, прокаливание осадка, восстановление закиси-окиси до диоксида урана UO, при этом осаждение полиураната аммония на первой стадии проводится при pH 6,5-6,6, а на второй стадии - при pH 9,0-9,5.
2
Согласно п.4 формулы изобретения размер гранул низкообогащенного порошка диоксида урана UO должен составлять менее 100 мкм.
1
2
Такая технология получения керамических топливных таблеток позволяет получать надежное сцепление внешнего слоя таблетки с ее внутренним сердечником. Для получения заданной плотности спеченных таблеток в пределах 95-96% от теоретической плотности необходимо обеспечить плотность прессовки от 48 до 52% от теоретической плотности. Это достигается двухстадийным прессованием, причем давление прессования внутреннего сердечника на первой стадии P не превышает 1/2 давления прессования сердечника в целом Р.
Ниже приведены примеры реализации предлагаемого способа изготовления керамических топливных таблеток.
2
2
4
1
2
1
2
1
2
2
2
2
2
1
2
2
235
235
2
2
2
3
Пример 1. Для получения внутреннего сердечника керамической топливной таблетки приготовили два раствора уранилнитрата: 1-й раствор - с использованием промышленного порошка диоксида урана UO 10%-ного обогащения по U, 2-й раствор - с использованием промышленного порошка диоксида урана UO, обедненного по U. Осаждение полиураната аммония (ПУА) проводили в два этапа методом одновременного сливания в буфер двух растворов: раствора уранилнитрата и 22-25%-ного раствора NHOH. Осаждение ПУА из 1-го раствора на первом этапе проводили при pH 6,8-7,0 и на втором этапе при рН 8,0-8,2. Осаждение ПУА из 2-го раствора на первом этапе проводили при pH 6,5-6,6 и на втором этапе рН 9,0-9,5. Значение pH и pH являются оптимальными. Полученные осадки прокаливали до закиси-окиси при температуре 650°С. Затем проводили восстановление закиси-окиси до UO водородом при 700°С. Порошки диоксида урана UO смешивали с пластификатором (раствором поливинилового спирта в глицерине). Для получения пресс-порошка прессовали брикеты (шашки) при давлении 1,3-1,5 т/см. Брикеты дробили и протирали через сита: пресс-порошок диоксида урана UO 10%-ного обогащения - через сито с размером ячеек 400 мкм, а пресс-порошок низкообогащенного диоксида урана UO - через сито с размером ячеек 100 мкм. С использованием пресс-формы внешним диаметром 8,5 мм и внутренним диаметром 2,4 мм из порошка 10%-ного обогащения предварительно спрессовали заготовки внутреннего сердечника керамической топливной таблетки при давлении P в пределах 1,2-1,3 т/см. Затем спрессованную заготовку внутреннего сердечника керамической топливной таблетки переносили во вторую пресс-форму, имеющую внешний диаметр 10 мм. Свободное пространство между заготовкой и внутренней стенкой пресс-формы заполняли гранулятом обедненного диоксида урана UO и произвели вторую стадию прессования при давлении P, равном 2,5 т/см. Спекание таблеток проводили при температуре 1750°С в атмосфере водорода в течение 3 часов. Характеристики спеченных керамических топливных таблеток приведены в таблице 1, из которой видно, что среднее значение плотности спеченных таблеток составило 10,73±0.02 г/см,что удовлетворяет требованиям технических условий на керамические топливные таблетки.
2
2
На фиг.1 представлена микроструктура (до травления) таблетки UO 10%-ного обогащения с внешним слоем из UO обедненного. Граница перехода от внутреннего сердечника керамической топливной таблетки к внешнему слою отсутствует, что свидетельствует о хорошем сцеплении внешнего слоя с внутреннем сердечником. Граница проявляется на шлифе этой же таблетки после травления, микроструктура которой представлена на фиг.2.
2
4
1
2
3
8
2
2
2
2
1
2
1
235
2
2
3
Пример 2. Для получения внутреннего сердечника керамической топливной таблетки использовали промышленный порошок диоксида урана UO 2%-ного обогащения по U, изготовленного способом сухой конверсии - порошок №1. В порошок №1 были добавлены оксиды Al, Si и Cr в количестве менее 0.4 мас.%. Для изготовления внешнего слоя керамической топливной таблетки использовали обедненный уран, из которого был приготовлен водный раствор уранилнитрата. Осаждение полиураната аммония (ПУА) проводили в две стадии методом одновременного сливания в буфер двух растворов: раствора уранилнитрата и 22-25%-ного раствора NHOH при значениях на первом этапе pH 6,5-6,6, а на втором этапе рН 9,0-9,5. Полученный осадок прокалили до закиси-окиси UO при температуре 650°С, затем восстановили до UO водородом при 700°С, получили порошок №2. Каждый порошок диоксида урана UO (№1 и №2) смешали с пластификатором (раствором поливинилового спирта в глицерине). Для получения пресс-порошка вначале прессовали брикеты (шашки) при давлении 1,3-1,5 т/см. Брикеты дробили и протирали через сита: диоксид урана UO №1 - через сито с размером ячеек 400 мкм, а потом диоксид урана UO №2 - через сито с размером ячеек 100 мкм. Используя пресс-форму с внешним диаметром 8,5 мм и внутренним диаметром 2,4 мм предварительно спрессовали из порошка №1 заготовку внутреннего сердечника керамической топливной таблетки при давлении P в интервале 1,2-1,3 т/см. Затем полученную заготовку перенесли во вторую пресс-форму, имеющую внешний диаметр 10 мм. Свободное пространство между заготовкой и внутренней стенкой пресс-формы заполнили гранулятом обедненного диоксида урана UO (порошок №2) и произвели второе прессование при давлении P, равном 2,5 т/см. Спекание таблеток проводили при температуре 1750°С в восстановительной атмосфере водорода в течение 3 часов. Характеристики спеченных таблеток приведены в таблице 2, из которой следует, что среднее значение плотности составляет 10,63±0.02 г/см, что удовлетворяет требованиям технических условий на керамические топливные таблетки.
2
2,
235
235
На фиг.3 представлена микроструктура керамической топливной таблетки UO, 2%-ного обогащения по U с внешним слоем из UO обедненного по U. Граница перехода от внутреннего сердечника керамической топливной таблетки к внешнему слою свидетельствует о более качественном сцеплении внешнего слоя с внутренним сердечником.
Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с ранее известными позволяет получать комбинированные керамические топливные таблетки для тепловыделяющих элементов ядерного реактора с регулируемыми размером зерна и радиальным распределением делящегося изотопа, что позволит повысить степень выгорания.
Таблица 1.
№ таблетки.
Диаметр внешний, мм
Диаметр внутренний, мм
Высота, мм
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Усадка, %
геометрическая
гидростатическая
1
7,91
1,9
6,89
10,28
10,71
20,90
2
7,93
1,9
6,89
10,36
10,75
20,70
3
7,99
1,9
6,98
10,35
10,74
20,10
4
7,93
1,9
6,99
10,31
10,73
20,70
Таблица 2.
№ таблетки
Диаметр внешний, мм
Диаметр внутренний, мм
Высота, мм
Гидростатическая плотность, г/см<sup>3</sup>
1
8,0
1,9
6,92
10,65
2
8,06
1,9
6,95
10,60
3
8,04
1,9
6,93
10,63