СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2005 года по МПК G21C3/62 G21C21/02 C01G43/25 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), преимущественно, в оболочке из сплава циркония для ядерных ректоров типа водоводяных энергетических реакторов (ВВЭР).

Известен способ изготовления тепловыделяющих элементов, включающий операции подготовки оболочки из сплава циркония к снаряжению с электронно-лучевой сваркой заглушки к одному концу оболочки, контроля плотности топливных таблеток гамма-абсорбционным методом, снаряжения столба топливных таблеток в открытый конец оболочки с фиксацией фиксаторами, контроля и разбраковки по длине столба топливных таблеток, зазорам между ними, длине компенсационного пространства, по наличию фиксаторов гамма-абсорбционным методом, герметизации контактной стыковой сваркой второй заглушки к открытому концу снаряженной оболочки под давлением инертного газа гелия под оболочкой, контроля и разбраковки по давлению гелия под оболочкой и качеству сварных швов, поверхностной химической обработки в смеси кислот HNO₃ и HF, промывки, анодирования в щелочи, промывки и сушки тепловыделяющего элемента (см.патент Российской Федерации RU 2140674, МКИ⁶ G 21 С 21/02 от 03.03.1998, опубл. 27.10.1999 “Способ изготовления и сборки тепловыделяющих элементов в тепловыделяющие кассеты”).

K недостаткам известного способа следует отнести то, что он неполно характеризует заявляемый способ изготовления ТВЭЛ в части изготовления топливных таблеток, контроля и разбраковки по плотности топливных таблеток, а также изготовления порошка диоксида урана для топливных таблеток.

Известен способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку пресспорошка диоксида урана UO₂, обогащенного ²³⁵U до 2-5%, многостадийное смешение с сухим связующим и с порошком оксида урана U₃О₈, прессование топливных таблеток, спекание в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование, сушку и отбраковку топливных таблеток (см. Патент Российской Федерации RU 2158030, МПК⁷ С 21 С 3/62, 21/10 от 18.11.1998, опубл.20.10.2000 “Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов и устройство для его осуществления”).

Известный способ частично устраняет недостаток способа по патенту 2140674 в части изготовления топливных таблеток, но неполно характеризует заявляемый способ в части изготовления порошка диоксида урана, контроля и разбраковки топливных таблеток по плотности и другим параметрам и по изготовлению ТВЭЛ. Кроме того, в способе не раскрыто атомное отношение кислорода к урану - кислородный коэффициент (КК), являющийся важной характеристикой топлива и оказывающий существенное влияние на свойства топлива UO_2+x, где 2+х и есть (КК). Так, с увеличением (х) увеличивается скорость ползучести, т.е. повышается пластичность топлива, увеличивается скорость спекания таблеток и диффузии, но высокий (КК) отрицательно сказывается на работоспособности ТВЭЛов в ядерном реакторе, увеличивая коррозию оболочки. Оптимально иметь (КК) близким к 2,00, однако такой порошок пирофорен и имеет склонность к окислению в оксид урана U₃О₈.

Известен способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов (см.Патент Российской Федерации RU 2158971, МПК 7 G 21 С 3/62, 21/10 от 21.04.1999, опубл. 10.11.2000 “Способ изготовления таблетированного топлива из диоксида урана и оборудование для его осуществления”).

В основу способа заложен водный процесс переработки гексафторида урана UF₆, т.е. испарение и гидролиз UF₆, экстракция-реэкстракция, осаждение полиураната аммония, прокалка, восстановление, смешение с пластификатором, формование таблетки, спекание, шлифование и контроль качества таблеток.

Недостатком известного способа является наличие больших объемов жидких радиоактивных отходов, извлечение урана из которых требует больших трудозатрат, затрат реагентов, жестких требований обеспечения ядерной безопасности, поскольку на всех стадиях процесса в продуктах содержится влага.

Известный способ неполно характеризует заявляемый способ и не содержит информации по изготовлению ТВЭЛ.

