Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ПОРИСТОГО ДИОКСИДА УРАНА

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для получения таблеток диоксида урана топливных сердечников высокотемпературных вентилируемых тепловыделяющих элементов (ТВЭЛОВ) преимущественно термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТРП) встроенного варианта.

Ресурс ТРП существенно зависит от характеристик микроструктуры топливных сердечников ТВЭЛОВ из диоксида урана, которая быстро относительно ресурса преобразователя формируется в начальный период эксплуатации ядерной энергетической установки (≤300 часов).

При использовании типичного диоксида урана в виде таблеток с равноосной структурой в топливном сердечнике ТВЭЛА ТРП формируется устойчивая микроструктура в виде радиально ориентированных столбчатых зерен с максимальной шириной (поперечным размером) 300-400 мкм. Это обстоятельство приводит к появлению локальных зон в топливном сердечнике ТВЭЛА с низкой ползучестью, что может привести к повреждению оболочки из-за распухающего топлива [Гонтарь А.С., Гриднев А.А., Ракитская Е.М. и др. «Оптимизация структуры диоксида урана применительно к твэлу термоэмиссионного реактора-преобразователя». Атомная энергия, 2005, т. 99, вып. 4, с. 264-268].

Известен способ получения таблеток ядерного топлива на основе диоксида урана, включающий приготовление шихты из исходного сырья, прессование и спекание заготовок [см. Котельников Р.Б., Башлыков С.Н., Каштанов А.И., Мельникова Т.С. «Высокотемпературное ядерное топливо», М.: Атомиздат, 1978, 432 с.].

Данный способ позволяет получать таблетки из исходного порошка диоксида урана плотностью 84-93% от теоретического значения плотности. При использовании в качестве исходного сырья гранулы или микросферы плотность таблеток достигала 95% от теоретического значения плотности. При этом преимущественный спектр пор составляли поры размером 3-5 мкм. Поэтому известный способ не отвечает требованиям по спектру пор для таблеток диоксида урана, необходимого для формирования оптимальной структуры в топливном сердечнике ТВЭЛА ТРП.

Известен также способ получения таблеток из диоксида урана для тепловыделяющих реакторов АЭС [Патент РФ №2253913, МПК G21C 3/62 «Способ получения топливных таблеток для тепловыделяющих элементов из диоксида урана (варианты) Н.З. Ляхов, Г.Р. Карагедов и др. заявл. 23.05.2003 г.].

Этот способ, включающий приготовление шихты (пресс-порошка) из диоксида урана керамического сорта, прессование и спекание таблеток при температуре ≤1900°C, является по технической сущности наиболее близким к предлагаемому и выбран в качестве прототипа. В шихту, формируемую из измельченных частиц бракованных готовых таблеток, добавляют 2-4% масс летучего порообразущего вещества.

Недостатком способа является то, что возможность формирования в таблетках диоксида урана требуемого спектра пор 70-200 мкм исключается из-за характерного для прототипа преобладающего спектра пор малого размера (3-5 мкм) и величины пористости ≤5% масс. Поры с поперечным размером 5-10 мкм не позволяют эффективно удалять продукты деления из топлива в период эксплуатации ТРП, что приводит к распуханию сердечников ТВЭЛОВ в реакторе.

В обеспечение формирования аналога открытой предельной радиальной пористости при которой распухание сердечников минимально перед авторами стояла задача получения таблеток диоксида урана с преимущественным размером пор 70-200 мкм при уровне общей пористости 10-20%.

Диапазон гранулометрического состава порообразующего летучего вещества и его процентного содержания выбран на основе результатов исследовательской работы, показавшей, что поры величиной 70-200 мкм способны формировать аналог открытой предельной радиальной пористости. Таким образом, обеспечивается минимальное распухание сердечников ТВЭЛОВ в реакторе. Для предлагаемых сердечников не требуется прочной оболочки.

Для решения поставленной задачи разработан экономичный одностадийный технологичный способ получения таблетированного пористого диоксида урана топливных сердечников высокотемпературных вентилируемых тепловыделяющих элементов термоэмиссионных реакторов-преобразователей встроенного варианта, включающий приготовление шихты из исходного порошка диоксида урана с добавлением связки и летучего порообразующего вещества, прессование и спекание таблеток, причем летучее порообразующее вещество добавляют в виде смеси гранул с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 10-20% от массы порошка диоксида урана, а спекание таблеток осуществляют в высокотемпературной вакуумной печи при температуре спекания 1900±20°C, при давлении остаточной среды 5⋅10^-5 мм. рт.ст. в течение четырех часов.

