Результат интеллектуальной деятельности: ТАБЛЕТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Изобретение относится к ядерной технике, в частности, к ядерному горючему и способам изготовления дисперсионных топливных сердечников (таблеток) тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ).

В настоящее время одним из основных инновационных направлений в атомной энергетике является разработка ядерных реакторов на быстрых нейтронах. В рамках данной разработки решаются следующие проблемы:

- создание «замкнутого топливного цикла», в котором в процессе выгорания исходного топлива (расходования исходного плутония), из присутствующего в топливе урана 238, нарабатывается плутоний, использующийся в следующей «кампании» после его выделения из отработанного топлива предыдущей «кампании»;

- расходование («сжигание») излишнего плутония, наработанного за годы гонки вооружений в соответствии с обязательствами правительств России и США.

Одним из основных элементов технологии быстрых реакторов является выбор вида и технологии тепловыделяющих элементов, в частности, смеси порошков, т.е. дисперсионной системы, в которую входят радиоактивные компоненты.

Известна дисперсионная система, предназначенная для изготовления таблеток тепловыделяющих элементов, содержащая крупку оксида урана в алюминиевой матрице (см. Займовский А.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М.: Атомиздат, 1966 г., стр. 387)

Известна также дисперсионная система, содержащая смесь порошков окислов урана и алюминиевого порошка, используемая для изготовления металлокерамических сердечников ТВЭЛ. (Скоров Д.М. и др. Реакторное материаловедение. М.: Атомиздат, 1979 г., с. 177; Самойлов А.Г. и др. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М: Энергоатомиздат, 1996).

Введение в состав топливной композиции металлического компонента обеспечивает повышение прочности и теплопроводности таблетки, это улучшает эксплуатационные параметры тепловыделяющей сборки.

Известно изобретение GB 2023111A. опубл. 28.12.1979, МПК C01G 43/02, предлагающее смесь для изготовления топливной таблетки для тепловыделяющей сборки ядерных реакторов, в том числе для реакторов на быстрых нейтронах, т.е. содержащих порошки радиоактивных элементов-актинидов. В данном изобретении провозглашается уменьшение пыления ("dust"), отмечается необходимость исключения пылящих операций, полученные таблетки называют экологически чистыми за счет того, что исходная система «прекурсор, шихта», представляет собой не пылящие элементы («green»). Для этого смешанный раствор соединений урана и плутония (допускаются металлы) превращают в гель (типа силикагеля) с использованием органического гелеобразователя. Из геля методом каплепадения готовят шарики диаметром 3 мм. Из шариков в потоке углекислого газа при 600°С отгоняют органику, при этом гранулы соединений актинидов (или металлы) сохраняют сферическую форму. Шарики актинидов измельчают в шаровых или вибрационных мельницах в течение длительного времени (до 18 часов), затем прессуют и спекают при 1600°С.

Недостатком аналога является то, что при изготовлении таблеток обращение с пылью радиоактивных актинидов не устранено па заключительных технологических операциях, т.е. при выгрузке из смесителей и при дозировке в прессформы, кроме того, отгонка органики горячим газом также может привести к уносу дисперсной фазы соединений плутония, т.е. "green” - более чем сомнительна.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления таблетированного уран-плутониевого топлива, патент RU 2068202. опубл. 20.10.96, МПК G21C 3/62, который выбран в качестве прототипа.

Таблетки, изготовленные заявленным способом, содержат гранулы, полученные из шихты, обработанной специальным способом, а именно: путем проведения окислительно-восстановительной обработки гранул с последующим прессованием таблеток и их спеканием. В зависимости от содержания плутония в смеси проводят один или несколько циклов окисления - восстановления. Данный способ позволяет получать гранулы с оптимальными характеристиками и обеспечить на стадии прессования и спекания условия для получения однородной структуры таблеток. Кроме того, способ, по утверждению авторов, обеспечивает снижение экологической опасности производства за счет уменьшения пылеобразования.

На самом деле, как и в британском изобретении GB 2023111 A, в технологии присутствуют все операции, связанные с пылением, а именно, дозирование, смешивание порошков, дозирование в прессформы, прессование, выгрузка и полировка таблеток перед спеканием, т.е. это операции технологического процесса приготовления нерадиоактивного порошка окиси урана.

Это является существенным недостатком способа, так как порошки соединений плутония являются исключительно опасными веществами для человека и окружающей среды. Следует особенно отметить несколько факторов, внушающих опасение:

- опыта работы персонала с оружейным металлическим плутонием недостаточно для работы с порошкообразным плутонием;

- объемы радиоактивного материала в технологии ТВЭЛ несравненно значительнее, чем при работе с оружейным плутонием, для одной тепловыделяющей сборки требуется около ста тысяч таблеток, а сборок десятки;

- несмотря на го, что все операции с порошками проводят в герметичных боксах, при массовых потоках пылящих порошков (содержащих микронные и субмикронные фракции) неизбежно загрязняются большие площади смесительного и дозирующего оборудования, боксы, перчатки, фильтры, что требует создания гораздо более мощной технологии дезактивации по сравнению с работами с оружейным плутонием.

