Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ТАБЛЕТОК ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ядерной энергетике и касается технологии получения ядерного топлива, в частности для зоны воспроизводства реакторов на быстрых нейтронах, при использовании в качестве сырья регенерата топлива, выгружаемого из водоохлаждаемых ядерных реакторов.

Уровень техники
Процесс изготовления таблеток ядерного топлива заключается в формовании порошков оксидов урана в сырые таблетки, которые затем спекаются до необходимой плотности.

К спеченным таблеткам предъявляются довольно жесткие требования по плотности, геометрическим размерам, микроструктуре, термической стабильности и другим параметрам.

Для обеспечения этих требований порошки, подаваемые на прессование, должны обладать определенными характеристиками по фракционному составу, текучести, насыпной плотности и другими свойствами.

Как правило, исходные порошки диоксидов урана, изготовленные по различным технологическим схемам, необходимыми свойствами не обладают. Поэтому исходные порошки диоксидов урана подвергают интенсивному предварительному измельчению, обычно истирающим воздействием, например в шаровых мельницах, для обеспечения однородности свойств по объему. Затем полученный продукт либо гранулируют в распылительных сушилках, либо уплотняют путем прокатки валками или прессованием шашки с последующей грануляцией на ситах. После чего осуществляют прессование таблеток.

Известен способ получения таблеток ядерного топлива, включающий смешение тонкоизмельченного порошка двуокиси урана с порошком оксида урана до получения реакционоспособной и чистой закиси урана, получаемой окислением с помощью воздуха (FR, 2599883, G 21 С 3/62, 1987). Известный способ позволяет после прессования и спекания получать прочные таблетки ядерного топлива.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является способ производства таблеток ядерного топлива, преимущественно для реактора на быстрых нейтронах, включающий смешивание сырьевого порошка с пластификатором, уплотнение смеси, измельчение полученного гранулята с последующим рассевом для получения пресс-порошка, прессование пресс-порошка в матрице для получения сырых таблеток и их спекание (Смирнов Ю. В. и др. Атомная промышленность зарубежных стран, М.: Атомиздат, 1980, с. 206, 207). Известный способ предполагает использование предварительного уплотнения сырьевого порошка, что обеспечивает получение таблеток ядерного топлива из порошков двуокиси урана, имеющих плотность в тесте на спекаемость больше нижней границы требуемой плотности.

Известные способы не позволяют использовать в качестве исходного порошка, порошок регенерированного топлива, что обусловлено следующим фактором. Топливные таблетки для зоны воспроизводства ядерных реакторов на быстрых нейтронах должны иметь плотность выше 10,3 г/см³. При этом должно выполняться условие γ_TECT>1,005•γ_TP, где γ_TECT - плотность на спекаемость в тесте, γ_TP - требуемая плотность таблеток ядерного топлива. С учетом того, что характерной особенностью порошков регенерированного ядерного топлива является пониженная плотность в тесте на спекаемость (10,1-10,3) г/см³, вышеприведенное условие не выполняется - топливные таблетки по известным способам не могут быть изготовлены, что существенно ограничивает возможности производства.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание способа изготовления таблеток ядерного топлива, обладающего повышенными возможностями.

В результате решения данной задачи возможно получение новых технических результатов, заключающихся в том, что расширяется номенклатура используемых сырьевых порошков и обеспечивается возможность получения ядерного топлива с необходимой по условиям эксплуатации плотностью.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе производства таблеток ядерного топлива, преимущественно для реактора на быстрых нейтронах, включающем смешивание сырьевого порошка с пластификатором, уплотнение смеси, измельчение полученного гранулята с последующим рассевом для получения пресс-порошка, прессование пресс-порошка в матрице для получения сырых таблеток и их спекание, что в качестве сырьевого порошка используют порошок регенерированного ядерного топлива с размером частиц от 57 до 63 мкм, причем уплотнение смеси производят при давлении от 1,5 до 2,5 т/см², рассев осуществляют с использованием вибросита, размер ячейки сетки которого выбирают не более 0,63 мм, а прессование пресс-порошка производят при давлении от 3,0 до 4,0 т/см² в матрице, угол конусности которой составляет 6 - 15 градусов.

Отличительной особенностью настоящего изобретения является использование в качестве сырьевого порошка -порошок регенерированного ядерного топлива с размером частиц от 57 до 63 мкм и проведение уплотнения смеси при давлении от 1,5 до 2,5 т/см². Увеличение величины давления при уплотнении по сравнению с известным давлением уплотнения (~ 1 т/см²) уменьшает повышенную пористость порошка регенерированного ядерного топлива. Осуществление рассева с использованием вибросита, размер ячейки сетки которого выбирают не более 0,63 мм обусловлено необходимостью получения требуемых размеров частиц порошка, которые обеспечивают заданную плотность. Экспериментально установлено, что для получения таблеток ядерного топлива с плотностью выше 10,3 г/см³ следует не только проводить предварительную обработку сырьевого порошка при указанных выше условиях, но и производить прессование пресс-порошка при давлении от 3,0 до 4,0 т/см² в матрице, угол конусности которой составляет 6-15 градусов. Если давление уплотнения меньше 1,5 т/см и давление прессования меньше 3,0 т/см², то не обеспечивается получение плотности ядерного топлива выше 10,3 г/см³. При давлении уплотнения больше 2,5 т/см² и/или давлении прессования больше 4,0 т/см² отмечен недопустимый рост давления выпрессовки таблетки из матриц при уплотнении и прессовании и соответственно к увеличению дефектности по внешнему виду. При конусности матрицы меньше 6 градусов существенно увеличивается дефектность по внешнему виду, при конусности матрицы больше 15 градусов имеет место дефектность верхнего торца таблетки, которая проявляется в виде облоя и/или отслоения.

