СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВОГО СЕРДЕЧНИКА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2002 года по МПК G21C3/02 G21C21/02 

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ядерной энергетике и касается технологии изготовления стержневых сердечников ядерного топлива дисперсионного типа, состоящих из крупки оксида урана, равномерно распределенной в алюминиевой матрице.

Уровень техники
Активные зоны некоторых канальных уран-графитовых реакторов сформированы из тепловыделяющих сборок, содержащих тепловыделяющие элементы, в которых топливный столб образован блочками с ядерным топливом. Блочок представляет собой стержневой сердечник ядерного топлива, с плотно облегающей его алюминиевой оболочкой. Геометрические размеры таких сердечников предполагают превышение его длины L по сравнению с диаметром D, в частности в 3 раза. Поэтому изготовление относительно протяженных стержневых сердечников в отличие от технологии получения топливных таблеток, имеющих, как правило, сопоставимые величины L и D, представляет известную трудность.

Известен способ изготовления удлиненных цилиндрических сердечников из двуокиси урана, включающий предварительное получение прессованием коротких элементов (GB 1063598, G 21 С 3/62, 1967). Короткие элементы из ядерного топлива (таблетки) собирают в стержень, который помещают в индукционную катушку. Величину электрического тока и его частоту в индукционной катушке выбирают такими, чтобы ток, возбуждаемый в стержне, вызывал плавление лишь центральной части материала стержня. Затем стержень направляют в зону охлаждения, в которой короткие элементы спаиваются между собой в монолитный стержень, а ядерное топливо уплотняется.

Способ позволяет получать достаточно протяженные сердечники ядерного топлива. Однако структура топлива по его длине неоднородна вследствие наличия зон сплавления исходных коротких элементов.

Другой разновидностью изготовления стержневых сердечников ядерного топлива из составных частей является способ, заключающийся в том, что предварительно формуют таблетки ядерного топлива из смеси порошкообразного топлива и связующей присадки, которые далее спекают (GB 1397014, G 21 C 3/62, 1975).

Получаемые таким образом сердечники могут быть сплошными цилиндрическими или кольцевыми. Соединение таблеток в единый элемент путем спекания снижает однородность состава топлива в местах сопряжения таблеток. Тем не менее, предварительное изготовление прессованием таблеток ядерного топлива существенно усложняет способ и увеличивает энергозатраты при его осуществлении.

Поэтому более технологично осуществлять прессование единого стержневого сердечника, как, например, в способе производства топливных сердечников из гранулированного ядерного топлива, покрытого слоями деформируемых материалов: пирокарбон, карбид кремния и графит (GB 1443823, G 21 С 21/00, 1976). Прессование длинномерных изделий производят противоположными парами пуансонов, действующих по всей длине полости прессования в радиальном направлении. Пуансоны в комплекте с матрицей определяют форму получаемой детали. Дополнительное прессование производят противоположными пуансонами, перемещающимися аксиально в полости прессования. Способ позволяет изготавливать длинномерные изделия, но применение радиальных пуансонов не обеспечивает необходимую однородность распределения ядерного топлива по длине изделия. Кроме того, при радиальном прессовании на поверхности изделия остаются дефекты материала (наплывы) в местах контакта радиальных пуансонов с матрицей, что требует механической обработки.

Получение длинномерных брикетов ядерного топлива путем прессования двумя пуансонами по торцам брикета позволяет улучшить качество получаемых изделий за счет использования камеры с расширяющейся боковой поверхностью (US 3949027, G 21 С 21/00). Угол наклона стенок камеры составляет от 0^o6' до 1^o30'. Данный способ достаточно прост, позволяет получать брикеты ядерного топлива за одноразовое сжатие, что положительно сказывается на структуре ядерного топлива по объему брикета. Однако способ предполагает использование пластификатора, вводимого в исходный порошок двуокиси урана.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому способу является способ изготовления стержневых сердечников ядерного топлива, включающий смешение исходных порошков двуокиси урана и алюминия, и прессование полученной смеси в матрице (RU 2091872, G 21 С 21/02, 1997). Способ предусматривает использование жидкого пластификатора, находящегося в смеси в качестве смазки. При этом жидкий пластификатор вводят в шихту в течение процесса смешивания отдельными порциями в виде аэрозоля и смешение производят в течение времени, достаточном для получения равномерности распределения делящейся фазы в неделящейся. При смешении большого количества шихты в ней всегда имеет место неоднородность распределения по объему делящегося материала, т. к. при смешении более тяжелый материал всегда "тонет" в более легком. Затем осуществляют горячее прессование - калибровку сердечника до заданной плотности и размеров с использованием в качестве смазки продуктов пиролитического разложения органического вещества.

