СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ Российский патент 2007 года по МПК G21C17/06 G21C21/00 G21C3/62 

Изобретение относится к области ядерной технологии и может найти применение на предприятиях по изготовлению таблетированного ядерного, преимущественно уран-гадолиниевого, топлива для энергетических реакторов.

При производстве топлива для ядерных реакторов к нему применяются строгие требования, в том числе по гомогенности порошка и количественному содержанию в нем примесей, в том числе Gd₂О₃. В связи с этим необходим контроль этих и других параметров в процессе производства.

Известны различные способы определения магнитных добавок (примесей) в радиоактивном материале на основе определения магнитной восприимчивости (см. Method of detecting magnetic additives in nuclear fuel material by noting change in weight of material when weighed in a magnetic field. Патент US3787761 от 22.01.1977 г, авторы Grossman L и Packard D, заявитель GEN ELECTRIC). В приведенном способе магнитная восприимчивость оценивается с помощью разницы между весом пробы ядерного топлива и весом пробы в магнитном поле, при этом проба (образец) помещается в точке максимального градиента магнитного поля, а для оценки магнитной восприимчивости используется относительная единица мгс/г (миллиграмм силы на грамм веса).

К недостаткам известного способа относятся следующие:

1) способ требует двух точных измерений с некими манипуляциями между ними;

2) малая величина полезного сигнала измеряется на фоне большого, что снижает точность метода;

3) используется метод Фарадея (см. В.Г.Антонов, Л.М.Петров, А.П.Щелкин. Средства измерений магнитных параметров материалов. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1986. - 216 с.):

где F - сила взаимодействия; f - сила, действующая на элементарный объем dV, а Х - координата.

Результат измерения зависит от объема (массы) пробы (образца), а в случае непостоянства градиента магнитного поля - от формы образца. Сложно получить постоянный градиент на протяженном участке. Поэтому всегда будет сохраняться зависимость силы от формы пробы, при этом зависимость от массы будет нелинейной. Насыпные пробы могут иметь поверхность, форма которой (неровность, горка, наклон) будет влиять на результат, а попытка выровнять ее сопряжена с определенной трудностью и дополнительными манипуляциями с пробой;

4) точность контроля для пробы массой 1 г 2%-й уран-гадолиниевой смеси составляет ±0,3% веса, в то время как для того, чтобы соблюсти требования по точности содержания и неравномерности распределения Gd₂О₃, необходима точность измерения не хуже ±0,1%.

Известен способ производства уран-гадолиниевого топлива (см. Атомная энергетика на пороге XXI века. Сборник рефератов научно-технической конференции 8-10 июня 2000 г., ОАО «Машиностроительный завод», г.Электросталь, Россия, с.90-92) - прототип, содержащий операции смешивания оксидов урана и гадолиния, приготовления пресспорошка, формования прессовок и последующего их спекания, недостатком которого является то, что равномерное распределение окиси гадолиния (гомогенность) в смеси порошка оценивается по времени смешивания без последующего инструментального контроля качества смешивания.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение качества ядерного таблетированного, преимущественно уран-гадолиниевого, топлива за счет инструментального контроля гомогенности и количественной оценки содержания Gd₂O₃ на всех этапах его производства и управления временем смешивания.

Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления таблетированного, преимущественно уран-гадолиниевого, топлива для ядерных реакторов, заключающемся в смешивании оксидов урана и гадолиния, приготовлении пресспорошка, формовании прессовок и последующем их спекании, согласно изобретению на каждом технологическом этапе производства отбирают N проб топлива одинакового объема, каждую из которых размещают на упоре, расположенном в непосредственной близости от поверхности магнита, присоединенного к силоизмерительному устройству, и по показаниям силоизмерительного устройства оценивают магнитную восприимчивость пробы топлива, при этом выбирают пробу высотой L_o, относящейся к толщине h_m магнита как L_o≥2h_m. Другим отличием является то, что каждую из N проб перед размещением на упоре помещают в емкость из диамагнитного или слабого парамагнитного материала с известной магнитной характеристикой.

Представленная совокупность признаков является новой, не известной из уровня техники, так как введение в технологический процесс инструментального контроля магнитной характеристики уран-гадолиниевого топлива позволяет обоснованно управлять временем смешивания порошков и повысить качество топлива за счет контроля равномерности распределения гадолиния по объему смешиваемой массы, оценивания его как качественно, так и количественно, получить результат непосредственно за одно измерение, что значительно упрощает процедуру измерения, позволяет получать результат непосредственно в области малых величин, что существенно повышает точность измерения.

В основу метода измерения магнитной характеристики вещества, на котором основан предлагаемый способ, положено физическое явление, заключающееся в том, что при помещении образца вещества во внешнее неоднородное магнитное поле между внешним магнитным полем и полем, наведенным в образце, возникает сила F, пропорциональная магнитной восприимчивости образца и его геометрическим размерам, которая измеряется с помощью силоизмерительного устройства.

