Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ТАБЛЕТОК ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ДИОКСИДА УРАНА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в процессе производства керамического ядерного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. Оно позволяет получать таблетированное ядерное топливо высокого качества с одновременной переработкой брака в виде некондиционных спеченных таблеток.

Известно, что при нормально функционирующем производстве изготовления керамического таблетированного ядерного топлива неизбежен брак, объем которого составляет 10-15% объема продукции (1. А.А.Майоров, И.Б.Браверман “Технология получения порошков керамической двуокиси урана” М., Энергоиздат, 1985 г., гл. 7.1., стр.115).

Некондиционные спеченные таблетки диоксида урана включают следующие виды брака: брак по плотности, брак таблеток, имеющих сколы, трещины, дефекты поверхности и формы, не соответствующие эталонам и др. Этот вид брака по химическому составу не отличается от штатных таблеток.

Известен способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подшихтовку штатного пресс-порошка диоксида урана, UO₂, порошком оксида урана, U₃O₈, полученным термическим окислением воздухом брака таблеток из диоксида урана до оксида урана при температуре 500-600°С во вращающемся барабане, с последующим рассевом готового продукта. Согласно данному способу количество регенерируемого оксида урана, U₃O₈, составляет до 15% на партию получаемой продукции (4. Пат. РФ №2158030, кл. G 21 C 3/62, опубл. 20.10.2000 г.).

Применение порошкообразного U₃O₈ для подшихтовки штатного пресс-порошка диоксида урана, применяемого в процессе получения топливных таблеток, имеет следующие недостатки: приводит к росту открытой пористости и понижает плотность получаемых изделий (2. А.А.Майоров, И.Б.Браверман. Технология получения порошков керамической двуокиси урана, М., Энергоатомиздат, 1985, стр.117, рис.7.2).

Кроме этого снижается механическая плотность спеченных таблеток, за счет появления в местах добавления частиц U₃O₈ пористых участков, являющихся зародышами трещин.

Наличие в спеченных таблетках зародышей трещин приводит в процессе работы реактора к растрескиванию таблеток и даже к их разрушению, особенно в режимах маневрирования мощностью реактора, а также к увеличению термохимического взаимодействия топлива с оболочкой, увеличению выхода под оболочку тепловыделяющего элемента газообразных продуктов деления, опасных с точки зрения коррозии оболочки. Все это снижает уровень безопасности и экономичности работы реактора (3. И.Х.Ганев "Физика и расчет реактора", М., Энергоиздат, 1992 г.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту - прототип, является способ получения топливных таблеток, согласно которому отходы двуокиси урана, UO₂ (бракованные по внешнему виду, плотности, геометрии таблетки, лом таблеток, отходы после шлифования), измельчают в два этапа: сначала в щековой дробилке, затем в дисковой, после чего окисляют при температуре 350-400°С до U₃O₈, рассеивают полученный порошок на вибросите; после рассева на вибросите необходимую в каждом конкретном случае фракцию подают в смеситель-гранулятор, где получают гомогенизированные, требуемого размера агломераты. Полученные агломераты U₃О₈ в количестве, определяемом требованиями по плотности и структуре к спеченным таблеткам, известными способами смешивают с порошком UO₂, из смеси готовят пресс-порошок, из которого готовят таблетки (6. Пат. РФ №2148279, кл. G 21 C 3/62, опубл. 27.04.2000 г.).

Недостатком данного технического решения является его сложность, многостадийность, длительность и то, что несмотря на то, что использование округлых агрегатов U₃O₈ приводит к образованию близких к сферическим пор, увеличивая механическую прочность, это не устраняет эффекта понижения плотности и увеличения открытой пористости в спеченных таблетках (7. K.W.Song, K.S.Kim, Y.M.Kim, Y.M.Jung, Sinterng of Mixed UO₂ and U₃О₈, Powder Compacts, J.Nucl. Mater/277(2000) 123., 8. А.А.Майоров, И.Б.Браверман. "Технология получения порошков керамической двуокиси урана", М., Энергоатомиздат, 1985, стр.117, рис.7.2.).

