ДИСПЕРСИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2001 года по МПК G21C3/64 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к ядерному горючему и способам изготовления дисперсионных топливных сердечников ТВЭЛ методом порошковой металлургии.

Для изготовления металлокерамических сердечников ТВЭЛ используют оксиды урана и алюминиевый порошок.

Одно из основных требований к ТВЭЛ - равномерное распределение частиц топлива в материале матрицы и отсутствие взаимодействия между топливными частицами и материалом матрицы в процессе изготовления ТВЭЛ и его эксплуатации.

Известна дисперсионная система, содержащая крупку оксида урана в алюминиевой матрице (см. Займовский А.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М.: Атомиздат, 1966 г., стр. 387).

Исходные материалы - порошок обогащенной двуокиси урана с отношением O/U, равным 2, с размером частиц 44 - 105 мкм и алюминиевый порошок крупностью примерно 44 мкм.

Известна также дисперсионная система, содержащая крупку закиси-окиси урана U₃O₈ в алюминиевой матрице с отношением O/U, равным 2,67 (см. Самойлов А. Г. и др. Дисперсионные тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Атомиздат, 1965 г., стр. 25). Порошок U₃O₈ смешивался с порошком алюминия, полученная смесь подвергалась холодному прессованию с последующим спеканием. Из полученного спеченного брикета производится горячее прессование сердечника ТВЭЛ. Готовые ТВЭЛы подвергают рентгенографическому контролю равномерности распределения урана.

Недостатком данной дисперсионной системы и способа ее получения является невозможность получения однородной смеси порошков алюминия и оксидов урана, это связано с тем, что в процессе смешивания порошков и засыпки в форму для холодного прессования протекает процесс комкования шихты и образования окатышей.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототип) является дисперсионная система UO₂ в алюминиевом порошке, используемая для изготовления металлокерамических сердечников ТВЭЛ, в состав которой входят порошок UO₂ с размером частиц 75 - 150 мкм и соотношением O/U, равном 2, и алюминиевый порошок крупностью до 60 мкм. (см. Скоров Д.М. и др. Реакторное материаловедение. М.: Атомиздат, 1979 г., стр. 177).

Недостатком данной дисперсионной системы является образование окатышей при смешении, брак ТВЭЛ по неоднородности топливной смеси, а также взаимодействие UO и Al при температуре 600^oC, приводящее к потере пластичности матрицы и снижению эксплуатационной надежности ТВЭЛ.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эксплуатационной надежности за счет равномерности распределения компонентов в топливной композиции.

Поставленная техническая задача достигается тем, что порошок оксида урана используют с отношением O/U в диапазоне от 2,05 до 2,31, с долей фракции менее 40 мкм в порошке оксида урана, не превышающей 10 мас.%, а в алюминиевом порошке не более 3 мас.%, массовая доля алюминиевого порошка в диапазоне от 100 мкм до 250 мкм составляет не менее 40 - 60 мас.%, при этом объемная доля оксида урана в композиции составляет 20 - 40%.

Указанная совокупность признаков является новой и отвечает критерию новизны, так как использование в дисперсионной системе порошка оксида урана в алюминиевой матрице с долей фракции менее 40 мкм, не превышающей 10 мас.%, и алюминиевого порошка с долей фракции менее 40 мкм, не превышающей 3 мас.%, исключает образование в смеси скоплений оксида урана и алюминиевого порошка. Применение алюминиевого порошка с массовой долей фракции от 100 до 250 мкм 40 - 60 мас.% обеспечивает равномерность смешения оксида урана в топливной композиции, а использование оксида урана с отношением O/U в диапазоне 2,05 - 2,31 исключает взаимодействие между оксидом урана и алюминиевым порошком при высокотемпературных обработках в процессе изготовления.

Пример.

Исходную крупку оксида урана с отношением О/U, равном 2,20, и с содержанием фракции менее 40 мкм, равном 8 мас.%, смешивают с алюминиевым порошком, в котором содержание фракции менее 40 мкм равно 2,6 мас.%, а массовая доля порошка в диапазоне от 100 мкм до 250 мкм составляет 48,3 мас.%, в присутствии пластификатора. Объемная доля оксида урана составляет 27%.

Полученную смесь прессуют в брикеты, производят отгазовку, спекание в вакууме и горячее прессование трубной заготовки.

Контроль равномерности распределения урана в системе производят рентгенографическим методом и химическим анализом массовой доли урана в образцах, отобранных от трубной заготовки. Неравномерность распределения урана рассчитывается как относительное отклонение от среднего значения.

На рентгеновских пленках отсутствуют области пониженной и повышенной засветки, соответствующие локальным областям повышенной и пониженной концентрации урана.

Примеры получения дисперсионной топливной композиции приведены в таблице.

Предлагаемый состав дисперсионной системы и способ ее изготовления исключает конгломерацию шихты при смешении и повышает эксплуатационную надежность ТВЭЛ.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к ядерному горючему и способам изготовления дисперсионных топливных сердечников тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) методом порошковой металлургии. Сущность изобретения: дисперсионная система содержит порошок оксида урана в алюминиевой матрице. Используют порошок оксида урана с отношением O/U в диапазоне от 2,05 до 2,31, с долей фракции размером менее 40 мкм в порошке оксида урана, не превышающей 10 мас.%. Алюминиевый порошок содержит фракцию размером менее 40 мкм в количестве не более 3 мас.% и фракцию размером 100 - 250 мкм в количестве 40 - 60 мас.%. Объемная доля оксида урана в композиции составляет 20 - 40%. Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности ТВЕЛ за счет равномерности распределения компонентов топливной композиции. 1 табл.

Дисперсионная система, содержащая порошок оксида урана в алюминиевой матрице, отличающаяся тем, что используют порошок оксида урана с кислородным коэффициентом 2,05-2,31, содержащий фракцию размером менее 40 мкм в количестве не более 10 мас.%, используют порошок алюминия, содержащий фракцию размером менее 40 мкм в количестве не более 3 мас.% и фракцию размером 100-250 мкм в количестве 40-60 мас. %, причем объемная доля порошка оксида урана составляет 20-40%.