способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора

Формула изобретения

Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающий подготовку пресс-порошка диоксида урана UO₂, обогащенного ураном 235 до 1,6-5%, постадийное смешение с сухим связующим и с порошком закиси-окиси урана U₃O₈, прессование таблеток в матрице, термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование таблеток алмазным кругом, сушку и отбраковку таблеток, отличающийся тем, что в качестве сухого связующего используют пластификатор «ДИСЭД», представляющий собой N,N-бисстеариалэтилен-диамин С₃₈ Н₇₆N₂О₂ с размером частиц от 0,4 до 1,0 мм, при постадийном перемешивании пластификатора «ДИСЭД» с порошками диоксида и закиси-окиси урана добавляют предварительно смешанный с пластификатором «ДИСЭД» порошок порообразователя «ПОРОФОР», представляющий собой азидокарбонамид C ₂H₄N₄O₂ с размером частиц не более 20 мкм, при этом содержание пластификатора «ДИСЭД» в общем объеме пресс-порошка составляет 0,2-0,6 вес.%, а порообразователя «ПОРОФОР» 1 вес.%, равномерность распределения пластификатора «ДИСЭД» в пресс-порошке определяют взятием проб на содержание углерода, в качестве смазки при прессовании таблеток используют ранее введенный в пресс-порошок пластификатор «ДИСЭД», термическое удаление пластификатора «ДИСЭД» и порообразователя «ПОРОФОР» осуществляют в среде водорода в печи тоннельного типа выдержкой таблеток в течение 5,5 ч при увеличении температуры от 20 до 600°C, последующей выдержкой в течение 1 ч при увеличении температуры с 600 до 1200°C и окончательным разложением пластификатора в течение 3 ч при подъеме температуры от 1200 до 1750°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной промышленности и может найти применение при изготовлении таблетированного топлива из диоксида урана UO₂ для тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) ядерных реакторов.

Известно, что таблетки диоксида урана UO₂ являются одной из основных составляющих тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), в значительной степени определяющих их работоспособность, поэтому к ним предъявляются достаточно жесткие требования по многим показателям. Некоторые требования к таблеткам для ядерных реакторов различного типа и работающих в разных режимах отличаются друг от друга, но большинство основных требований являются общими. Получение в производственных условиях таблеток, полностью удовлетворяющих требованиям технических условий (ТУ), довольно непростая задача, поскольку их качество зависит от ряда факторов.

Качество таблеток диоксида урана характеризуется их микроструктурой: размером и формой зерна, количеством и крупностью пор. Эти показатели оказывают существенное влияние на работоспособность таблеток диоксида урана и, следовательно, ТВЭЛов. В частности, от микроструктуры зависит, какое количество газовых продуктов удерживается в топливе, а также характер взаимодействия топлива с оболочкой. По этим соображениям стремятся получать таблетки диоксида урана с крупным зерном и с равномерно распределенной пористостью с крупностью пор 2-3 мкм. Более мелкие поры (менее <0,5 мкм) способствуют значительному уплотнению таблетки диоксида урана, а более крупные (более 4 мкм) - распуханию (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1. Под ред. Ф.Г.Решетникова. М.: Энергоатомиздат. 1995 г.).

Известен способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку пресс-порошка диоксида урана UO₂, обогащенного ураном 235 до 2-5%, смешение с сухим связующим - стеаратом цинка [Zn(С ₁₇Н₃₅СОО)₂], с порошком оксида урана U₃O₈, прессование со смазкой в матрице, термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование алмазным кругом таблеток, сушку и отбраковку бракованных таблеток (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов, под ред. Ф.Г.Решетникова, М.: Энергоатомиздат, 1995 г. Книга 1, стр.66-68, 93-94, 94-95, 96-100, 101-102).

Операция смешения в известном способе включает смешение порошка диоксида урана UO₂ со связующим веществом - стеаратом цинка [Zn(С₁₇Н₃₅СОО)₂]. От равномерности смешения порошка диоксида урана UO₂ со связующим - стеаратом цинка [Zn(С₁₇Н₃₅СОО)₂ ] и от количества стеарата цинка в смеси порошка диоксида урана UO₂ зависит качество таблеток.

Количество связующего, в зависимости от способа подготовки пресс-порошка, составляет 4-10%. При недостатке связующего затрудняется прессование таблеток из-за увеличения трения как внутри самого порошка, так и между порошком и матрицей пресс-формы. Это приводит к уменьшению плотности прессованных таблеток. При этом увеличивается усилие выталкивания таблеток из пресс-формы, что может явиться причиной зарождения в таблетках таких дефектов, как трещины и сколы.