Кроме того, уплотнение смеси производят прессованием "шашки" или экструзией, а смешивание осуществляют в лопастном смесителе.

Целесообразно после рассева осуществлять сушку пресс-порошка во вращающейся печи, а спекание таблеток производить в среде водорода при температуре (1730-1750)^oC в течение 2-6 часов.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Настоящее изобретение проиллюстрировано нижеприведенными примерами, подтверждающими врзможность его реализации.

Пример 1. Необходимо изготовить таблетки ядерного топлива из сырьевого порошка с крупностью зерна 0,60 мкм, полной удельной поверхностью 1,9 м²/г и плотностью в тесте на спекаемость 10,1 г/см³.

Сырьевой порошок регенерированного топлива сначала смешивали со стандартным пластификатором (водный раствор поливинилового спирта с глицерином) в лопастном смесителе партиями по 7,0 кг в течение 3 мин. Полученную смесь подвергали уплотнениию прессованием "шашки" на механическом прессе при величине давления 1,5 т/см². Полученный гранулят подвергали измельчению и рассеву с использованием вибросита с размером ячейки сетки 0,63 мм и после сушки во вращающейся печи получили пресс-порошок, который направили на прессование. Прессование осуществляли на роторном пресс-автомате при давлении 4,0 т/см² в матрице с углом конусности 15 градусов. Затем "сырые" таблетки спекали в среде водорода при температуре 1730^oС в течение 6 ч. При этом получили таблетки ядерного топлива, плотность которых соответствует заданным требованиям 10,56 г/см³ > 10,3 г/см³.

Пример 2. Необходимо изготовить таблетки ядерного топлива из сырьевого порошка с крупностью зерна 0,57 мкм, полной удельной поверхностью 1,95 м²/г и плотностью в тесте на спекаемость 10,1 г/см³.

Сырьевой порошок регенерированного топлива сначала смешивали со стандартным пластификатором (водный раствор поливинилового спирта с глицерином) в лопастном смесителе партиями по 7,0 кг в течение 3 мин. Полученную смесь подвергали уплотнению прессованием "шашки" на механическом прессе при величине давления 2,0 т/см². Полученный гранулят подвергали измельчению и рассеву с использованием вибросита с размером ячейки сетки 0,63 мм и после сушки во вращающейся печи получили пресс-порошок, которой направили на прессование. Прессование осуществляли на роторном пресс-автомате при давлении 3,0 т/см² в матрице с углом конусности 6 градусов. Затем "сырые" таблетки спекали в среде водорода при температуре 1740^oС в течение 4 ч. При этом получили таблетки ядерного топлива, плотность которых соответствует заданным требованиям 10,53 г/см³ > 10,3 г/см³.

Пример 3. Необходимо изготовить таблетки ядерного топлива из сырьевого порошка с крупностью зерна 0,57 мкм, полной удельной поверхностью 1,95 м²/г и плотностью в тесте на спекаемость 10,1 г/см³.

Сырьевой порошок регенерированного топлива сначала смешивали со стандартным пластификатором (водный раствор поливинилового спирта с глицерином) в лопастном смесителе партиями по 7,0 кг в течение 3 мин. Полученную смесь подвергали уплотнению прессованием "шашки" на механическом прессе при величине давления 2,0 т/см². Полученный гранулят подвергали измельчению и рассеву с использованием вибросита с размером ячейки сетки 0,63 мм и после сушки во вращающейся печи получили пресс-порошок, который направили на прессование. Прессование осуществляли на роторном пресс-автомате при давлении 4,0 т/см² в матрице с углом конусности 15 градусов. Затем "сырые" таблетки спекали в среде водорода при температуре 1740^oС в течение 4 ч. При этом получили таблетки ядерного топлива, плотность которых соответствует заданным требованиям 10,56 г/см³ > 10,3 г/см³.

Пример 4. Необходимо изготовить таблетки ядерного топлива из сырьевого порошка с крупностью зерна 0,63 мкм, полной удельной поверхностью 1,84 м²/г и плотностью в тесте на спекаемость 10,1 г/см³.

Сырьевой порошок регенерированного топлива сначала смешивали со стандартным пластификатором (водный раствор поливинилового спирта с глицерином) в лопастном смесителе партиями по 7,0 кг в течение 3 мин. Полученную смесь подвергали уплотнению экструзией на гидравлическом прессе при величине давления 2,5 т/см². Полученный гранулят подвергали измельчению и рассеву с использованием вибросита с размером ячейки сетки 0,63 мм и после сушки во вращающейся печи получили пресс-порошок, который направили на прессование. Прессование осуществляли на роторном пресс-автомате при давлении 3,2 т/см² в матрице с углом конусности 6 градусов. Затем "сырые" таблетки спекали в среде водорода при температуре 1750^oС в течение 2 ч. При этом получили таблетки ядерного топлива, плотность которых соответствует заданным требованиям 10,53 г/см³ > 10,3 г/см³.

Таким образом, описываемое изобретение позволяет изготовлять таблетки ядерного топлива для зоны воспроизводства ядерного реактора на быстрых нейтронах из сырьевых порошков регенерированного ядерного топлива.