Известный способ позволяет получить ребристые трубчатые тепловыделяющие элементы с относительно невысокой толщиной сердечника. При использовании данного способа для изготовления сплошных стержней необходимо значительно увеличить усилия прессования, что в свою очередь приведет к повышению трения на границе сердечник - матрица. При этом имеют место неоправданные потери давления по высоте прессовки, вызывающие "непропрессовку" средней части сердечника при двустороннем и нижней части сердечника при одностороннем прессовании. К тому же высокие значения давления на боковую стенку матрицы приводят к настолько эффективному сцеплению материала сердечника, что выпрессовка сердечника становится невозможной. Кроме того, наличие пластификатора в исходной смеси снижает химическую чистоту сердечника и увеличивает его пористость. Введение пластификатора увеличивает количество технологических операций и повышает энергозатраты.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание и разработка способа изготовления стержневых сердечников ядерного топлива, обладающего повышенной технологичностью, меньшими энергозатратами и повышенным выходом готовых изделий.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в исключении необходимости использования пластификаторов, повышении однородности распределения ядерного топлива в объеме сердечника и упрощении технологии формования сердечника за счет исключения механической обработки.

Данные технические результаты достигаются тем, что в способе изготовления стержневых сердечников ядерного топлива, включающем смешение исходных порошков двуокиси урана и алюминия и прессование полученной смеси в матрице, смесь готовят порциями для каждого сердечника, а прессование осуществляют в два этапа, причем на первом этапе осуществляют прессование заготовки при удельном давлении от 0,8 до 1,2 т/см² в конической матрице, средний диаметр которой на 0,2 мм меньше среднего диаметра конической матрицы для второго этапа, при котором осуществляют прессование сердечника в размер, причем после первого этапа прессования проводят вакуумный отжиг заготовки при температуре от 600 до 620^oС в течение от 1,5 до 2,5 часов.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в следующем. При изготовлении смеси исходных порошков берут навески крупки двуокиси урана и порошка алюминия, необходимые для формования только одного сердечника, что обеспечивает гарантированное содержание делящегося материала в каждом сердечнике и повышает однородность его распределения в объеме сердечника. Однако при отсутствии в смеси пластификатора, что уменьшает пористость сердечника, прессовка сердечника за одну операцию невозможна, поскольку в объеме сердечника возникают значительные по величине напряжения, препятствующие равномерному распределению давления по объему сердечника. Поэтому после первого этапа прессования, при котором формуется заготовка, проводят вакуумный отжиг заготовки при температуре от 600 до 620^oС в течение от 1,5 до 2,5 часов. Отжиг позволяет избавиться от локальных напряжений в материале заготовки и направить ее на окончательное прессование стержневого сердечника. Нижний предел температуры отжига обусловлен тем, что при температуре ниже 600^oС в объеме заготовки содержится значительное число напряженных зон. При температуре отжига выше 620^oС возможна потеря формы или расплавление заготовки сердечника. Нижнее значение диапазона времени отжига обусловлено необходимостью полного прогрева всей структуры заготовки и снятием в ней напряжений. Отжиг более 2,5 часов нецелесообразен, т.к. к положительным изменениям в структуре заготовки практически не приводит, а лишь увеличивает энергозатраты. Диапазон удельного давления прессования на первом этапе выбран по следующим соображениям. При величине удельного давления менее 0,8 т/см² невозможно получить структуру заготовки, которую можно направить на отжиг и окончательное прессование, т.к. материал заготовки недостаточно уплотнен. При величине удельного давления более 1,2 т/см² выпрессовка заготовки из матрицы затруднена. Кроме того, прессование заготовки на первом этапе производят в конической матрице с меньшими размерами, чем размеры матрицы, используемой при втором этапе прессования. Поэтому деформация заготовки в матрице на втором этапе прессования осуществляется как в осевом, так и в радиальном направлениях. При этом значительно снижается трение сердечника о стенки матрицы. Окончательное прессование сердечника проводят в размер, получая в итоге готовое изделие, не требующее механической обработки. Процесс прессования сердечника в размер проводят при удельных давлениях от 4,5 до 5,0 т/см² и прекращают при достижении размера сердечника заданной длины.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Описываемый способ изготовления стержневых сердечников ядерного топлива может быть проиллюстрирован следующими примерами.

Пример 1. Исходные компоненты: порошок алюминия и крупка двуокиси урана. Берут навески порошка алюминия массой 203,1 г и двуокиси урана массой 102,1 г. Осуществляют индивидуальное смешение компонентов шихты в смесителе типа "пьяная бочка" в течение 15 минут, после чего приготовленную смесь засыпают в матрицу пресс-инструмента. Рабочую поверхность матрицы предварительно смазывают вручную керосино-олеиновой смесью. На первом этапе осуществляют получение заготовки методом двухстороннего прессования при удельном давлении 0,8 т/см². Операцию прессования проводят в конической матрице с конусностью 6'. Полученная заготовка имеет следующие размеры, определяемые геометрией пресс-инструмента и массой засыпки: средний диаметр 33,7 мм, высота 125 мм, пористость 25%.

Затем проводили вакуумный (величина вакуума не хуже 5•10^-3 мм рт.ст.) отжиг со следующими температурно-временными режимами:
- подъем температуры 600^oС в течение 2 часов;
- выдержка при температуре 600^oС в течение 2,5 часов;
- охлаждение до температуры 20^oС в течение 2 часов (скорость охлаждения 290^oС/час).