Предпочтительно, в качестве летучего порообразующего вещества используют парафин или стеарат цинка.

Как следует из изложенного выше, сущность изобретения заключается в том, что добавление летучего порообразующего вещества в виде смеси гранул с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 10-20% от массы порошка диоксида урана позволяет в одну стадию получить таблетки диоксида урана с преимущественным размером пор 70-200 мкм за счет испарения летучего порообразующего вещества и его удаления на стадии спекания прессованных таблеток диоксида урана. Фракционный размер летучего порообразующего вещества и его процентное содержание определены по результатам проведенных авторами тестовых экспериментов с различным гранулометрическим составом летучего порообразующего вещества и его процентным содержанием в шихте с учетом объемной усадки таблетки при спекании. Поры 70-200 мкм позволяют формировать в сердечниках ТВЭЛОВ аналог предельной открытой радиальной пористости при которой распухание сердечников минимально (~0,3% об / % ат).

На фиг. 1 приведена фотография типичной микроструктуры готовых таблеток диоксида урана.

На фиг. 2 приведена фотография типичной микроструктуры таблеток диоксида урана после испытаний в поле градиента температуры применительно к температурным условиям работы высокотемпературного ТВЭЛА ТРП.

Пример конкретного осуществления.

Пример 1

Из парафина формировали гранулы с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм. Для приготовления шихты, к исходному порошку диоксида урана последовательно добавляли смесь гранул парафина с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 10% от массы порошка диоксида урана и связку. Далее перемешивали до однородного состава шихты. В качестве связки использовали смесь этанола с глицерином в соотношении объемов 3:1 в количестве 4% от массы порошка диоксида урана.

Таблетки прессовали, а после осуществляли спекание таблеток в высокотемпературной вакуумной печи при температуре спекания 1900±20°C при давлении остаточной среды 5⋅10^-5 мм. рт.ст. (6,76⋅10^-3 Па) в течение четырех часов. Затем охлаждали печь.

На фиг. 3 представлена фотография микроструктуры готовых таблеток с размером пор от 70 до 200 мкм.

Пример 2

Из стеарата цинка формировали гранулы с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм. Для приготовления шихты, к исходному порошку диоксида урана последовательно добавляли смесь гранул стеарата цинка с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 15% от массы порошка диоксида урана и связку. Далее перемешивали до однородного состава шихты. В качестве связки использовали смесь этанола с глицерином в соотношении 3:1 в количестве 5% от массы порошка диоксида урана.

Таблетки прессовали, а после осуществляли спекание таблеток в высокотемпературной вакуумной печи при температуре спекания 1900±20°C при давлении остаточной среды 5⋅10^-5 мм рт.ст. (6,76⋅10^-3 Па) в течение четырех часов. Затем охлаждали печь.

Таблетки, изготовленные в соответствии с заявленным изобретением, имели следующие характеристики:

- геометрические характеристики: наружный диаметр 17,1 мм; внутренний диаметр 8,0 мм; высота 8,4 мм;

- плотность матрицы: 80-90% от теоретической плотности;

- общая пористость: 10-20%;

- размер пор: 70-200 мкм.

Следовательно, проведенные исследования показывают, что в таблетках диоксида урана, изготовленных в соответствии с данным изобретением, обеспечивается формирование микроструктуры с размером пор 70-200 мкм при общей пористости 10-20%. Это позволяет формировать в сердечниках ТВЭЛОВ аналог предельной открытой радиальной пористости. Вследствие этого, достигается минимальное распухание сердечников ТВЭЛОВ в реакторе, минимизируется нагрузка на оболочку, что позволяет использовать менее прочные и более дешевые оболочки. Разработанный способ получения таблетированного диоксида урана значительно сокращает время получения таблетированного диоксида урана относительно способа получения типичного таблетированного диоксида урана с равноосной структурой, т.к. является одностадийным, следовательно, более экономичным.