СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПОРОШКА ДИОКСИДА УРАНА

Изобретение относится к технологии производства ядерного топлива для энергетических реакторов, в частности к процессам получения порошков диоксида урана для изготовления сердечников твэлов.

Известны различные способы приготовления топливных таблеток с применением в качестве выгорающего поглотителя бора. Борсодержащее покрытие наносят на поверхность таблетки. Для этого используют плазменное напыление, ионную имплантацию, катодное распыление, химическое осаждение из паровой фазы, погружение в раствор (Горский В.В. Технология изготовления и применение в реакторах PWR таблеток UO₂ с покрытием из ZrB₂ // Атомная техника за рубежом, М., 1989, т.9, с.7).

Например, фирма «Вестингауз электрик» (США) разработала и запатентовала способ приготовления топливных таблеток, в котором диборид циркония наносится катодным распылением в виде тонкого слоя на цилиндрическую поверхность таблетки (патент США №4560462, МКИ С23С 14/22, опубл. 24.12.85). Способ осуществляется следующим образом. На топливные таблетки (анод) и мишени из ZrB₂ (катод), помещенные в камеру с аргоном, подается постоянное напряжение. Образующиеся ионы аргона бомбардируют анод, распыляя ZrB₂.

Недостатком способа является сложность аппаратуры и технологии синтеза ZrB₂, спекания из него мишеней и нанесения диборида циркония на поверхность таблеток.

Известен способ нанесения на таблетку UO₂ слоя борсодержащего материала погружением в раствор бористого стекла, который затем обжигается в смеси аргона и водорода (патент США №4683114, МКИ G21C 3/00, опубл. 28.07.87). Недостаток способа состоит в том, что сложно выдержать заданные толщину покрытия и содержание бора в таблетке.

Недостатком обоих способов является неравномерное распределение бора в таблетке, которое ведет к недостаточной глубине выгорания топлива и, следовательно, к повышению ядерной опасности, высокому уровню расхода урана и большим затратам на хранение значительных объемов отработавшего топлива.

Этот недостаток преодолен в способе получения порошков диоксида урана или смешанных оксидов на его основе, выбранный за прототип (патент РФ №2066299, МПК 6 C01G 43/01, 43/025, 56/00, G21C 3/62, опубл. 10.09.1996). Данный способ предусматривает диспергирование раствора, содержащего уранилнитрат, нитрат гадолиния и уксусную кислоту, в поток высокочастотной индукционной плазмы на основе азота или аргона. Полученный данным способом порошок содержит в своем составе равномерно распределенный гадолиний.

Однако таблетки, полученные из порошка, содержащего бор, по сравнению с таблетками, полученными из порошка, содержащего гадолиний, имеют ряд преимуществ. Например, такое топливо облегчает оптимизацию параметров активных зон PWR и достижение более высокого выгорания, улучшает регулирование коэффициентов пика мощности и горячего канала, обладает минимальной остаточной поглощающей способностью в конце кампании и не требует изменения обогащения таблеток.

Несмотря на вышеперечисленные преимущества, в качестве выгорающего поглотителя используется гадолиний, так как считается, что оксид бора не может быть спечен с диоксидом урана (Горский В.В. Технология изготовления и применение в реакторах PWR таблеток UO₂ с покрытием из ZrB₂ // Атомная техника за рубежом, М., 1989, т.9, с.7). Кроме того, высокая летучесть борной кислоты с водяным паром должна приводить к потерям борной кислоты с парогазовой фазой.

Задачей изобретения является получение порошка диоксида урана, спеченного с бором. При этом способ получения порошков диоксида урана должен обеспечивать заданное содержание бора в порошке диоксида и полный выход бора в порошок.

Поставленную задачу решают тем, что в способе приготовления порошка диоксида урана, содержащего выгорающий поглотитель, включающем разложение распыленного нитратного раствора урана, содержащего исходный компонент выгорающего поглотителя, в потоке плазменного теплоносителя в присутствии восстановителя, и выделение целевого продукта из полученной пылегазовой смеси, в качестве исходного компонента выгорающего поглотителя в раствор вводят борную кислоту.

В качестве восстановителя используют уксусную кислоту или ацетат аммония.

Уксусную кислоту вводят в молярном отношении к суммарному содержанию нитрат-ионов в растворе, равном 0,75-1,5 моль уксусной кислоты на 1 моль нитрат-иона.

Ацетат аммония вводят в молярном отношении к суммарному содержанию нитрат-ионов в растворе, равном 0,55-1,6 моль ацетата аммония на 1 моль нитрат-иона.

Борную кислоту вводят до содержания бора 0,200-1,00 мг/г U.

Способ осуществляют следующим образом.

Азотнокислый раствор уранилнитрата с концентрацией урана 200 г/л, азотной кислоты 0,1 моль/л и заданным содержанием борной кислоты, уксусной кислоты или ацетата аммония диспергируют в поток высокочастотной плазмы на основе азота или аргона. В потоке высокочастотной плазмы происходит денитрация урана и его восстановление с образованием порошков двуокиси урана с заданным содержанием бора.

Составы исходных растворов уранилнитрата и порошков, выделенных из пылегазового потока на металлотканевом фильтре, приведены в таблице. В опытах 1-3 в качестве восстановителя шестивалентного урана применена уксусная кислота, а в опытах 4-5 - ацетат аммония.

Эксперименты показали неизменность соотношения бора и урана в исходном растворе и в полученном продукте. Таким образом, было доказано, что применение данного способа позволяет, несмотря на высокую летучесть борной кислоты с водяным паром, получить порошки с заданным содержанием бора.

Структура полученных оксидных порошков представлена микросферами и чешуйчатыми образованиями. Строение микросферы оксидного порошка показано на рисунке. Средний размер микросферы 400-600 нм. Микросферы содержат центры 1 кристаллизации двуокиси урана и поликристаллизационные микроблоки 2 двуокиси урана, имеющие структуру типа флюорита, характерную для фаз UO_2+X, с параметром решетки а=0,5438-0,5467 нм и средним размером порядка 30-50 нм, распределенными в аморфном твердом растворе 3 двуокиси урана. Бор находится на поверхности микроблоков двуокиси урана в виде пленки 4 бората урана толщиной около 20-30 Å.

Таблетки, приготовленные на основе порошков диоксида урана, содержащего в своем составе бор, связанный в химическое соединение с ураном, объединяют достоинства использования в качестве выгорающего поглотителя бора с преимуществами распределения выгорающего поглотителя в объеме таблетки.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать порошки диоксида урана для изготовления таблеток, соответствующих требованиям к топливным сердечникам для твэлов энергетических реакторов.