Известен способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающий конверсию гексафторида урана UF₆ в диоксид урана UO₂ в воздушно-водородном пламени с подачей в зону горения смеси UF₆ с газом носителем-кислородом воздуха, водорода, перегретого водяного пара и защитного газа, отделение твердых частиц окислов урана от газовой фазы, обесфторивание твердых частиц окислов урана термической их обработкой в водороде, прессование и измельчение “шашки”, смешение порошка с пластификатором, прессование и спекание таблеток в водородной среде, шлифование и контроль таблеток (см. А.А.Майоров, И.Б.Браверман. “Технология получения порошков керамической двуокиси урана”. М.: Энергоатомиздат, 1985 г., стр.108-112, 77).

Известный способ устраняет недостатки способа по патенту 2158971 в части исключения жидких радиоактивных отходов, соответственно исключения трудозатрат и реагентов на извлечение урана из них и исключения возможности возникновения самопроизвольной цепной ядерной реакции.

Известный способ неполно характеризует заявляемый способ и не содержит информации по изготовлению ТВЭЛ.

Важным условием успешного осуществления способа является необходимость предотвращения преждевременного смещения компонентов пламени. В противном случае реакция может начаться вблизи патрубков подачи реагентов, что неизбежно приведет к их закупорке и аварийной остановке реактора, в котором осуществляется конверсия. В связи с этим в способе предусмотрена подача в межтрубное пространство инертного газа, который создает зону, обедненную основными компонентами пламени, смещает реакцию от патрубка и предупреждает их закупорку. Способ предусматривает ввод вторичного окислителя - кислорода или воздуха в зону факела, в которой реакция конверсии практически завершается, для предотвращения переувлажнения конечного продукта и исключения налипания его на фильтрах и на стенках реактора. Продукт реакции представляет собой смесь двуокиси урана с закисью-окисью, трехокисью, тетрафторидом урана и уранилфторидом. Порошки содержат 2-8% адсорбированной влаги. Содержание фтора в них колеблется в пределах 4-20% по массе. Фтор находится в порошках как в связанном состоянии, так и в виде адсорбированного фтористого водорода. Предусмотренная способом термическая обработка порошков в водороде позволяет снизить содержание фтора до менее 3×10^-3% по массе. Частицы порошка имеют дендритную или полудендритную структуру (см.А.А.Майоров, И.Б.Браверман. “Технология получения порошков керамической двуокиси урана”, стр.109).

Порошки такой структуры имеют плохую текучесть. В условиях газопламенной конверсии гексафторида взаимодействие гексафторида с водяным паром происходит в пламени горения водорода с воздухом, при этом процессы гидролиза и восстановления урана протекают параллельно при неуправляемой температуре в течение малого и нерегулируемого времени пребывания реагентов в факеле и ни одна из реакций не проходит до конца, в результате чего получается смесь уранилфторида, тетрафторида, двуокиси и трехокиси урана в произвольном соотношении, что требует окончательной доводки состава и состояния продукта.

Работа с водородовоздушным факелом в закрытом объеме может приводить к отклонениям от режима плавного горения к взрывному режиму горения.

Это создает опасность для обслуживающего персонала и возможность возникновения аварийной ситуации с разрушением аппаратуры и выбросом радиоактивных веществ.

В способе не указан материал оборудования, в котором осуществляют газопламенную конверсию UF₆ в UO₂, т.к. гексафторид весьма агрессивен и известные материалы не устойчивы к воздействию на них газообразного гексафторида и фтористо-водородной кислоты.

