СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФИТОВОГО ПОКРЫТИЯ НА СФЕРИЧЕСКИХ МИКРОТВЭЛАХ
METHOD FOR PRODUCING GRAPHITE COATING ON SPHERICAL MICRO-REPELS

Изобретение относится к технологии изготовления топлива для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (далее - ВТГР) и касается способа нанесения порошковых углеграфитовых покрытий на сферические топливные частицы - микротвэлы (далее - МТ).
Одним из эффективных решений для снижения вероятности повреждения защитных покрытий МТ при прессовании стержневых уранграфитовых твэлов для ВТГР является формирование на МТ технологического верхнего слоя из порошка графита - графитового покрытия, так называемого «сверхпокрытия» («overcoating»). Такое графитовое покрытие на МТ исключает контакты топливных частиц друг с другом и стенками пресс-инструмента при формовании изделий, и, соответственно, снижает вероятность разрушения МТ.
Для формирования графитового покрытия на сферических МТ наиболее широкое применение нашел центробежный метод накатки.
Так известен способ и устройство для формирования «сверхпокрытия» на МТ центробежным методом (US 4857359, МПК G21C 3/62). Установка для нанесения слоя покрытия центробежным методом включает шприцевой насос, ультразвуковой распылитель и вращающийся барабан. Способ нанесения с использованием центробежного метода заключается в том, что покрываемые частицы (МТ) и порошок матричного графита со связующим в заданных пропорциях предварительно смешивают, засыпают в барабан, орошают смесь растворителем связующего (этанол, метанол и т.п.) и при выбранной скорости вращения смесь из МТ и порошка графита прижимается к стенкам барабана образуя покрытие на МТ. Недостатком этого способа является низкая прочность образующегося покрытия и то, что требуется многократное смачивание МТ и частиц порошка матричного графита растворителем.
Известен центробежный способ нанесения графитового порошкового покрытия на МТ (GB 1286286 А, МПК G21C 21/02). Покрытие наносили путем перемешивания МТ в барабане, в который помещали порошок графита, предварительно обработанный связующим. Для размягчения связующего (фенолформальдегидной смолы) в зернах графитового порошка в барабан распыляли растворитель для смолы (этанол, метанол и т.п.). МТ приобретали внешнее покрытие за счет эффекта «снежного кома».
Также известен способ формирования графитового покрытия на МТ путем накатки матричного порошка из графита и фенолформальдегидного связующего (журнал «Вопросы атомной науки и техники», №3 (78), с. 4-16). МТ помещались во вращающийся барабан-смеситель, смачивались растворителем, затем небольшими порциям добавлялся матричный порошок. Связующее растворялось и на вращающихся МТ постепенно формировался слой графитового покрытия. После достижения требуемой толщины покрытия, МТ высушивались для удаления растворителя и подвергались отбраковке по размерам и сферичности.
Недостатком этого способа, как и большинства известных центробежных способов получения графитового покрытия, является необходимость многоразовой циклической подачи ингредиентов в смеситель и рассевом покрытых МТ после каждого цикла. Периодическое и многократное добавление матричной композиции и растворителя в барабан-смеситель являться причиной образования безтопливных агломератов и слипания частиц между собой, что влияет на выход годного. Кроме того, этот способ не обеспечивает прочности графитового покрытия, необходимой для дальнейшего формования топливных компактов.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче - прототипом к заявляемому техническому решению является способ, согласно которому покрываемые МТ и графитовую матрицу (графитовый порошок, обработанный связующим), загружаются в смеситель, куда подается растворитель (спирт) для размягчения связующего. Загруженная смесь подвергается вибрации. Под действием растворителя связующее графитовой матрицы размягчается. Порошок графита со связующим под воздействием вибрации небольшим порциями налипает на МТ, образуя покрытие на МТ, предназначенных для изготовления топливных компактов (JP 2007132728 (А), МПК G21C 3/62). Недостатком этого способа является образование непрочного рыхлого покрытия, что усложняет дальнейший передел, связанный с формованием топливных компактов на основе МТ с полученным графитовым покрытием.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение прочности покрытия и снижение брака, связанного с полным или частичным разрушением и осыпанием покрытия при перегрузке МТ и при последующем их использовании.
Задача решается тем, что в способе получения графитового покрытия на сферических микротвэлах, включающем смешивание микротвэлов и графитового порошка со связующим, вибрационную обработку с формированием графитового слоя, согласно изобретению, в качестве связующего используют суспензию, представляющую собой графитовый порошок в бакелитовом лаке, растворенном в смеси ацетона и бутилового спирта, которой обрабатывают поверхность микротвэлов до смешивания их с графитовым порошком, покрытие формируют из нескольких слоев, при этом при формирования первого слоя покрытия используют графитовый порошок с размером частиц ≤0,05 диаметра микротвэлов, полученный после вибрационной обработки слой подвергают сушке, а затем аналогичным образом формируют последующий слой/слои.
В частных случаях осуществления изобретения:
- суспензию и микротвэлы берут в весовом соотношении 1:10;
- суспензию готовят диспергированием графитового порошка фракцией ≤0,05 диаметра микротвэлов;
- весовое отношение графитового порошка к раствору бакелитового лака в суспензии составляет 1:3;
- при формировании второго и последующих слоев используют порошок с размером частиц ≤0,2 диаметра микротвэлов;
- сушку покрытия после вибрационной обработки осуществляют в течение 0,5 часа при температуре 80-90°С.
