СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТОК ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2001 года по МПК G21C3/64 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к технологии изготовления таблеток ядерного топлива для тепловыделяющих элементов из оксидов урана или смесей оксидов урана и оксида плутония, особенно при использовании в качестве исходного сырья порошков регенерированного ядерного топлива.

Уровень техники
Процесс изготовления таблеток ядерного топлива заключается в формовании порошков оксидов урана или смесей оксидов урана и оксида плутония 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 и плутония, изготовленные по различным технологическим схемам, необходимыми свойствами не обладают. Поэтому исходные порошки диоксидов урана или смесей диоксидов урана и диоксида плутония подвергают предварительному интенсивному 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, в частности без использования жидких добавок - пластификаторов, т.е. реализуют так называемый "сухой" метод изготовления таблеток ядерного топлива.

"Сухие" методы прессования таблеток ядерного топлива обеспечивают высокую однородность свойств пресс-порошка по объему и сохранение этих свойств во времени, упрощают процесс спекания и имеют повышенную ядерную безопасность. Но низкая механическая прочность сырых таблеток требует дополнительных затрат на сохранение их целостности до спекания, снижает выход годных таблеток.

Известен способ изготовления таблеток ядерного топлива, включающий измельчение исходного сырья диоксида урана или смеси диоксида урана и диоксида плутония с последующей прокаткой валками для повышения текучести (GB 2320800, G 21 C 3/62, 1997). После прессования, несмотря ни удовлетворительную текучесть порошка, механическая прочность сырых таблеток вследствие анизотропности свойств получаемых гранул после прокатки валками остается низкой. Прессование таких порошков известными способами при усилии порядка 3 т/см² приводит к отслаиванию одного из торцов прессовки и к другим видам нарушения целостности сырой таблетки (трещины, сколы).

Известен также "сухой" способ изготовления таблеток ядерного топлива, включающий термическую деактивацию порошка ядерного топлива перед заключительным прессованием, что уменьшает усадку во время спекания (US 3692887, G 21 C 3/62, 1972). Данный способ также предполагает значительные усилия (от 3 до 4 т/см²) прессования, оказывающие существенное влияние на качество получаемого топлива.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является способ изготовления таблеток ядерного топлива, включающий измельчение исходных порошков ядерного топлива мелющими телами, прессование и спекание (EP 0277708, G 21 C 3/62, 1988). Известный способ также предполагает прокатку валками с известными негативными последствиями и прессование с усилиями от 2,36 до 6,3 т/см². Причем плотность ядерного топлива, получаемого после прессования, пропорционально зависит от усилия прессования.

Таким образом, все вышеуказанные способы "сухого" изготовления таблеток ядерного топлива не обеспечивают достаточной механической прочности сырых таблеток вследствие неизотропности структуры ядерного топлива после прессования. Процесс уплотнения прессовок из диоксидов ядерных материалов при их спекании заключается в уменьшении объема пористости. Общий объем пористости в прессовке представляет собой равномерно распределенные пустоты различной формы с размерами менее 500 мкм. По существующей в настоящее время теории спекания зарастанию и исчезновению подвержены поры величиной менее 2 мкм. Более крупные поры при спекании практически не меняют своего объема. Поскольку объем таблетки при спекании уменьшается ориентировочно на 44%, то можно предположить, что доля пор с размерами менее 2 мкм составляет 44% при общем объеме пористости около 45,2%. Отсюда следует, что доля остальных более крупных пор составляет порядка 1,2%. Поры крупнее 2 мкм практически не исчезают при спекании, а схлопывание их достигается за счет повышения усилия прессования (до 10 т/см²).

Поэтому известные способы "сухого" изготовления таблеток характеризуются значительными величинами усилий прессования, что требует высоких энергозатрат, обеспечивают недостаточно однородную структуру таблетки и ее низкую механическую прочность.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления таблеток ядерного топлива, обладающего большей технологичностью, меньшими энергозатратами и обеспечивающего снижение усилий прессования.

В результате решения данной задачи можно получить новые технические результаты, заключающиеся в том, что значительно повышается механическая прочность сырых таблеток, обеспечивается однородность свойств порошка делящегося материала при одновременном увеличении его текучести после измельчения.

Данные технические результаты достигаются тем, что в способе изготовления таблеток ядерного топлива, включающем измельчение исходных порошков ядерного топлива мелющими телами, прессование и спекание, измельчение исходных порошков ядерного топлива осуществляют при ускорении мелющих тел не менее 4,12 g, где g - ускорение свободного падения, а прессование осуществляют при давлении от 0,52 до 2,35 т/см².

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в следующем. Частицы порошка исходного сырья имеют фигурную форму. При измельчении исходного материала известными методами происходит разрушение частиц с фигурной формой на более мелкие фракции, которые имеют пористость изначальной частицы. Таким образом, существующая известная технология не предполагает изменения размеров и количества пор.

Неожиданно оказалось, что если обеспечить взаимодействие мелющих тел с измельчаемым ядерным топливом при ускорении мелющих тел не менее 4,12 g, где g - ускорение свободного падения, при истирании (измельчении) частиц делящегося материала происходит уменьшение количества пор, их размеров и более равномерное распределение пор в частице измельченного порошка, что повышает текучесть порошка. Экспериментально установлено, что при ускорении мелющих тел при их взаимодействии с измельчаемым порошком менее 4,12 g имеет место разрушение фигурных частиц, аналогичное процессам, происходящим в известных способах. Как показали эксперименты, верхний предел ускорения мелющих тел ограничен возможностями созданных мельниц. Для получения сырых таблеток с высокой механической прочностью и изотропной структурой существенным является диапазон давлений прессования, который составляет от 0,52 до 2,35 т/см². При усилии прессования с давлением менее 0,52 т/см² невозможно получить сырую таблетку с высокой механической прочностью, т.к. силы сцепления между частицами порошка малы. Если усилие прессования превышает 2,35 т/см², при прессовании нарушается равномерность распределения пор по объему таблетки вследствие дополнительного разрушения частиц с образованием скрапа, который снижает усилие сцепления между частицами порошка.