Кроме того, введение агломератов U₃O₈ размерами в сотни микрон может приводить к увеличению размера пор и, следовательно, снижению качества спеченных таблеток.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является разработка простого и менее трудоемкого способа получения топливных таблеток для тепловыделяющих элементов из диоксида урана, позволяющего эффективно перерабатывать брак некондиционных спеченных таблеток и получать топливные таблетки более высокого качества и с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе получения топливных таблеток для тепловыделяющих элементов из диоксида урана (вариант 1), включающем приготовление пресс-порошка из диоксида урана керамического сорта, прессование и спекание таблеток, пресс-порошок получают измельчением брака некондиционных спеченных таблеток в мельнице с мелющими телами и с добавлением 2-4 мас.% порообразующего вещества.

Предпочтительно, используют планетарные или виброцентробежные мельницы.

Предпочтительно, в качестве порообразующего вещества используют стеарат цинка или поливиниловый спирт.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом способе получения топливных таблеток для тепловыделяющих элементов из диоксида урана (вариант 2), включающем приготовление пресс-порошка из диоксида урана керамического сорта, прессование и спекание таблеток, в качестве диоксида урана керамического сорта используют смесь из диоксида урана, полученного по АДУ-процессу, и диоксида урана, полученного измельчением брака некондиционных спеченных таблеток из диоксида урана в мельнице с мелющими телами и с добавлением 2-4 мас.% порообразующего вещества.

Предпочтительно, используют планетарные или виброцентробежные мельницы.

Предпочтительно, в качестве порообразующего вещества используют стеарат цинка или поливиниловый спирт.

Регулирование характеристик получаемого порошка UO₂ (дисперсность, степень агрегированности, текучесть и т. д.) осуществляют путем соответствующего подбора используемых мелющих тел.

Проведенный сопоставительный анализ предлагаемого технического решения (вариант 1) с прототипом выявил следующие существенные отличительные признаки:

- измельчение брака некондиционных спеченных таблеток проводят в мельницах с мелющими телами и добавлением 2-4 мас.% порообразующего вещества;

- при измельчении получают порошок диоксида урана, UO₂, с частицами, плакированными порообразующим веществом;

- полученный порошок диоксида урана, UO₂, подвергают формованию с получением топливных таблеток диоксида урана.

Проведенный сопоставительный анализ предлагаемого технического решения (вариант 2) с прототипом выявил следующие отличительные признаки:

- в качестве диоксида урана керамического сорта используют смесь из диоксида урана, полученного по АДУ-процессу, и диоксида урана, полученного измельчением брака некондиционных спеченных таблеток;

- измельчение брака некондиционных спеченных таблеток проводят в мельницах с мелющими телами и добавлением 2-4 мас.% порообразующего вещества;

- при измельчении получают порошок диоксида урана, UO₂, с частицами, плакированными порообразующим веществом;

- полученную смесь из диоксида урана, UO₂, полученного по АДУ-процессу, и диоксида урана, полученного измельчением брака некондиционных спеченных таблеток, подвергают формованию с получением топливных таблеток диоксида урана.

Таким образом, изобретение удовлетворяет критерию патентоспособности "новизна".

По сравнению с известными аналогами, включая и прототип, вышеперечисленные существенные отличия обеспечивают достижение нового технического результата:

- повышается плотность сырой таблетки и возрастает ее прочность, уменьшается усадка при спекании и, следовательно, резко снижается количество отходов при шлифовании за счет уменьшения образования трещин и сколов в таблетках;

- улучшается спекаемость порошка UO₂ (для порошков, не удовлетворяющих по этому параметру тесту на спекаемость), до 97-98% от теоретической повышается плотность таблетки, путем регулирования количества добавляемого порообразователя в заявляемых параметрах, может быть задана ее необходимая величина;

- открытая пористость снижается до 0,05-0,1%;

- возрастает качество микроструктуры (высокая однородность распределения пор и зерен по размерам, снижение максимального размера пор в плоскости шлифа до 50 мкм);

- снижается процент брака (выход в годное);

- исчезает кольцевая пора для порошков, дающих таблетки, дефектные по этому признаку.