Увеличение связующего снижает плотность спрессованных таблеток из-за объема связующего. Большое количество связующего, испаряясь при нагревании таблеток, затрудняет их спекание и получение требуемой высокой плотности. Кроме того, вместе со связующим вводится значительное количество углерода, часть которого может оставаться в спеченных таблетках, ухудшая работоспособность ТВЭЛов (см. там же, стр.95). Именно оставшийся углерод приводит к распуханию таблеток, что не исключает разгерметизацию ТВЭЛа в ядерном реакторе. Те же самые дефекты таблеток вызовет и неравномерное распределение связующего в пресс-порошке при неравномерном смешении (см. там же, стр.95).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) является способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку пресс-порошка диоксида урана UO₂, обогащенного ураном 235 до 1,6-5%, смешение с сухим связующим - стеаратом цинка [Zn(C₁₇Н₃₅СОО)₂] и с порошком оксида U₃O₈, прессование со смазкой в матрице, термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование таблеток алмазным кругом, сушку и отработку бракованных таблеток, где смешение порошка диоксида урана UO₂ с сухим связующим - стеаратом цинка [Zn(C₁₇H₃₅COO)₂] осуществляет постадийно, где на первой стадии смешивают 5-10 частей от партии порошка диоксида урана UO₂, со всем количеством стеарата цинка, требуемым на партию, на второй стадии полученную смесь смешивают с 5-10 частями порошка диоксида урана UO₂ от партии, на третьей стадии полученную смесь смешивают с остальной частью порошка диоксида урана UO₂ и с оксидом урана U₃O₈, полученным после термического окисления воздухом брака таблеток из диоксида урана UO₂, в качестве смазки при прессовании таблеток используют стеарат цинка, ранее введенный в пресс-порошок, а термическое удаление связующего из отпрессованных таблеток осуществляют при 400-700°С (см. патент Российской Федерации № 2158030 по заявке 98120684 от 18.11.1998 г., опубл., 20.10.2000 г. «Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов», МПК⁷ G21C 3/62, 21/10).

Способ-прототип устраняет недостатки известных способов-аналогов путем постадийного смешения порошков UO₂, U₃ O₈ и стеарата цинка и получения при этом равномерно перемешанных порошков и обеспечивает спекание таблеток в среде водорода при 1750±50°С.

Недостатком данного способа является то, что при спекании таблеток в восстановительной среде в печи тоннельного типа стеарат цинка [Zn(C₁₇ H₃₅COO)₂] из таблеток возгоняется, цинк при этом оседает на внутренних стенках печи, уменьшается проходное сечение тоннеля до такой степени, что оно становится непроходимым для молибденовых лодочек с таблетками, поступающими на спекание, что вызывает заклинивание транспортного средства в тоннеле печи, деформацию молибденовых лодочек, остановку печи и необходимость очистки тоннеля от настылей цинка, которые приобретают керамические свойства и весьма трудно поддаются удалению. Печь тоннельного типа для высокотемпературного спекания таблеток должна работать в непрерывном цикле, и любая остановка и повторное включение снижают ресурс ее работы. При нормальной работе по техническому паспорту ресурс работы печи составляет 3-10 лет, а остановка и включение печи снижает ресурс работы печи в два раза, т.е. до 1,5-5 лет. Очистка печи от настылей требует ее разгерметизации и, естественно, представляет угрозу загрязнений воздушной среды радиоактивной пылью. Кроме того, возгоны цинка при разложении стеарата цинка оседают на нагревательных молибденовых элементах, вызывая их преждевременный выход из строя.

Присутствие цинка в восстановительной среде печи спекания таблеток оказывает негативное влияние на качество спеченных таблеток, на их теплопроводность, структуру, прочностные характеристики и др. (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, под редакцией Ф.Г.Решетникова, М.: Энергоатомиздат, 1995 г., стр.100).

Технической задачей изобретения является повышение выхода годных таблеток диоксида урана, повышение ресурса работы печи, нагревателей, молибденовых лодочек и улучшение условий труда.

Эта техническая задача решается благодаря тому, что в способе изготовления таблетированного топлива, включающем подготовку пресс-порошка диоксида урана UO₂ , обогащенного ураном 235 до 1,6-5%, постадийное смешение с сухим связующим и с порошком закиси-окиси урана U₃O ₈, прессование таблеток в матрице, термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование таблеток алмазным кругом, сушку и отбраковку таблеток, согласно изобретению в качестве сухого связующего используют пластификатор «ДИСЭД», представляющий собой N,N-бисстеариалэтилен-диамин C₃₈H₇₆N₂O₂ с размером частиц от 0,4 до 1,0 мм, при постадийном перемешивании пластификатора «ДИСЭД» с порошками диоксида и закиси-окиси урана добавляют предварительно смешанный с пластификатором «ДИСЭД» порошок порообразователя «ПОРОФОР», представляющий собой азидокарбонамид C₂H₄N₄ O₂ с размером частиц не более 20 мкм, при этом содержание пластификатора «ДИСЭД» в общем объеме пресс-порошка составляет 0,2-0,6% вес., а порообразователя «ПОРОФОР» - 1% вес., равномерность распределения пластификатора «ДИСЭД» в пресс-порошке определяют взятием проб на содержание углерода, в качестве смазки при прессовании таблеток используют ранее введенный в пресс-порошок пластификатор «ДИСЭД», термическое удаление пластификатора «ДИСЭД» и порообразователя «ПОРОФОР» осуществляют в среде водорода в печи тоннельного типа выдержкой таблеток в течение 5,5 часов при увеличении температуры от 20 до 600°С, последующей выдержкой в течение 1 часа при увеличении температуры с 600 до 1200°С и окончательным разложением пластификатора в течение 3 часов при подъеме температуры от 1200 до 1750°С.