Предусмотренная в способе подача защитного инертного газа в зону горения предусматривает смещение факела горения от патрубков для предотвращения их закупорки, но в случае возникновения взрывного горения в способе отсутствует информация по переводу взрывного горения в плавное или же полного прекращения реакции.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающий конверсию гексафторида урана UF₆ в диоксид урана UО₂ в воздушно-водородном пламени с подачей в зону горения смеси UF₆ с газом носителем-кислородом воздуха, водорода, перегретого водяного пара и защитного газа, отделение твердых частиц фторокислов урана от газовой фазы, обесфторивание твердых частиц фторокислов урана термической их обработкой в водороде и перегретом водяном паре, прессование и измельчение “шашки”, смешение порошка с пластификатором, прессование и спекание топливных таблеток в водородной среде, шлифование, контроль топливных таблеток, подготовку оболочки из сплава циркония к снаряжению с электронно-лучевой сваркой заглушки к одному концу оболочки, снаряжение столба топливных таблеток в открытый конец оболочки с фиксацией фиксаторами, контроль и разбраковку по длине столба топливных таблеток, зазорам между ними, длине компенсационного пространства, по наличию фиксаторов гамма-абсорбционным методом, герметизацию контактной стыковой сваркой второй заглушки к открытому концу снаряженной оболочки под давлением гелия под оболочкой, контроль и разбраковку по давлению гелия под оболочкой и качеству сварных швов, поверхностную химическую обработку в смеси кислот НNО₃ и HF, промывку, анодирование в щелочи, промывку и сушку ТВЭЛа (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, под ред. Решетникова. - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1, с.81-106) - прототип.

Способ-прототип устраняет недостатки известного способа в части полноты изложения и более полной характеристики заявляемого способа в части изготовления ТВЭЛ, но не предусматривает перевода взрывного горения в плавное или же мгновенного прекращения реакции. Недостаток известного способа в части отсутствия информации по применению материалов, устойчивых к воздействию гексафторида и фтористо-водородной кислоты, остается.

В процессе получения фтористо-водородной кислоты полностью очистить ее от урана не удается, что создает известные трудности по использованию фтористо-водородной (плавиковой) кислоты в народном хозяйстве.

В процессе испарения гексафторида UF₆ из баллона наступает такой момент, когда баллон практически опорожнен и номинальная скорость потока газообразного гексафторида более невозможна, но в баллоне еще находится часть не выпарившегося гексафторида, однако баллон снимается с испарения и отправляется на наполнительную станцию, что ведет к снижению извлечения.

В способе-прототипе контроль топливных таблеток (см. там же, стр.102, 103) по плотности осуществляют радиационным методом с использованием γ-излучения, при котором топливная таблетка устанавливается на две ножевые опоры (параллельные ребра), что позволяет частично скомпенсировать влияние отклонения диаметра топливной таблетки в пределах допуска на точность измерения плотности, поскольку при уменьшении диаметра топливная таблетка опускается глубже, и длина хорды в месте просвечивания почти не меняется (см. там же, стр.103, рис.4.11). В способе-прототипе заложен принцип контроля единичной топливной таблетки. В массовом же производстве требуются массовый контроль и сортировка на годные и бракованные топливные таблетки по плотности и причем в автоматическом режиме для того, чтобы обеспечить заданный ритм изготовления тепловыделяющих элементов, чего способ-прототип не предусматривает.

В процессе контроля топливных таблеток, предусмотренных способом-прототипом, неизбежен брак. Способ-прототип сухую переработку брака не предусматривает.

Предусмотренная по патенту 2158971 переработка брака через растворение в НNO₃, экстракцию, реэкстракцию, осаждение диураната аммония, сушку, прокалку, восстановления до диоксида урана имеет весьма длинную технологическую схему с большими объемами водных растворов, требующих также переработки.

Технической задачей изобретения является повышение извлечения гексафторида при испарении, качества топливных таблеток, производительности контроля топливных таблеток, повышение срока службы оборудования, безопасности эксплуатации и снижение себестоимости за счет использования оборотов фтористо-водородной кислоты и брака таблеток в технологическом процессе.