Таким образом, изобретение удовлетворяет критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

Спеченные некондиционные таблетки диоксида урана, бракованные по внешнему виду, геометрии, кольцевой поре, плотности, открытой пористости и параметрам микроструктуры, измельчают в мельнице с мелющими телами специально подобранного размера и формы с добавлением 2-4% порообразующего вещества (например, сухие стеарат цинка или поливиниловый спирт).

При совместном размоле некондиционных таблеток диоксида урана и порообразующего вещества происходит плакирование измельченных частичек диоксида урана порообразующим веществом, что предотвращает окисление диоксида урана.

Полученный в результате такого размола порошок диоксида урана представляет собой порошок требуемой дисперсности, что легко задается режимами работы мельницы и подбором соответствующих мелющих тел, покрытый тонкой пленкой порообразующего вещества.

В данном случае порообразующее вещество предотвращает окисление двуокиси урана, UO₂, при размоле и одновременно служит порообразователем при получении топливных таблеток.

Полученный порошок смешивают с порошком диоксида урана, полученным по АДУ-процессу в количестве, определяемом требованиями по плотности и структуре к спеченным таблеткам, из смеси готовят пресс-порошок, из которого прессуют таблетки.

При соответствующем подборе дисперсности измельченного брака таблеток диоксида урана и количества порообразующего вещества можно получать топливные таблетки с высокими эксплуатационными характеристиками только из размолотых согласно данному способу некондиционных бракованных таблеток.

Примеры конкретного выполнения заявляемого способа приведены в таблице.

Как видно из приведенных в таблице данных, добавление 5 и 10% описанного выше порошка приводит примерно к 30%-ному повышению плотности сырой таблетки, а следовательно, к значительному уменьшению усадки и почти полному исчезновению линз, возникающих за счет неоднородного распределения плотности по сырой таблетке. Результатом является уменьшение требуемой обработки шлифованием и сокращение количества шлифотходов и вызываемых шлифованием дефектов.

Повышается плотность спеченных таблеток и практически исчезает открытая пористость.

Полностью, начиная с 10% добавки, исчезает кольцевая пора. Резко сокращается максимальный диаметр поры в плоскости шлифа.

Таким образом при использовании данного способа происходит значительное повышение качества спеченных топливных таблеток при одновременной утилизации брака некондиционных таблеток.

Предлагаемый способ позволяет получать таблетки повышенного качества с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно:

- с регулируемой плотностью в диапазоне 10,4-10,7 г/см³;

- с открытой пористостью менее 0,1%;

- с однородной микроструктурой (узкое распределение по размерам пор и зерен);

- с максимальным размером поры в плоскости шлифа на уровне 50 мкм;

- с отсутствием кольцевой поры независимо от свойств штатного порошка UO₂.

Кроме того, предлагаемый способ значительно снижает количество шлифотходов и процент брака, возникающий на стадии шлифования, а также позволяет всего в одну стадию перерабатывать бракованные таблетки UO₂ в керамический порошок, годный к формованию и спеканию качественных таблеток либо к использованию в качестве добавки к штатному порошку диоксида урана, повышая тем самым технико-экономические показатели производства топливных таблеток для тепловыделяющих элементов из диоксида урана.

Необходимо сгруппировать достигаемые положительные эффекты:

1. Технологические:

- увеличение плотности "сырой" таблетки до плотности 6-6,4 г/см³ ведет к

- уменьшению усадки;

- искривлению таблетки при спекании;

- уменьшению количества отходов за счет припуска;

- уменьшению количества сколов за счет уменьшения нагрузки на таблетку при шлифовании;

все перечисленное позволяет увеличить выход в годное из порошка диоксида урана керамического сорта.

2. Эксплуатационные:

- зерно 15 мкм позволяет повысить радиационно-термическую стабильность в реакторе;

- поры размером 4-6 мкм максимально до 50 мкм улучшают удерживающую способность газов, при высоких выгораниях.