Вид РИД
Изобретение
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 γTECT>1,005•γTP, где γTECT - плотность на спекаемость в тесте, γTP - 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 1730oС 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 1740oС 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 1740oС 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 1750oС 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.
1.Способпроизводстватаблетокядерноготоплива,преимущественнодляреакторанабыстрыхнейтронах,включающийсмешиваниесырьевогопорошкаспластификатором,уплотнениесмеси,измельчениеполученногогранулятаспоследующимрассевомдляполученияпресс-порошка,прессованиепресс-порошкавматрицедляполучениясырыхтаблетокиихспекание,отличающийсятем,чтовкачествесырьевогопорошкаиспользуютпорошокрегенерированногоядерноготопливасразмеромчастицот57до63мкм,причемуплотнениесмесипроизводятпридавленииот1,5до2,5т/см,рассевосуществляютсиспользованиемвибросита,размерячейкисеткикотороговыбираютнеболее0,63мм,апрессованиепресс-порошкапроизводятпридавленииот3,0до4,0т/смвматрице,уголконусностикоторойсоставляет6-15град.12.Способпоп.1,отличающийсятем,чтоуплотнениесмесипроизводятпрессованием"шашки"илиэкструзией.23.Способпоп.1или2,отличающийсятем,чтосмешиваниеосуществляютвлопастномсмесителе.34.Способпоп.1,или2,или3,отличающийсятем,чтопослерассеваосуществляютсушкупресс-порошкавовращающейсяпечи.45.Способпоп.1,или2,или3,или4,отличающийсятем,чтоспеканиетаблетокпроизводятвсредеводородапри1730-1750Свтечение2-6ч.5