Эта техническая задача решается тем, что в способе изготовления тепловыделяющих элементов с оболочкой из сплава циркония с ниобием для ядерных реакторов типа ВВЭР, включающем конверсию гексафторида урана UF₆ в диоксид урана UO₂ в воздушно-водородном пламени с подачей в зону горения смеси гексафторида урана UF₆ с газом носителем-кислородом воздуха, водорода, перегретого водяного пара и защитного газа, азота, отделение твердых частиц фторокислов урана от газовой фазы, обесфторивание твердых частиц фторокислов урана термической их обработкой в водороде и перегретом водяном паре во вращающейся печи, прессование и измельчение “шашки”, смешение порошка с пластификатором, прессование и спекание топливных таблеток в воздушной среде, мокрое шлифование, сушку, контроль топливных таблеток и абсорбционный контроль плотности, подготовку оболочки из сплава циркония с ниобием к снаряжению с электронно-лучевой сваркой заглушки к одному концу оболочки, снаряжение столба топливных таблеток в открытый конец оболочки с фиксацией фиксаторами, контроль и разбраковку по длине столба топливных таблеток, зазорам между ними, длине компенсационного пространства, по наличию фиксаторов гамма-абсорбционным методом, герметизацию контактной стыковой сваркой второй заглушки к открытому концу снаряженной оболочки под давлением гелия под оболочкой, контроль и разбраковку по давлению гелия под оболочкой и качеству сварных швов, поверхностную химическую обработку в смеси кислот NNО₃ и HF, промывку, анодирование в щелочи, промывку и сушку тепловыделяющего элемента,

согласно изобретению в процессе конверсии гексафторида урана UF₆ в диоксид урана UO₂ в воздушно-водородном пламени подачу в зону горения гексафторида UF₆ осуществляют до момента снижения скорости потока газообразного гексафторида, подачу переключают на новый поток газообразного гексафторида, а поток со сниженной скоростью направляют на конденсацию в промежуточную емкость, по мере наполнения которой, определяемого взвешиванием, испаряют и газообразный поток гексафторида вновь направляют в зону горения, при угрозе взрывного горения воздушно-водородного пламени зону горения мгновенно заполняют защитным газом азотом с отключением подачи водорода, после отделения твердых частиц фторокислов урана обесфторивание их термической обработкой в водороде и перегретом водяном паре во вращающейся печи осуществляют при 650-660°С в первой зоне, глубокое обесфторивание от находящегося в соединении с ураном фтора осуществляют при 660-665°С во второй зоне, а в третьей зоне при 665-670°С осуществляют формование порошка диоксида урана сфероидизацией частиц порошка, полученный порошок диоксида урана UO₂ охлаждают в газовой среде азота до 18-20°С, подвергают магнитной сепарации, просеиванию через сетку с ячейками не более 1,25 мм и с содержанием не более 15% мелкой 70 мкм фракции гомогенизации в газовой среде азота, при этом на операциях воздействия на оборудование фтористо-водородной кислоты HF и ее паров используют оборудование из антикоррозионного материала, операции прессования и измельчения “шашки”, просеивания, смешения порошка с пластификатором, прессование топливных таблеток осуществляют в газовой среде азота, контроль по плотности гамма-абсорбционным методом готовых топливных таблеток после спекания в водородной среде, мокрого шлифования и сушки в газовой среде азота проводят путем вибрационного перемещения потока топливных таблеток через зону γ-излучения и измерения по формуле

где

N - число фотонов, регистрируемых детектором при наличии топливной таблетки,

No - число фотонов, регистрируемых детектором в отсутствие топливной таблетки,

m - массовый коэффициент ослабления,

р - плотность топливной таблетки,

d - толщина контролируемой зоны топливной таблетки,

определяют плотность топливной таблетки по формуле

и отбраковывают топливные таблетки с плотностью до 10,4 г/см³ и выше 10,7 г/см³, отбракованные топливные таблетки диоксида урана окисляют до оксида урана и 10-12% возвращают в смесь диоксида урана с пластификатором, фтористо-водородную кислоту HP после конденсации отходящих газов подвергают абсорбционной очистке от урана на анионитовой смоле и возвращают в технологический процесс на поверхностную химическую обработку тепловыделяющих элементов на приготовление травильного раствора.

