СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ТАБЛЕТОК Российский патент 2000 года по МПК G21C3/62 

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в процессе производства керамического ядерного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Известен способ приготовления спеченных таблеток двуокиси урана с плотностью 85 - 95% теоретической. Порошок UO₂ с соотношением O/U=2,00 - 2,25 и размером частиц не более 10 мкм смешивают с порошком U₃O₈ с размерами частиц 20 - 1000 мкм, прессуют и спекают [1].

Недостатком данного способа является снижение механической прочности спеченных таблеток за счет появления в их структуре на месте частиц U₃O₈ после спекания пористых участков по форме, напоминающих частицы U₃O₈ неправильной формы с остроугольными краями, являющимися зародышами трещин. Данные трещины существенно снижают прочность таблеток, как на этапе изготовления тепловыделяющих элементов, так и при работе реактора.

Известен способ, по которому изготовление оксидного ядерного топлива с соотношением O/U=2,00±2,02 осуществляют путем смешивания топливного порошка с усилителем роста зерен таким, как порошок U₃O₈, для регулирования микроструктуры. Смесь прессуют и спекают в окислительной среде с последующей обработкой в восстановительной атмосфере [2].

Недостатком данного способа является так же, как и в способе [1], снижение механической прочности спеченных таблеток и, кроме того, сложность процесса спекания.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является выбранный за прототип способ получения ядерного топлива на основе UO₂. По этому способу из смеси, в состав которой кроме порошка UO₂ входит 5 - 40% порошка U₃O₈ с размером частиц < 350 мкм, прессуют на холоду таблетки, которые затем спекают при температуре 1500 - 1800^oC в восстановительной атмосфере или при 1200 - 1300^oC - в окислительной. При этом порошок U₃O₈ получают путем окисления на воздухе UO₂ при температуре 250 - 350^oC [3].

Недостатками данного способа являются так же, как и в способе [1], снижение механической прочности спеченных таблеток и, кроме того, неоднородность по химическому составу мелких и крупных частиц U₃O₈ даже при окислении на максимальной в данном способе температуре 350^oC, сложность получения в спеченных таблетках на месте частиц U₃O₈ пористых участков заданных размеров и формы.

Как известно, в процессе производства топливных таблеток, важными задачами являются получение таблеток с заданной плотностью и микроструктурой. Решения этих задач, в частности, добиваются активацией процесса спекания и введения различного рода добавок.

Одним из способов активации процесса спекания является введение в спекаемые таблетки сверхстехиометрического кислорода, обладающего большой скоростью диффузии, например, в виде окислов титана, ниобия, алюминия, кальция и др. [4]. При этом наряду с уменьшением температуры спекания и увеличением размеров зерна в спеченных таблетках, увеличивается так же и содержание неметаллических примесей титана, ниобия, алюминия, кальция и др. Поэтому ряд производителей ядерного топлива из UO₂ в качестве носителя избыточного кислорода используют U₃O₈ [5].

Для регулирования пористости спеченных таблеток в состав исходной шихты вводят различного рода порообразователи, например, бикарбонат аммония, полиэтиленгликоль, поливиниловый спирт и т.д. [6, 7].

Существенным недостатком при использовании вышеуказанных летучих порообразователей является увеличение в спеченных таблетках открытой пористости и дефектности структуры. Использование U₃O₈ в качестве порообразователя эти недостатки устраняет.

Однако сложившаяся на данный момент времени практика использования при производстве топливных таблеток добавки U₃O₈ имеет и неустраненные до сих пор недостатки.

Основным недостатком является снижение механической прочности спеченных таблеток за счет появления на месте добавляемых бесформенных частиц U₃O₈ таких же бесформенных пористых участков с зародышами трещин.

Кроме того, имеющаяся неоднородность по химическому составу одновременно добавляемых частиц U₃O₈ различного размера приводит к различной их усадке при спекании и, как следствие, появлению внутренних напряжений в таблетке, негативно влияющих на ее поведение в процессе работы реактора.

Так же до сих пор практически не решена задача регулирования размеров и формы пористых участков при использовании в качестве порообразователя порошка U₃O₈.

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, к увеличению термомеханического взаимодействия топлива с оболочкой, к увеличению выхода под оболочку тепловыделяющего элемента опасных с точки зрения коррозии оболочки газообразных продуктов деления. Все это в конечном счете снижает уровень безопасности и экономичности работы реактора [8].