Следует также подчеркнуть, что описываемый способ предполагает перераспределение энергозатрат между операциями измельчения и прессования в сторону увеличения их доли на процессе измельчения. При этом суммарные энергозатраты снижаются, поскольку существенно снижается усилие прессования, при котором потери энергии нелинейно растут с повышением создаваемого давления. Потери энергии при измельчении увеличиваются практически пропорционально, т.е. по линейному закону в зависимости от повышения ускорения мелющих тел.

Кроме того, измельчение исходных порошков ядерного топлива проводят на планетарной и/или шаровой, и/или на тороидальной мельнице, а в качестве мелющих тел используют шары с диаметром не менее 9 мм.

Целесообразно также перед прессованием измельченный порошок ядерного топлива смешивать с (0,18 - 0,22) мас.% стеарата цинка, а спекание осуществлять в среде чистого водорода или в смеси водорода с аргоном или азотом при температуре от 1700 до 1750^oC в течение не менее 2 ч.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Реализация описываемого способа может быть проиллюстрирована возможностью получения качественных таблеток ядерного топлива из исходных порошков UO₂ и PuO₂ с параметрами, приведенными в таблице А в конце описания.

Для изучения возможностей улучшения экономических показателей в одну навеску исходного порошка UO₂ перед обработкой в планетарной мельнице было введено 15% U₃O₈ (закись-окись урана), а другая навеска приготавливалась без добавки U₃O₈. Для улучшения условий прессования в обе навески гранулята UO₂ добавлено 0,2% мас. сухой смазки - стеарата цинка.

Измельчение исходного сырья производилось в планетарной мельнице РМ-4 при соотношении массы шаров с размером от 9 до 20 мм к массе исходного порошка как 9:1 при различных скоростях вращения ротора (до 280 об/мин), а также в вибрационной тороидальной мельнице MB - 0,5, рабочие характеристики которой: частота - от 20 до 50 Гц, амплитуда колебаний - от 2 до 3 мм, масса мелющих тел - от 150 до 160 кг, объем камеры - 50 л, размер мелющих тел - не менее 9 мм.

Характеристики пресс-порошка, значения плотности сырых и спеченных таблеток ядерного топлива при различных режимах обработки приведены в таблице 1.

Высокоэнергетическое измельчение с ускорением мелющих тел не менее 4,12 g позволяет получать гранулы с изотропными свойствами, близкие к равноосной форме, не превышающие по размеру 200 мкм, обладающие высокой насыпной плотностью и хорошей текучестью. Причем приобретаемые порошком свойства обеспечивают хорошую прессуемость и высокую механическую прочность сырых таблеток.

Анализ результатов, приведенных в таблице 1, показал, что все сырые таблетки, изготовленные из UO₂ или из смеси UO₂ с PuO₂, как с добавлением смазки, так и без нее, включая таблетки с добавками U₃O₈, обладают высокой механической прочностью, достаточной для сохранения целостности таблеток при межоперационных транспортировках. Микроструктура спеченных таблеток отличается равномерным распределением пор с количественным содержанием пор размером менее 10 мкм более 90%. Средний размер зерна после спекания составил 10 мкм.

Таким образом, описываемый способ обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с известными в настоящее время "сухими" способами изготовления таблеток ядерного топлива в части приготовления пресс-порошка путем использования лишь одной операции (компактирования), в процессе выполнения которой порошок ядерного топлива приобретает необходимые для прессования свойства, обеспечивающие высокую механическую прочность прессовок.

Назначение: в ядерной технике, в частности при изготовлении таблеток ядерного топлива из оксидов урана или смесей оксидов урана и оксида плутония, особенно при использовании в качестве исходного сырья порошков регенерированного ядерного топлива. Способ включает измельчение исходных порошков ядерного топлива мелющими телами, прессование и спекание. Измельчение исходных порошков ядерного топлива осуществляют при ускорении мелющих тел не менее 4,12 g, где g - ускорение свободного падения. Прессование осуществляют при давлении 0,52 - 2,35 т/см². В результате значительно повышается механическая прочность сырых таблеток, обеспечивается изотропность структуры порошка делящегося материала. При этом происходит одновременное увеличение текучести порошка после измельчения. 4 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления таблеток ядерного топлива, включающий измельчение исходных порошков ядерного топлива мелющими телами, прессование и спекание, отличающийся тем, что измельчение исходных порошков ядерного топлива осуществляют при ускорении мелющих тел не менее 4,12 g, где g - ускорение свободного падения, а прессование осуществляют при давлении 0,52 - 2,35 т/см². 2. Способ изготовления таблеток ядерного топлива по п.1, отличающийся тем, что измельчение исходных порошков ядерного топлива проводят на планетарной, и/или шаровой, и/или на тороидальной мельнице. 3. Способ изготовления таблеток ядерного топлива по п.1, отличающийся тем, что в качестве мелющих тел используют шары с диаметром не менее 9 мм. 4. Способ изготовления таблеток ядерного топлива по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что перед прессованием измельченный порошок ядерного топлива смешивают с 0,18 - 0,22 мас.% стеарата цинка. 5. Способ изготовления таблеток ядерного топлива по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что спекание осуществляют в среде чистого водорода или в смеси водорода с аргоном или азотом при 1700 - 1750^oC в течение не менее 2 ч.