В качестве антикоррозийного материала для оборудования используют сплав антикоррозионный ЭП-797 - О3ХН58В с химическим составом хром 40%, никель 58% (основной элемент), вольфрам - до 1%, применяемый для оборудования, работающего с плавиковой кислотой (HF), в соответствии с требованиями ТУ 14-131-470-80. В качестве анионитовой смолы используют ионообменную смолу марки AM, применяемую для водоподготовки, очистки воды (требования ГОСТ 20301-74. Смолы ионообменные. Аниониты.).

Предложенная периодичность подачи газообразного гексафторида в зону горения при снижении скорости потока газообразного гексафторида, из практически опорожненного баллона, переключения подачи из него газообразного гексафторида на конденсацию в промежуточную емкость и осуществления подачи газообразного гексафторида в зону горения из нового баллона позволит осуществить накопление в промежуточной емкости от конденсации остатков из баллонов значительного качества гексафторида, при испарении которого вернуть в технологический процесс с каждого баллона ≈17-20кг UF₆ и тем самым повысить извлечение.

Мгновенное заполнение защитным газом азотом зоны горения при угрозе взрывного горения с отключением подачи водорода позволит повысить безопасность эксплуатации установки. Температурные режимы 1, 2, 3 зон вращающейся печи в среде перегретого пара и водорода позволят осуществить обесфторивание, глубокое обесфторивание и сфероидизацию частиц, что повысит качество изготавливаемых топливных таблеток.

Охлаждение порошка в газовой среде азота предупредит его окисление из диоксида в оксид, что повысит качество топливных таблеток. Магнитная сепарация, просеивание, гомогенизация и упаковка в газовой среде азота предупредит окисление диоксида в оксид урана, что повысит качество топливных таблеток. Использование оборудования из антикоррозийного материала позволит повысить срок службы.

Выполнение подготовки порошка к прессованию и прессование топливных таблеток в газовой среде азота предупредит окисление диоксида в оксид урана, что повысит качество топливных таблеток.

Предложенный контроль плотности готовых топливных таблеток, перемещаемых через зону контроля потоком посредством вибрации, позволит повысить производительность контроля и отбраковки, что особенно важно при массовом производстве.

Возврат бракованных таблеток в технологический процесс через их окисление до оксида, добавление к смеси порошка диоксида с пластификатором, возврат фтористо-водородной кислоты после конденсации паров в технологический процесс для использования в качестве травильного раствора позволит получить безотходную технологию изготовления тепловыделяющих элементов.

На чертеже представлена технологическая схема изготовления тепловыделяющих элементов.

Способ изготовления тепловыделяющих элементов в оболочке из сплава циркония с ниобием осуществляют следующим образом.

Пример осуществления способа

Испарение 1 гексафторида UF₆ из баллона осуществляют при 90-115°С и при этой же температуре подают в зону воздушно-водородного пламени в смеси с кислородом воздуха. В реакционную зону воздушно-водородного пламени одновременно подают перегретый водяной пар, водород и защитный газ - азот, используемый для смещения факела горения от патрубков подачи выше указанных газов для предотвращения закупорки патрубков.

Процесс конверсии 2 может быть представлен в виде ряда последовательных химических реакций:

UF₆+2Н₂О=UO₂F₂+4HF (1)

Реакция (1) взаимодействия газообразного гексафторида урана с перегретым водяным паром при 300°С, подаваемым в зону реакции, протекает в гомогенной газовой среде с образованием твердого фторида уранила и газообразного фтористого водорода. Взаимодействие двух исходных газообразных реагентов обеспечивает высокую скорость реакции образования фторокисла фторида уранила.

После отделения 3 твердых частиц фторокисла-фторида уранила осуществляют их обесфторивание 4 термической обработкой в водороде и перегретом водяном паре во вращающейся печи

Гетерогенные реакции (2), (3) протекают с меньшими скоростями, чем гомогенные газовые реакции, поскольку процессы диффузии в твердых телах идут с меньшими скоростями, чем в газах.