Задачей изобретения является разработка способа получения из UO₂ топливных таблеток повышенного качества с улучшенными эксплуатационными характеристиками, в частности, высокопрочных, с регулируемыми значениями общей пористости, распределением пор по размерам, формой пор, с повышенной стойкостью к растрескиванию в процессе работы реактора.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения топливных таблеток, включающем приготовление пресс-порошка из смеси UO₂ и изготовленной из UO₂ путем окисления на воздухе U₃O₈, прессование и спекание:
в процессе приготовления пресс-порошка к порошку UO₂ добавляют специально изготавливаемые из однородного по химическому составу порошка U₃O₈ агломераты с размерами, регулируемыми режимами изготовления;
агломерируемый однородный по химическому составу порошок U₃O₈ получают путем окисления на воздухе отходов UO₂ в виде частиц с размерами, определяемыми режимами последовательного механического дробления отходов.

Проведенный сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом выявил следующие существенные отличительные признаки.

Добавление в процессе приготовления пресс-порошка к порошку UO₂ специально изготавливаемых из однородного по химическому составу порошка U₃O₈ агломератов, размеры которых регулируют режимами их изготовления.

Получение однородного по химическому составу порошка U₃O₈ из отходов UO₂ в виде частиц с регулируемыми размерами.

Регулирование размеров частиц отходов осуществляется методом последовательного механического дробления отходов.

Таким образом, изобретение удовлетворяет критерию патентоспособности "новизна".

По сравнению с известными аналогами, включая и прототип, в предложенном техническом решении вышеперечисленные существенные отличительные признаки обеспечивают достижение нового технического результата:
получение в спеченной таблетке равномерно распределенных по объему дискретных участков со сферической формой пор, идентичных форме агломератов U₃O₈;
получение спеченных таблеток с регулируемыми значениями общей пористости;
получение спеченных таблеток с требуемым распределением пор по размерам;
исключение из микроструктуры таблеток участков с внутренними напряжениями и зародышами трещин;
получение таблеток с повышенной прочностью;
получение таблеток с низкими значениями "доспекаемости" и газовыделения;
получение таблеток с повышенной стойкостью к растрескиванию в процессе работы реактора;
получение однородной по химическому составу и физическим характеристикам U₃O₈;
использование (утилизация) отходов (бракованные таблетки, лом таблеток, шлифпыль) в производстве таблеток с повышением технико-экономических показателей производства.

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

Осуществление способа.

Отходы производства топливных таблеток из UO₂ (бракованные по внешнему виду, плотности, геометрии таблетки, лом таблеток, отходы после шлифования) после классификации по обогащению измельчают в два этапа до получения частиц UO₂ в требуемом узком диапазоне размеров. В частности, на первом этапе измельчение проводят на щековой дробилке марки "Пульверизетте-1" при установленной опытным путем оптимальной ширине щели 3 - 6 мм, далее на втором этапе - на дисковой мельнице "Пульверизетте-13" при установленной опытным путем ширине щели 0,3 - 0,4 мм.

Отходы после второго этапа измельчения направляют на сжигание (окисление), например, в толкательную печь.

Режимы сжигания (окисления):
температура - 350 - 400^oC;
период проталкивания лодочек в печи - 20 мин;
высота слоя засыпки оборотов в лодочку - 15 мм.

После окисления полученную U₃O₈, однородную по химическому составу и полностью удовлетворяющую требованиям 52.000-13ТУ, направляют на рассев на вибросито. После рассева на вибросите необходимую в каждом конкретном случае фракцию подают в смеситель-гранулятор, где получают гомогенизированные требуемого размера агломераты.

Полученные агломераты в количестве, определяемом требованиями по плотности и структуре к спеченным таблеткам, известными способами смешивают с порошком UO₂, из смеси готовят пресс-порошок, из которого прессуют таблетки.

Прессованные таблетки спекают в водороде при температуре 1700+20^oC.

После спекания получают таблетки с "доспекаемостью" по диаметру не более 0.3%, с плотностью и микроструктурой (размером зерна, общей пористостью, распределением пор по размерам), определяемыми количеством и размером добавляемых к порошку UO₂ агломератов U₃O₈. При этом форма пор близка к сферической, нет пор неправильной формы с остроугольными краями, характерными для структуры таблеток, при изготовлении которых в качестве добавок используют порошок U₃O₈. Механическая прочность на сжатие таблеток, изготовленных с добавками U₃O₈ в виде агломератов, в среднем на 10 - 15 кг/мм² выше, чем таблеток, изготовленных с таким же количеством добавок U₃O₈ в виде порошка.