- в случае аварийной ситуации (разгерметизация оборудования и т.п.) возникнет экологическая катастрофа, более значительная, чем даже диспергирование плутония при аварии ядерного заряда, например, при пожаре.

Задачей изобретения является разработка таблетированного уран-плутониевого топлива для реакторов на быстрых нейтронах, при изготовлении которого снижается экологическая опасность производства путем ликвидации пылеобразования соединений плутония, а также сохранение или увеличение прочности и реактивности топливных таблеток.

Технический результат при использовании изобретения заключается в следующем:

- обеспечивается повышенная экологическая безопасность технологического процесса изготовления топливной таблетки;

- исключается пылеобразование соединений плутония:

- повышаются прочность, теплопроводность, реактивность таблетки.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах. которая содержит равномерно распределенные по объему соединения урана (окись, нитрид и т.п.) и металлический плутоний, при этом плутоний находится в виде произвольно ориентированного элемента, выполненного из проволоки толщиной не более 0.5 мм.

Применение плутония в виде проволоки исключает процесс пылеобразования. Следует учитывать при этом, что в процессе спекания возможно перераспределение кислорода (особенно с использованием окислов урана с высокой валентностью), т.е. часть кислорода окислов урана перейдет в поверхностные слои плутония. Поскольку при прессовании образуются очень тонкие слои металла (вплоть до субмикронных), при прогреве будут возникать межчастичные мостики промежуточных окислов, прочность и теплопроводность элементов будет выше, чем при спекании твердых компонентов.

Аналогичные процессы будут происходить при спекании «проволочного» варианта при проведении спекания выше температуры плавления плутония. Режимы спекания должны быть оптимизированы с учетом перечисленных выше процессов.

Кроме увеличения прочности и теплопроводности возникает еще одно исключительно полезное свойство: увеличивается плотность элемента, как за счет уменьшения пористости, гак и за счет более высокой плотности металла по сравнению с плотностью окисла (19,9 и 11,4 г/см³ соответственно).

Тонкая проволока может дозироваться в виде беспорядочно спутанного объемного элемента (комка «путанки») или в виде витых протяженных элементов (типа пружин). В случае применения проволочных элементов для получения равномерного распределения металла в объеме элемента применяют два подхода:

- в предварительно подпрессованный проволочный элемент максимальной пористости порошок окиси урана дозируют с использованием вибрации;

- применяют также фильтрационное прессование. Для этого предварительно формуют в прессформе пористый образец из проволочного элемента определенною размера и массы. При этом оптимальная пористость элемента определяется свойствами фильтруемого порошка. Готовят суспензию из порошка в летучем растворителе, не взаимодействующим с веществом порошка. Суспензию дозируют в прессформу в необходимом количестве и прессуют с использованием прессформы, оборудованной ложным дном с металлическим фильтром. Элемент сушат и спекают.

Примеры конкретного исполнения.

Пример 1. В качестве примера конкретного исполнения приведен элемент-имитатор на основе композиции порошка окиси свинца (имитатор порошка соединения урана) и вольфрамовой проволоки (имитатор плутония) толщиной 0.2 мм 40% по объему (армирующий элемент). Из проволоки предварительно изготавливали витые элементы (пружинки) диаметром 2.0 мм длиной, обеспечивающей необходимый объем металла. Витые элементы укладывали в преесформу диаметром 11 мм, обеспечивая начальную пористость 0,2…03. Дозировку порошка производили при слабой вибрации преесформы. Прессование производили при давлении 600 МПа. В итоге получали прочные таблетки с проволочным каркасом, равномерно распределенным по объему таблетки.

Пример 2. Имитатор плутония - проволока из никеля диаметром 40 мкм в виде путанки, имитатор порошка соединения урана - порошок молекулярного органического вещества в виде спиртовой суспензии. Проволоку дозировали в прессформу диаметром 11 мм до 40% по объему. Прессформа оборудована ложным дном и фильтром (несколько слоев металлических и бумажных фильтров). В прессформу заливали суспензию порошка из расчета полного заполнения пор частицами порошка, прессовали при давлении 500 МПа, сушили на воздухе при 70°С до постоянной массы, при этом пористость не превышала 5%.

Предложенные в приведенных примерах лабораторные технологии, потребуют существенной переработки существующих промышленных технологических процессов. Однако, поскольку в соответствии с физикой работы реакторов на быстрых нейтронах не требуется высокая гомогенность ТВЭЛ (длина свободного пробега нейтронов существенно больше характерного размера таблетки), поэтому возможен вариант технологического процесса, в котором толщина проволоки составляет 0,2…0,5 мм и проволока рассекается на куски длиной 1-3 диаметра. Поток, состоящий из кусков проволоки и порошка соединения урана дозируют в прессформу (экструдер-секатор и дозатор порошка могут быть совмещены).

Заявляемое изобретение позволит повысить экологическую безопасность работ при изготовлении топливной таблетки за счет исключения пылеобразование соединений плутония, а также уменьшения влияния человеческого фактора при работе с радиоактивными порошками. Следует отметить, что при этом повышаются физико-механические параметры топливной таблетки.