В процессе испарения гексафторида UF₆ из баллона наступает такой момент, когда баллон практически опорожнен и номинальная скорость потока газообразного гексафторида более невозможна, но в баллоне еще находится часть не выпарившегося гексафторида, то способ предусматривает переключение испарения 1 на испарение 5 из нового баллона, а испарение 1 продолжают, но с направлением потока газообразного гексафторида на конденсацию 6 в промежуточную емкость, по мере накопления которой после конденсации в нее остатков гексафторида из нескольких баллонов и взвешивания 7 начинают испарение 8 из этой промежуточной емкости с подачей газообразного гексафторида на конверсию 2.

Если в каждом баллоне остаток гексафторида UF₆ составлял 17-20 кг, то после конденсации и повторного испарения остаток в баллоне составлял меньше 1 кг.

Таким образом, повышают извлечение UF₆.

В процессе работы с водородно-воздушным факелом в закрытом объеме возможны отклонения от режима плавного горения к взрывному горению. Способ предусматривает в этом случае мгновенное заполнение азотом всего закрытого объема с прекращением подачи водорода, т.е. мгновенно увеличивается подача азота, который использовался для смещения факела горения от патрубков подачи газообразных реагентов для предупреждения их закупорки.

Обесфторивание 4 термической обработкой в водороде и перегретом (300°С) водяном паре во вращающейся печи осуществляют при 650-660°С в первой зоне, глубокое обесфторивание 4/1 от находящегося в соединении с ураном фтора осуществляют при 660-665°С во второй зоне, а в третьей зоне при 665-670°С осуществляют формование 9 порошка диоксида урана сфероидизацией частиц порошка.

Полученный порошок диоксида урана UO₂ охлаждают 10 в газовой среде азота до 18-20°С, подвергают магнитной сепарации 11, просеиванию 12 через сетку с ячейками не более 1,25 мм и с содержанием не более 15% мелкой 70 мкм фракции гомогенизации 13 в газовой среде азота.

После гомогенизации порошок диоксида урана UO₂ прессуют 14 и измельчают 15 “шашку”. После смешения 16 порошка диоксида урана UO₂ с пластификатором и прессования 17 топливных таблеток в газовой среде азота, спекания 18 в среде водорода топливных таблеток, мокрого шлифования 19 и сушки 20 топливные таблетки подвергают контролю 21 на содержание ²³⁵U, содержание U, отношение O/U, содержание примесей, содержание Н₂О или Н₂, геометрию топливных таблеток, внешний вид таблеток, термическую стабильность, содержание остаточных газов, а контроль топливных таблеток на плотность гамма-абсорбционным методом проводят путем вибрационного перемещения потока топливных таблеток через зону γ-излучения и измерения по формуле

где

N - число фотонов, регистрируемых детектором при наличии топливной таблетки,

No - число фотонов, регистрируемых детектором в отсутствие топливной таблетки,

m - массовый коэффициент ослабления,

р - плотность топливной таблетки,

d - толщина контролируемой зоны топливной таблетки,

определяют плотность топливной таблетки по формуле

р=ln(No/N) / md (г)

и отбраковывают топливные таблетки с плотностью ниже 10,4 г/см³ и выше 10,7 г/см³.

Отбракованные топливные таблетки диоксида урана окисляют 22 до порошка оксида урана и возвращают на операцию смешения 16 диоксида с пластификатором, где 10-12% оксида U₃O₈ вводят в смесь диоксида UO₂ с пластификатором.

Фтористо-водородную кислоту HF после конденсации 23 отходящих газов подвергают абсорбционной очистке 24 от урана на анионитовой смоле марки AM, применяемую для водоподготовки, очистки воды (требования ГОСТ 20301-74. Смолы ионообменные. Аниониты).