Анализ результатов получения топливных таблеток по способу, существенными отличительными признаками которого являются:
добавление в процессе приготовления пресс-порошка к порошку UO₂ специально изготавливаемых из однородного по химическому составу порошка U₃O₈ агломератов, размеры которых регулируют режимами их изготовления;
получение однородного по химическому составу порошка U₃O₈ из отходов UO₂ в виде частиц с регулируемыми размерами;
регулирование размеров частиц отходов осуществляется методом последовательного механического дробления отходов;
показывает, что предлагаемый способ позволяет получать таблетки повышенного качества с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно:
с механической прочностью на сжатие, большей в среднем на 10 - 15 кг/мм², чем у таблеток, изготовленных с таким же количеством добавок U₃O₈ в виде порошка;
с "доспекаемостью" по диаметру не более 0.3%;
с прогнозируемыми по характеру микроструктуры, по высокой механической прочности и низкой "доспекаемости", повышенной стойкостью к растрескиванию и низким газовыделением в процессе работы реактора;
с регулируемыми значениями общей пористости и плотности, распределением пор по размерам и формой пор, близкой к сферической.

Кроме того, способ позволяет перерабатывать отходы производства топливных таблеток из UO₂ в виде бракованных таблеток и отходов после шлифования в однородную по химическому составу и физическим характеристикам U₃O₈, повышая тем самым технико-экономические показатели производства таблеток.

На дату подачи заявки "Способ получения топливных таблеток" используется на ОАО "Машиностроительный завод" в производстве штатной продукции, а производительность комплекса оборудования по получению высококачественной U₃O₈ составляет 210 - 250 кг/сутки.

Источники информации
1. "Способ приготовления спеченных таблеток двуокиси урана плотностью 85 - 95% теор. ", патент Великобритании N 1446067, кл. G 21 C 3/62 (C 01 G 43/02), заявл. 17.10.73 г, опубл. 11.08.76 г.

2. Европейский патент N 12915, кл. G 21 C 3/62, заявл. 10.12.79 г, опубл. 09.07.80 г.

3. "Получение ядерного горючего на основе оксида урана", заявка Франции, N 2599883, кл. G 21 C 3/62, заявл. 10.06.86 г, опубл. 11.12.87 г.

4. Murray P., Williams J., Proceedings of Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy. Vol. 6, United Nations, Geneva, 1958, p. 538.

5. Assman H. Et al. Control of UO₂ microstructure by oxidative sintering. J. of Nucl. Mater., 1986, v. 140, N 1, p. 1.

6. Honda Yutaka, Kashima Sadamitzu, Takanobu Osamu, Koizumi Masumichi. Fabrication tests of lone density nuclear fuel pellets. "Amer. Ceram. Soc. Bull.", 1981, 60, N 12, 1296-1299.

7. Патент Бельгии N 888276, кл. G 21 C 21/00, заявл. 08.04.81 г, опубл. 05.10.81 г.

8. И.Х. Ганев "Физика и расчет реактора". -М.: Энергоатомиздат, 1992 г.

Использование: при производстве керамического ядерного топлива для получения высококачественных топливных таблеток с повышенной стойкостью к растрескиванию в процессе работы реактора. Сущность изобретения: при приготовлении пресс-порошка к порошку UO₂ добавляют агломераты, изготовленные из однородного по химическому составу порошка U₃O₈, получаемого путем окисления на воздухе отходов производства топливных таблеток: бракованные по внешнему виду, плотности, геометрии, лом, отходы после шлифования.

Способ получения топливных таблеток, включающий приготовление пресс-порошка из смеси UO₂ и изготовленной из UO₂ путем окисления на воздухе U₃O₈, прессование и спекание, отличающийся тем, что в процессе приготовления пресс-порошка к порошку UO₂ добавляют изготавливаемые из однородного по химсоставу порошка U₃O₈ гомогенизированные агломераты требуемого размера, получаемые путем обработки в смесителе-грануляторе определенной фракции U₃O₈ после рассева U₃O₈ на вибросите, причем агломерируемый однородный по химическому составу порошок U₃O₈ получают путем окисления на воздухе при 350 - 400^oC отходов UO₂ в виде частиц с размерами, определяемыми режимами последовательного механического дробления отходов, но не более 400 мкм.