СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2008 года по МПК G21C3/62 G21C21/10 

Описание патента на изобретение RU2317601C1

Изобретение относится к атомной промышленности, в частности используется в ядерной технике при изготовлении таблетированного топлива из диоксида урана для тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов.

Известен способ изготовления таблетированного топлива, который включает подготовку шихты к прессованию, смешение порошка диоксида урана с раствором поливинилового спирта (Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. / Под ред. Ф.Г.Решетникова. М.: Энергоатомиздат, 1995 г. Книга 1, стр.95).

К недостаткам можно отнести дополнительную энергоемкую стадию удаления воды, снижение ядерной безопасности и производительности.

Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту является способ-прототип (патент RU №2158030, G21C 3/62, G21C 21/10, 20.10.2000) изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, в котором порошок диоксида урана UO2, полученный методом мокрого превращения с восстановлением из диураната аммония (АДУ-процессом) без операций уплотнения, смешивают с сухим связующим - стеаратом цинка в среде инертного газа и оксидом урана U3O8, полученным из брака таблеток после термического окисления воздухом, прессуют в матрице со стеаратом цинка [Zn(C17H35COO)2], спекают в восстановительной среде, шлифуют мокрым методом, сушат и отбраковывают бракованные таблетки.

Недостатком способа-прототипа является использование порошка диоксида урана UO2, полученного методом мокрого превращения с восстановлением из диураната аммония, так как при его получении неизбежно образуются сточные воды, содержащие уран, что ухудшает экологию. Постадийное добавление пластификатора повышает трудоемкость процесса.

Технической задачей изобретения является уменьшение энергетических затрат, повышение ядерной и радиационной безопасности в технологическом процессе изготовления таблетированного топлива из диоксида урана, а также повышение производительности и выхода годных топливных таблеток.

Задача решается благодаря тому, что в способе изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающем смешение порошка диоксида урана с пластификатором, прессование таблеток из полученной шихты, их спекание, шлифование и сушку, согласно формуле изобретения диоксид урана получают пирогидролизом гексафторида урана, в качестве пластификатора используют легкоплавкие полимерные соединения, после смешения порошка диоксида урана с пластификатором шихту нагревают до температуры плавления пластификатора.

Задача также решается благодаря тому, что в качестве пластификатора применяют полиэтиленгликоль в количестве до 3 мас.%.

Технология получения порошка диоксида урана пирогидролизом гексафторида урана дешевле и более экологична по сравнению с технологией получения диоксида урана восстановлением из диураната аммония (АДУ-процессом). Однако порошок диоксида урана, полученный пирогидролизом гексафторида урана, характеризуется отсутствием текучести, низкой насыпной массой и плохой формуемостью, поэтому требуется подготовка пресс-порошка для придания технологических свойств. Введение легкоплавкого полимерного пластификатора с последующим нагревом шихты диоксида урана приводит к образованию пленки пластификатора на поверхности частиц порошка. Нанесенная таким образом пленка пластификатора снижает трение между частицами и приводит к появлению текучести и повышению насыпной массы. Введение полиэтиленгликоля более 3 мас.% приводит к повышению открытой пористости спеченных таблеток.

В процессе прессования таблеток из шихты, полученной по предлагаемому способу, за счет тепла, выделяющегося при внутреннем трении частиц между собой, образуется жидкая прослойка пластификатора, повышающая скольжение частиц. Это позволяет увеличить степень формуемости порошка диоксида урана в таблетке. При снятии нагрузки прессования пластификатор затвердевает, образуя прочный каркас между частицами, повышая механическую прочность и, соответственно, выход годных таблеток.

Способ осуществляется следующим образом.

Порошок диоксида урана, полученный пирогидролизом гексафторида урана, смешивают с порошком полиэтиленгликоля в количестве 3 мас.% с последующим нагреванием до 70°С. Полученную шихту после остывания направляют на прессование таблеток с последующим их спеканием в газообразной восстановительной среде, шлифование и сушку.

Пример осуществления способа

Порошок диоксида урана, полученный пирогидролизом гексафторида урана, имеет следующие свойства:

- насыпная плотность: около 1 г/см3;

- удельная поверхность: около 2,1 м2/г;

- порошок не вытекает из расходомера с диаметром 10 мм.

С использованием этого порошка приготавливают шихту с совместным смешением 97 частей по массе порошка UO2 и 3 частей по массе полиэтиленгликоля, нагревают до температуры 70°С.