Введение в пресс-порошок порообразователя «ПОРОФОР» и удаление его в процессе спекания таблеток позволит осуществить регулирование порообразования в таблетках и достичь оптимальной микроструктуры в процессе их спекания. Таблетки помещают в зону печи, нагретую до 225°С. «ПОРОФОР» плавится при температуре 190-205°С. Быстрый нагрев таблеток от комнатной температуры 20 до 225°С способствует быстрому удалению порообразователя и равномерному распределению пор. Дальнейшее и окончательное разложение продуктов плавления «ПОРОФОРа» происходит при температуре 250°С и выше. Для более равномерного распределения порообразователя по всему объему пресс-порошка его предварительно смешивают с пластификатором «ДИСЭД».

Количество связующего «ДИСЭД» в общем объеме пресс-порошка составляет 0,2-0,6% вес., что является оптимальным, так как увеличение связующего снижает плотность спрессованных таблеток, а количество связующего менее 0,2% вес. ухудшает собственно процесс прессования.

Темп нагрева таблеток от 225 до 600°С в течение 5,5 часов обусловлен тем, что теплопроводность таблеток низкая и для полного их прогрева требуется время. Постепенное удаление связующего способствует сохранению целостности таблетки. На этом этапе происходит плавление пластификатора и его испарение. Термическое разложение пластификатора «ДИСЭД» и удаление углеродного остатка происходит на следующих этапах нагрева, а именно - при повышении температуры с 600 до 1200°С в течение часа и последующем подъеме температуры до 1750°С в течение трех часов. На этом этапе нагрева разлагается закись-окись урана с выделением кислорода, который способствует дожиганию углерода, оставшегося при разложении пластификатора. Темп нагрева таблеток в печи тоннельного типа установлен экспериментально.

Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов осуществляют следующим образом.

Диоксид урана UO₂, обогащенный ураном 235, смешивают с сухим связующим - пластификатором «ДИСЭД», представляющим собой N,N-бисстеариалэтилен-диамин С₃₈Н₇₆ N₂O₂, полученный путем взаимодействия стеариновой кислоты и этилендиамина

с размером частиц от 0,4 до 1,0 мм. Смешение диоксида урана с закисью-окисью урана и пластификатором проводят постадийно в смесителе. Порошок порообразователя «ПОРОФОР» C₂H₄N₄O₂ со структурной формулой

с размером частиц не более 20 мкм смешивают с пластификатором «ДИСЭД» и добавляют в пресс-порошок, при этом содержание пластификатора «ДИСЭД» в общем объеме пресс-порошка составляет 0,2-0,6% вес., а порообразователя «ПОРОФОР» C₂H₄N₄O ₂ - 1% вес.

Затем определяют равномерность распределения пластификатора «ДИСЭД» в пресс-порошке взятием проб на содержание углерода. Разница значений содержания углерода в пробах должна быть не более 0,04% вес. При осуществлении способа значения концентрации углерода в пробах, взятых в трех точках, составляет 0,18-0,20% вес. Разница же значений не более 0,02% вес.

После всех стадий смешения в инертной газовой среде проводят прессование таблеток в матрице. В качестве смазки используется ранее введенный в пресс-порошок пластификатор «ДИСЭД».

Отпрессованные таблетки загружают в лодочки и помещают в печь тоннельного типа для удаления связующего и спекания сырых таблеток. Таблетки помещают в зону печи, разогретую до 225°С, и, продолжая перемещать их вдоль печи, нагревают до 600°С в течение 5,5 часов. Затем таблетки нагревают до 1200°С в течение одного часа и последующее повышение температуры до 1750°С проводят в течение трех часов, перемещая таблетки с помощью транспортного средства в зону спекания таблеток. Спекание проводят при температуре 1750±50°С в среде водорода. После спекания таблетки охлаждают в последующей зоне печи.

Спеченные таблетки подвергают мокрой шлифовке алмазным кругом, после чего их сушат и отправляют на разбраковку.

Остаточное содержание углерода после спекания таблеток составляет менее 0,01% вес.

По техническим условиям на топливные таблетки ТУ 951823-2001Е плотность таблеток должна составлять 10,4-10,7 г/см³. С применением пластификатора «ДИСЭД» показатели плотности более стабильные и находятся в узком интервале 10,50-10,65 г/см³.

Предложенный способ позволяет повысить выход годных таблеток за счет высокой стабильности размеров таблеток с равномерным распределением в них пор, а исключение из состава пластификатора - стеарата цинка, в свою очередь, исключит образование настылей и аварийную остановку печи для их удаления, что, соответственно, повысит ресурс работы печи, нагревателей, молибденовых лодочек и улучшит условия труда персонала за счет исключения загрязнения рабочей зоны радиоактивной пылью при остановках, при вскрытиях и разгерметизации печи.