В качестве антикоррозийного материала для оборудования, контактирующего с UF и парами HF, используют сплав антикоррозионный ЭП-797 - О3ХН58В с химическим составом хром 40%, никель 58% (основной элемент), вольфрам - до 1%, применяемый для оборудования, работающего с плавиковой кислотой (HF), в соответствии с требованиями ТУ 14-131-470-80. Годные топливные таблетки после контроля и отбраковки снаряжают 25 в открытый конец оболочки из сплава циркония с ниобием, к другому концу которой электронно-лучевой сваркой приварена заглушка. Фиксацию 26 столба топливных таблеток в оболочке осуществляют фиксаторами. После чего снаряженная оболочка проходит контроль и разбраковку 27 по длине столба топливных таблеток, зазорам между ними, длине компенсационного пространства и по наличию фиксаторов гамма-абсорбционным методом.

При отбраковке снаряженной оболочки последняя расснаряжается и бракованные топливные таблетки направляют на термическое окисление 22 в оксид урана U₃О₈ и на смешение 16 со смесью порошка диоксида с пластификатором.

Снаряженную оболочку, прошедшую контроль, герметизируют 28 контактной стыковой сваркой заглушки к открытому концу оболочки под давлением гелия внутри оболочки. Снаряженная оболочка после герметизации - тепловыделяющий элемент - проходит контроль и разбраковку 29 по качеству сварного шва и по давлению гелия внутри оболочки. Падение давления внутри оболочки характеризует тепловыделяющий элемент как негерметичный, требующий расчехловки. Бракованные топливные таблетки при этом направляют на термическое окисление 22 в оксид урана U₃О₈ и на смешение 16 со смесью порошка диоксида с пластификатором.

Годные тепловыделяющие элементы проходят поверхностную химическую обработку 30 оболочки в смеси кислот НNО₃ и HF, поступающей после конденсации 23 паров HF и абсорбционной очистки 24, промывку 31, анодирование 32 в щелочи, промывку 33 и сушку 34.

Изобретение относится к атомной энергетике и используется при изготовлении тепловыделяющих сборок ядерных энергетических реакторов типа ВВЭР. В процессе конверсии гексафторида урана UF₆ в диоксид урана UO₂ в воздушно-водородном пламени подачу в зону горения гексафторида UF₆ осуществляют до момента снижения скорости потока газообразного гексафторида, подачу переключают на новый поток газообразного гексафторида, а поток со сниженной скоростью направляют на конденсацию в промежуточную емкость, по мере наполнения которой, определяемого взвешиванием, испаряют, и газообразный поток гексафторида вновь направляют в зону горения. Обесфторивание твердых частиц фторокислов урана термической обработкой в водороде и перегретом водяном паре во вращающейся печи осуществляют при 650-660°С в первой зоне, глубокое обесфторивание от находящегося в соединении с ураном фтора осуществляют при 660-665°С во второй зоне, а в третьей зоне при 665-670°С осуществляют формование порошка диоксида урана сфероидизацией частиц порошка, полученный порошок диоксида урана UO₂ охлаждают в газовой среде азота до 18-20°С, подвергают магнитной сепарации, просеиванию через сетку с ячейками не более 1,25 мм и с содержанием не более 15% мелкой 70 мкм фракции гомогенизации в газовой среде азота. Измерения осуществляют по формуле N=No × е^-mpd, где N - число фотонов, регистрируемых детектором при наличии топливной таблетки; No - число фотонов, регистрируемых детектором в отсутствие топливной таблетки; m - массовый коэффициент ослабления; р - плотность топливной таблетки; d - толщина контролируемой зоны топливной таблетки, определяют плотность топливной таблетки по формуле р=ln (No/N)/md и отбраковывают топливные таблетки с плотностью до 10,4 г/см³ и выше 10,7 г/см³. 1 ил.