На втором этапе прессование сердечника в размер осуществляли в конической матрице большего размера (средний диаметр матрицы в рабочей зоне больше на 0,2 мм, чем средний диаметр матрицы в рабочей зоне на первом этапе прессования). Удельное давление прессования составило 5,0 т/см². Перед вторым этапом прессования пресс-инструмент также смазывали керосино-олеиновой смесью. После прессования получен стержневой сердечник с размерами, не превышающими заданных: диаметр 34,05 мм, высота 98,1 мм, пористость менее 2%.

Далее сердечник направлен на химобработку в растворе азотной, ортофосфорной и уксусной кислот в течение 5 минут. После химобработки проводили дегазацию сердечника с режимами, аналогичными условиям проведения отжига.

Готовый сердечник поступает для закатки в алюминиевую оболочку.

Пример 2. Масса исходных навесок, смешение, подготовка пресс-инструмента, режим нагрева до температуры отжига, химобработка и дегазация как в примере 1. Прессование на первом этапе проводили с удельным давлением 1,0 т/см². Полученную заготовку (пористость 24%) с размерами: диаметр 33,7 мм, высота 124,5 мм, отжигали при температуре 620^oС в течение 1,5 часов. Охлаждение проводили со скоростью 310^oС/час.

После второго этапа прессования получен сердечник с параметрами: диаметр 33,9 мм, высота 98,0 мм, пористость менее 2%. Усилие прессования на втором этапе составило 4,75 т/см².

Пример 3. Масса исходных навесок, смешение, подготовка пресс-инструмента, режим нагрева до температуры отжига, химобработка и дегазация как в примере 1. Прессование на первом этапе проводили с удельным давлением 1,2 т/см². Полученную заготовку (пористость 23%) с размерами: диаметр 33,8 мм, высота 124 мм, отжигали при температуре 610^oС в течение 2 часов. Охлаждение проводили со скоростью 320^oС/час.

После второго этапа прессования получен сердечник с параметрами: диаметр 34,0 мм, высота 98,0 мм, пористость менее 2%. Усилие прессования на втором этапе составило 4,5 т/см².

Таким образом, описываемый способ позволяет получать стержневые сердечники прессованием в заданный размер без использования пластификаторов, что существенно снижает трудоемкость процесса.

Снижение количества технологических операций, обусловленных отсутствием пластификатора, и двухэтапное прессование повышают выход годных стержневых сердечников, направляемых для изготовления тепловыделяющих блочков. Кроме того, отсутствие использования пластификатора в прессуемой смеси упрощает переработку бракованных изделий.

Использование: в технологии изготовления стержневых сердечников ядерного топлива дисперсионного типа, состоящих из крупки оксида урана, равномерно распределенной в алюминиевой матрице. Сущность изобретения: способ включает смешение исходных порошков двуокиси урана и алюминия и прессование полученной смеси. Смесь готовят порциями для каждого сердечника, а прессование осуществляют в два этапа. На первом этапе осуществляют прессование заготовки при удельном давлении от 0,8 до 1,2 т/см² в конической матрице, средний диаметр которой на 0,2 мм меньше среднего диаметра конической матрицы для второго этапа. На втором этапе осуществляют прессование сердечника в размер. Между этапами прессования проводят вакуумный отжиг заготовки при температуре от 600 до 620^oС в течение от 1,5 до 2,5 ч. В результате исключается необходимость использования пластификаторов, повышается однородность распределения ядерного топлива в объеме сердечника и упрощается технология формования сердечника за счет исключения механической обработки. 7 з.п.ф-лы.

1. Способ изготовления стержневых сердечников ядерного топлива, включающий смешение исходных порошков двуокиси урана и алюминия и прессование полученной смеси в матрице, отличающийся тем, что смесь готовят порциями для каждого сердечника, а прессование осуществляют в два этапа, причем на первом этапе осуществляют прессование заготовки при удельном давлении от 0,8 до 1,2 т/см² в конической матрице, средний диаметр которой на 0,2 мм меньше среднего диаметра конической матрицы для второго этапа, при котором осуществляют прессование сердечника в размер, причем после первого этапа прессования проводят вакуумный отжиг заготовки при температуре от 600 до 620^oС в течение от 1,5 до 2,5 ч. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прессование осуществляют в конических матрицах с углом конусности от 5' до 7'. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что прессование стержневого сердечника в размер осуществляют при удельных давлениях от 4,5 до 5,0 т/см². 4. Способ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что перед прессованием проводят смазку пресс-инструмента слоем керосиноолеиновой смеси. 5. Способ по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что после отжига заготовку охлаждают со скоростью охлаждения от 280 до 320^oС/час. 6. Способ по п. 1, или 2, или, 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что вакуумный отжиг проводят при величине вакуума не хуже 5•10^-3 мм рт. ст. 7. Способ по п. 1, или 2, или, 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что после прессования стержневого сердечника в размер проводят его вакуумную дегазацию при температуре от 600 до 620^oС в течение от 1,5 до 2,5 ч. 8. Способ по п. 1, или 2, или, 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что вакуумную дегазацию проводят при величине вакуума не хуже 5•10^-3 мм рт. ст.