Поскольку способ в своей основе для измерения магнитной восприимчивости имеет метод Гюи, то есть метод, инвариантный к массе, выраженный формулой:

,

где F - сила, гс;

μ₀ - магнитная проницаемость материала;

S - площадь сечения пробы, мм²;

B₁, В₂ - магнитная индукция верхнего края и в основании пробы соответственно, Тл,

и с учетом того, что B₁≪B₂, то ,

то равномерность градиента магнитного поля при измерении предлагаемым способом не имеет значения. Проба помещается на упор непосредственно или в немагнитной емкости, например стакане, при этом форма верхней поверхности пробы не влияет на точность измерения; при равномерном смешивании измеряемые силы от проб будут одинаковыми и находиться в пределах погрешности силоизмерителя, так как верхний край пробы находится практически в поле магнитной индукции B₁≪B₂.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.

На фиг.1 представлено инструментальное оформление операции контроля предложенного способа;

на фиг.2 - экспериментальные результаты определения гомогенности проб и содержания Gd₂O₃ в пробе;

на фиг.3 - таблица и график зависимости магнитной индукции от размера пробы.

Для контроля качественных и количественных характеристик уран-гадолиниевого топлива на всех этапах его производства отбирают N проб топлива одинакового объема, каждую из которых помещают в немагнитную емкость 1 или непосредственно устанавливают на упор 2, расположенный в непосредственной близости от магнита 3, соединенного с силоизмерительным прибором 4. Возникающие для каждой пробы значения силы F передают с силоизмерительного прибора 4 на компьютер, где оценивают и анализируют. Равенство друг другу значений силы от всех N отобранных проб топлива указывает на гомогенность топлива и является основанием для перехода к следующему технологическому этапу производства топлива до его завершения. Соразмерность значений силы с этими значениями у стандартного образца свидетельствует о наличии необходимого количественного содержания составляющих смеси в пробе топлива.

Пример осуществления способа.

После первоначального смешивания оксидов урана и гадолиния отбирают пять проб топлива, помещают их по очереди на упор непосредственно (таблетка - прессовка) или в алюминиевом стакане цилиндрической формы диаметром 6 мм и высотой 12 мм, измеряют с помощью силоизмерительного устройства, состоящего из весов типа "Mettler Toledo" и постоянного магнита, например, на основе NdFeB, магнитную характеристику каждой пробы. Если разность измеренного значения каждой пробы и их среднего будет не более заданного в программе компьютера значения, например ±2% (см. таблицу), переходят к следующей технологической операции. На следующем технологическом этапе производят аналогичные измерения и так далее.

Таблица№ пробыСмесь 5%
Показания силоизмерительного устройства, гсСмесь 3%
Показания силоизмерительного устройства, гс10,01570,010220,01560,010130,01550,010040,01570,010150,01560,0102

Экспериментальные результаты определения гомогенности проб и содержания Gd₂O₃ в пробе представлены на фиг.2, при этом точность дозирования пробы несущественна, при условии, что высота пробы не менее 10 мм, что подтверждается фиг.3, так как сила при увеличении высоты пробы остается практически постоянной. Приведены средние значения по 16 пробам.

Предложенный способ изготовления таблетированного топлива для ядерных реакторов прошел испытания и признан годным для использования в производстве, так как позволяет повысить качество продукции за счет повышения точности контроля и измерения основных технологических характеристик продукции с одновременным упрощением процедуры контроля и измерения без усложнения конструкции аппаратурного оформления технологического процесса.

Изобретение относится к области ядерной технологии и может применяться на предприятиях по изготовлению таблетированного ядерного, преимущественно уран-гадолиниевого, топлива для энергетических реакторов. Изготовление таблетированного топлива для ядерных реакторов включает операции: смешивание оксидов урана и гадолиния, приготовление пресспорошка, формование прессовок и последующее их спекание. На каждом технологическом этапе производства отбирают N проб топлива одинакового объема. Каждую пробу размещают на упоре, расположенном в непосредственной близости от поверхности магнита. Магнит присоединен к силоизмерительному устройству. По показаниям силоизмерительного устройства оценивают магнитную восприимчивость пробы топлива. Выбирают пробу высотой в два раза больше, чем толщина магнита. Изобретение позволяет повысить качество продукции за счет повышения точности контроля и измерения основных технологических характеристик продукции с одновременным упрощением процедуры контроля и измерения без усложнения конструкции аппаратурного оформления технологического процесса. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления таблетированного, преимущественно уран-гадолиниевого, топлива для ядерных реакторов, включающий операции смешивания оксидов урана и гадолиния, приготовления пресспорошка, формования прессовок, последующего их спекания, отличающийся тем, что на каждой операции отбирают N проб топлива одинакового объема, каждую из которых размещают на упоре, расположенном непосредственно у поверхности магнита, присоединенного к силоизмерительному устройству, показания силоизмерительного устройства передают на компьютер, анализируют магнитную восприимчивость проб и по результатам анализа делают вывод о переходе к следующей операции, при этом каждую из N проб выбирают высотой, по крайней мере, в два раза большей, чем толщина магнита.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждую из N проб перед размещением на упоре помещают в емкость из слабого парамагнитного материала с известной магнитной характеристикой.