Способ изготовления тепловыделяющих элементов с оболочкой из сплава циркония с ниобием для ядерных реакторов типа ВВЭР, включающий конверсию гексафторида урана UF₆ в диоксид урана UO₂ в воздушно-водородном пламени с подачей в зону горения смеси гексафторида урана UF₆ с газом-носителем кислородом воздуха, водорода, перегретого водяного пара и защитного газа азота, отделение твердых частиц фторокислов урана от газовой фазы, обесфторивание твердых частиц фторокислов урана термической их обработкой в водороде и перегретом водяном паре во вращающейся печи, прессование и измельчение “шашки”, смешение порошка с пластификатором, прессование и спекание топливных таблеток в водородной среде, мокрое шлифование, сушку, контроль топливных таблеток и гамма-абсорбционный контроль плотности, подготовку оболочки из сплава циркония с ниобием к снаряжению с электронно-лучевой сваркой заглушки к одному концу оболочки, снаряжение столба топливных таблеток в открытый конец оболочки с фиксацией фиксаторами, контроль и разбраковку по длине столба топливных таблеток, зазорам между ними, длине компенсационного пространства, по наличию фиксаторов гамма-абсорбционным методом, герметизацию контактной стыковой сваркой второй заглушки к открытому концу снаряженной оболочки под давлением гелия под оболочкой, контроль и разбраковку по давлению гелия под оболочкой и качеству сварных швов, поверхностную химическую обработку в смеси кислот НNО₃ и HF, промывку, анодирование в щелочи, промывку и сушку тепловыделяющего элемента, отличающийся тем, что в процессе конверсии гексафторида урана UF₆ в диоксид урана UO₂ в воздушно-водородном пламени подачу в зону горения гексафторида UF₆ осуществляют до момента снижения скорости потока газообразного гексафторида, подачу переключают на новый поток газообразного гексафторида, а поток со сниженной скоростью направляют на конденсацию в промежуточную емкость, по мере наполнения которой, определяемого взвешиванием, испаряют, и газообразный поток гексафторида вновь направляют в зону горения, при угрозе взрывного горения воздушно-водородного пламени зону горения мгновенно заполняют защитным газом азотом с отключением подачи водорода, после отделения твердых частиц фторокислов урана обесфторивание их термической обработкой в водороде и перегретом водяном паре во вращающейся печи осуществляют при 650-660°С в первой зоне, глубокое обесфторивание от находящегося в соединении с ураном фтора осуществляют при 660-665°С во второй зоне, а в третьей зоне при 665-670°С осуществляют формование порошка диоксида урана сфероидизацией частиц порошка, полученный порошок диоксида урана UO₂ охлаждают в газовой среде азота до 18-20°С, подвергают магнитной сепарации, просеиванию через сетку с ячейками не более 125 мм и с содержанием не более 15% мелкой 70 мкм фракции гомогенизации в газовой среде азота, при этом на операциях воздействия на оборудование фтористо-водостойкой кислоты HF и ее паров используют оборудование из антикоррозионного материала, операции прессования и измельчения “шашки”, просеивания, смешения порошка с пластификатором, прессование топливных таблеток осуществляют в газовой среде азота, контроль по плотности гамма-абсорбционным методом готовых топливных таблеток после спекания в водородной среде, мокрого шлифования и сушки в газовой среде азота проводят путем вибрационного перемещения потока топливных таблеток через зону γ-излучения и измерения по формуле

N=No х е^-mpd,

где N - число фотонов, регистрируемых детектором при наличии топливной таблетки,

No - число фотонов, регистрируемых детектором в отсутствие топливной таблетки,

m - массовый коэффициент ослабления,

р - плотность топливной таблетки,

d - толщина контролируемой зоны топливной таблетки,

определяют плотность топливной таблетки по формуле

р=ln (No/N) / md

и отбраковывают топливные таблетки с плотностью до 10,4 г/см³ и выше 10,7 г/см³, отбракованные топливные таблетки диоксида урана окисляют до оксида урана и 10-12% возвращают в смесь диоксида урана с пластификатором, фтористо-водородную кислоту HF после конденсации отходящих газов подвергают абсорбционной очистке от урана на анионитовой смоле и возвращают в технологический процесс на поверхностную химическую обработку тепловыделяющих элементов на приготовление травильного раствора.