В прототипе покрываемые МТ и графитовую матрицу, представляющую собой графитовый порошок со связующим (например, фенолформальдегидной смолой), смачивают спиртом. Это приводит к размягчению (растворению) связующего и налипанию частиц графита на МТ и образованию покрытия при их дальнейшей совместной виброобработке. Однако при одновременном смачивании МТ и графитового порошка происходит образование агломератов графита без МТ, что в свою очередь приводит к получению неравномерного, рыхлого и осыпающегося покрытия.
В отличие от прототипа в заявляемом решении поверхность МТ предварительно обрабатывают суспензией, которая представляет собой графитовый порошок, диспергированный в бакелитовом лаке, растворенном в смеси ацетона и бутилового спирта. Применение суспензии в качестве связующего позволяет получить в дальнейшем равномерное сплошное покрытие и исключить образование графитовых безтопливных агломератов. Использование в качестве растворителя бакелитового лака бутилового спирта уменьшает время затвердевания суспензии за счет низкой скорости его испарения. Добавление к растворителю ацетона снижает вязкость графитовой суспензии и обеспечивает ее равномерное распределение на поверхности МТ.
Согласно заявляемому изобретению покрытие формируют из двух и более слоев. При формировании первого слоя покрытия используют графитовый порошок с размером частиц ≤0,05 диаметра МТ.
В случае использования более крупных порошков при формировании первого слоя покрытия наблюдалось образование несплошного неравномерного покрытия с грубой поверхностью, и как следствие, недостаточной сферичностью получаемых МТ.
При формировании второго и последующих слоев целесообразно использовать графитовый порошок крупной фракции, например, размером ≤0,2 диаметра МТ, что обеспечивает получение графитового покрытия необходимой толщины при минимальном количестве слоев.
Осуществление изобретения.
Сферические микротвэлы диаметром 800+/- 50 мкм общим весом 10 г помещали монослоем в смеситель, представляющий собой фторопластовую цилиндрическую емкость.
Для обработки поверхности МТ готовили суспензию из графитового порошка крупностью <0,05 диаметра МТ (<40 мкм), диспергированного в растворе бакелитового лака. Количество суспензии по отношению к обрабатываемым МТ составляло 1:10 (соответственно 1,0 г и 10 г). Данного количества суспензии было достаточно для обработки поверхности МТ, т.е. полного покрытия суспензией поверхности МТ.
Бакелитовый лак растворяли в смеси ацетона и бутилового спирта.
В раствор бакелитового лака диспергировали графитовый порошок фракцией ≤0,05 диаметра МТ, что обеспечивало необходимую вязкость для равномерного распределения суспензии по поверхности МТ.
Весовое отношение графитового порошка к раствору бакелитового лака в суспензии выбирали равным 1:3 (соответственно 1,0 г и 3,0 г) также из соображений равномерного распределения суспензии по поверхности МТ.
Приготовленную суспензию добавляли в смеситель с размещенными в нем МТ и обрабатывали поверхность МТ суспензией путем перемешивания.
Далее к обработанным суспензией МТ в смеситель добавляли графитовый порошок с размерами частиц <40 мкм и снова перемешивали.
МТ, покрытые графитовым порошком, выгружали на поддон и при помощи сита отделяли от избытка порошка. Затем поддон с МТ помещали на плоскость вибростола и подвергали виброобработке в течение 0,5-1,0 мин для уплотнения образовавшегося на МТ графитового покрытия. Под действием вибрации (50 гц) сферические МТ совершали круговое движение против часовой стрелки, при этом происходило уплотнение покрытия.
Сушку покрытых МТ осуществляли при 80-90°С в течение 0,5 часа.
Второй слой покрытия формировали аналогично первому.
МТ с нанесенным на них первым слоем вновь обрабатывали суспензией, обработанные МТ смешивали с графитовым порошком с размером частиц крупной фракции порядка ≤0,2 диаметра МТ (<160 мкм), а затем подвергали вибрационной обработке.
Применение частиц порошка мелкой фракции при формировании второго и последующих слоев графитового покрытия нецелесообразно, поскольку с одной стороны это не влияет на качество получаемого покрытия, а с другой стороны - увеличивает длительность процесса, т.к. при использовании частиц порошка мелкой фракции толщина получаемого слоя не превышает ~ 50 мкм.
МТ, покрытые вторым слоем графитового порошка, выгружали и при помощи сита отделяли от избытка порошка. Сушку покрытых МТ осуществляли при температуре 80-90°С в течение 0,5 часа.
После второго этапа сушки МТ с графитовым покрытием подвергались визуальному контролю на наличие сколов, несплошностей, безтопливных агломератов и слипшихся частиц. При наличии перечисленных дефектов у более чем 10% МТ партия признавалась бракованной.
На фотографии представлен внешний вид МТ с графитовым покрытием.
Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о том, что полученное на МТ графитовое покрытие не разрушается и не отслаивается при перетаривании партий покрытых МТ, сохраняет целостность при транспортировке и засыпании МТ в пресс-форму при проведении процесса прессования твэл.
Таким образом, предложенный способ нанесения графитового покрытия на МТ по сравнению с прототипом позволяет получить равномерное качественное покрытие, избежать образования агломератов и слипания МТ между собой и тем самым повысить его прочность и снизить брак, обусловленный частичным разрушением и осыпанием покрытия при перегрузке МТ и обеспечить выход годного на уровне 95-96%.