Операцию приготовления шихты из порошка UO2 осуществляют в одну стадию прямым смешением.

Получают порошок со следующими свойствами:

- насыпная плотность: 2,3 г/см3;

- порошок массой 100 г вытекает из расходомера с диаметром 10 мм за 4 с.

Таким образом, получают шихту, имеющую свойства, необходимые для прессования топливных таблеток.

Прессование осуществляют на роторном прессе с производительностью около 110 табл./мин. При усилии прессования 2 т/см2 достигается плотность таблеток, равная 5,5 г/см3.

Прочность таблеток оценивают по методике, заключающейся в том, что таблетку помещают между двумя параллельными пластинами и измеряют силу, необходимую для ее разрушения. Таким образом, прочность таблеток составляет по торцу 35 кгс/см2.

Далее таблетки спекают в водородной печи с нарастанием температуры до 1750°С в течение 45 часов. При этом плотность спеченных таблеток составляет 97,6% от теоретической, а открытая пористость менее 0,3%.

После проведения стадий шлифования и сушки таблеток проводят их разбраковку. Таким образом, выход годных таблеток составил 90%.

В таблице приведены сравнительные технологические характеристики шихты и полученного из нее таблетированного топлива.

Для сравнения способов изготовления таблетированного топлива было изготовлено три партии.

Партия 1. В исходный порошок диоксида урана ввели 7% водного раствора ПВС с концентрацией 70 г/л. Полученную шихту сушили до влажности 0,6%.

Партия 2. Исходный порошок смешивали с 1% стеаратом цинка.

Партия 3. Порошок диоксида урана смешивали с порошком полиэтиленгликоля в количестве 3 мас.% с последующим нагреванием до 70°С.

Определялись следующие технологические свойства шихты: насыпной вес и текучесть по стандартным методикам. Прессование всех партий осуществляли при усилии 2 т/см2 на роторном гидравлическом прессе. Проводили исследование полученных таблеток с определением прочности и плотности, указанными в таблице. Далее таблетки трех партий спекали с нарастанием температуры до 1750°С в течение 45 часов.

Значения, полученные в ходе эксперимента, представлены в таблице.

ТаблицаПараметрыПартия 1 (с поливиниловым спиртом)Партия 2 (со стеаратом цинка)Партия 3 (с полиэтиленгликолем)Текучесть, с4не течет4Насыпная плотность, г/см32,311,922,3Усилие прессования топливных таблеток, т/см2222Плотность прессованных таблеток, г/см35,435,015,55Прочность по торцу, кгс/см229,4910,8735,00Плотность спеченных таблеток, г/см310,5510,4310,70Открытая пористость спеченных таблеток, %<0,30,4<0,3Выход годной продукции, %72,444,290,0

Похожие патенты RU2317601C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2004
  • Бачурин Владимир Дмитриевич
  • Вергазов Константин Юрьевич
  • Лузин Александр Михайлович
  • Филиппов Евгений Александрович
  • Чапаев Игорь Геннадьевич
RU2293379C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2007
  • Локтев Игорь Иванович
  • Зарубин Михаил Григорьевич
  • Кулешов Александр Владимирович
  • Струков Александр Владимирович
  • Гончаров Юрий Валерьевич
  • Хлытин Александр Леонидович
  • Вергазов Константин Юрьевич
  • Рахматуллин Ринат Зуфарович
  • Филиппов Евгений Александрович
  • Поздняков Севастьян Сергеевич
  • Гохвайс Вячеслав Владимирович
RU2360307C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1998
  • Афанасьев В.Л.
  • Рожков В.В.
  • Забелин Ю.В.
  • Костин А.Л.
  • Лавренюк П.И.
  • Бибилашвили Ю.К.
  • Чапаев И.Г.
  • Батуев В.И.
  • Сайфутдинов С.Ю.
  • Филиппов Е.А.
  • Бычихин Н.А.
RU2158030C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2007
  • Аброськин Игорь Евгеньевич
  • Чапаев Игорь Геннадьевич
  • Филиппов Евгений Александрович
  • Вергазов Константин Юрьевич
  • Лузин Александр Михайлович
RU2360311C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ 2003
  • Зарубин М.Г.
  • Батуев В.И.
  • Бычихин Н.А.
  • Забелин Ю.В.
  • Чапаев И.Г.
  • Лузин А.М.
  • Филиппов Е.А.
RU2252459C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ИЗ ДИОКСИДА УРАНА 2001
  • Афанасьев В.Л.
  • Рожков В.В.
  • Александров А.Б.
  • Чапаев И.Г.
  • Батуев В.И.
  • Филиппов Е.А.
  • Сайфутдинов С.Ю.
  • Кустов Л.В.
  • Шатунов С.Б.
  • Труш А.Г.
RU2209476C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ 2013
  • Русин Юрий Григорьевич
  • Карманов Борис Андронович
  • Шевченко Галина Михайловна
  • Кириллов Евгений Викторович
RU2569928C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ 2005
  • Локтев Игорь Иванович
  • Вергазов Константин Юрьевич
  • Александров Александр Борисович
  • Филиппов Евгений Александрович
  • Зарубин Михаил Григорьевич
  • Дробяз Андрей Иванович
  • Гончаров Валерий Иванович
  • Бачурин Владимир Дмитриевич
  • Лузин Александр Михайлович
RU2303300C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2006
  • Вергазов Константин Юрьевич
  • Зарубин Михаил Григорьевич
  • Филиппов Евгений Александрович
  • Бычихин Николай Андреевич
  • Чапаев Игорь Геннадьевич
  • Струков Александр Владимирович
  • Кочнев Виктор Александрович
RU2338274C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ 2019
  • Меркулов Игорь Александрович
  • Дьяченко Антон Сергеевич
  • Апальков Глеб Алексеевич
  • Алексеенко Владимир Николаевич
  • Орлов Даниил Николаевич
  • Волк Владимир Иванович
  • Красников Леонид Владиленович
  • Лумпов Александр Александрович
RU2701542C1

Реферат патента 2008 года СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к атомной промышленности, в частности используется в ядерной технике при изготовлении таблетированного топлива из диоксида урана для тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов включает смешение порошка диоксида урана с пластификатором, прессование таблеток из полученной шихты, их спекание, шлифование и сушку. Диоксид урана получают пирогидролизом гексафторида урана, а в качестве пластификатора используют легкоплавкие полимерные соединения. После смешения порошка диоксида урана с пластификатором шихту нагревают до температуры плавления пластификатора. В качестве пластификатора применяют полиэтиленгликоль в количестве до 3 мас.%. Изобретение позволяет уменьшить энергетические затраты, повысить ядерную и радиационную безопасность, а также повысить производительность и выход годных топливных таблеток. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Формула изобретения RU 2 317 601 C1

1. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий смешение порошка диоксида урана с пластификатором, прессование таблеток из полученной шихты, их спекание, шлифование и сушку, отличающийся тем, что диоксид урана получают пирогидролизом гексафторида урана, в качестве пластификатора используют легкоплавкие полимерные соединения, после смешения порошка диоксида урана с пластификатором шихту нагревают до температуры плавления пластификатора.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластификатора применяют полиэтиленгликоль.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пластификатор берут в количестве до 3 мас.%.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2317601C1

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1998
  • Афанасьев В.Л.
  • Рожков В.В.
  • Забелин Ю.В.
  • Костин А.Л.
  • Лавренюк П.И.
  • Бибилашвили Ю.К.
  • Чапаев И.Г.
  • Батуев В.И.
  • Сайфутдинов С.Ю.
  • Филиппов Е.А.
  • Бычихин Н.А.
RU2158030C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ДИОКСИДА УРАНА ДЛЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА 2002
  • Абрамов Николай Васильевич
  • Бирюкова Алла Геннадьевна
  • Гагарин Александр Евгеньевич
  • Гофман Андрей Альбертович
  • Кучковский Анатолий Андреевич
  • Кениг Вадим Карлович
  • Яшин Сергей Алексеевич
RU2240286C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЧЕННОГО ОКСИДА УРАНА 2000
  • Стецкий Ю.А.
  • Забойкин В.Д.
  • Супрун В.Б.
  • Александров А.Б.
  • Аброськин И.Е.
  • Звонцов А.С.
  • Соломенцев С.Ю.
  • Никитин А.Ф.
RU2182378C2
US 4696769 A, 29.09.1987.

RU 2 317 601 C1

Авторы

Кучеренко Андрей Владимирович

Поздняков Севостьян Сергеевич

Хлытин Александр Леонидович

Вергазов Константин Юрьевич

Даты

2008-02-20Публикация

2006-06-13Подача