СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТОК ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2008 года по МПК G21C3/62 

Изобретение относится к способу получения таблеток ядерного топлива, содержащих в основном диоксид урана UO₂ и применяемых в производстве топливных элементов ядерного реактора.

Топливные элементы ядерных реакторов, в частности реакторов с водяным охлаждением под давлением, содержат, как правило, трубы большой длины с закрытыми концами, в которых располагаются топливные таблетки диаметром, как правило, несколько меньше 10 мм и длиной от 10 до 20 мм.

Топливные таблетки изготавливают спеканием материала, содержащего преимущественно диоксид урана UO₂, полученного из порошка, производимого способом конверсии гексафторида урана UF₆, как правило, при температуре около 1700°С.

Известны разные способы получения оксидов урана, в частности диоксида урана UO₂, конверсией гексафторида урана UF₆. В частности, известен способ конверсии, называемый «способом сухой конверсии», газообразного гексафторида урана, который представляет собой способ пирогидролиза гексафторида урана водяным паром. Данный способ позволяет получать оксиды, средний состав которых может выражаться формулой UO_2+x. Эти оксиды содержат главным образом диоксид UO₂ и другие оксиды, такие, как U₃O₈ или U₃O₇, в разных количествах в зависимости от режима способа конверсии UF₆, при этом полученный сухими способами порошок обладает низкой плотностью (как правило менее 1 г/см³) и состоит из кристаллитов очень малого размера (0,1-0,4 мкм), агломерированных между собой в большей или меньшей степени. Такой порошок обладает незначительной сыпучестью (замеренной посредством обычных тестов на сыпучесть).

При получении топливных таблеток необходимо перед спеканием изготавливать сырые таблетки холодным прессованием гранулированного материала. Изготовление сырых таблеток прессованием делает необходимым введение гранулированного материала в узкие и глубокие цилиндрические матрицы с большой скоростью в случае промышленного производства, вследствие чего гранулированный материал для изготовления сырых таблеток, подвергаемых затем спеканию, должен обладать хорошей сыпучестью и другими свойствами для получения сырых таблеток с достаточной прочностью, необходимой для манипуляций перед спеканием.

Для улучшения механических свойств сырых таблеток известны разные способы (например, добавка порошка U₃O₈ определенного качества, который описан, например, в патенте Франции №2599883 и в европейском патенте №0249549). Как правило, эти способы основаны на добавке в UO₂ определенного количества оксида, например, U₃O₈ или U₃O₇, Как правило, при изготовлении сырых таблеток также требуется вводить в гранулированный материал добавки, такие как смазывающие вещества и порообразователи, которые облегчают формование сырых таблеток и регулируют пористость и плотность спеченных топливных таблеток.

Порошки из оксида урана, полученные способами конверсии гексафторида урана и, в частности, сухими способами, не могут применяться без преобразования при производстве сырых таблеток. Как правило, требуется большое количество операций для получения гранулированного материала с хорошей сыпучестью и плотностью, значительно превосходящей плотность порошка, и свойствами, необходимыми для изготовления высококачественных таблеток. В частности, необходимо увеличить и гомогенизировать гранулометрический состав порошков для получения частиц достаточного размера и формы, улучшающей сыпучесть и уплотняемость.

Обычно на первом этапе в цехе для проведения конверсии производят просеивание порошков, полученных непосредственно способом сухой конверсии, и/или измельчение твердых частиц (например, фторсодержащих), задержанных при просеивании, гомогенизацию порошков, их загрузку и хранение для последующего использования в цехе таблетирования, который может располагаться вблизи или вдали от цеха конверсии.

Затем порошки загружают в смеситель в цехе таблетирования с введением добавок, в частности порообразователей, производят смешивание и гомогенизацию порошков и добавок, предварительное уплотнение смеси порошков в прессе для изготовления предварительно уплотненных элементов. После этого предварительно уплотненные элементы подвергают операции гранулирования в дробилке или грануляторе, проводят операцию по приданию сферической формы для получения частиц правильной формы, близкой к сферической, в смесительной емкости. После этого добавляют смазывающее вещество, которое смешивается с частицами при перемешивании перед прессованием сырых таблеток, подвергаемых затем спеканию.

Следовательно, перевод порошка, непосредственно полученного способом конверсии UF₆, в зернистый материал для прессования сырых таблеток требует проведения множества операций, которые все должны проводиться в удовлетворительных условиях, обеспечивающих изготовление сырых таблеток и спеченных таблеток высокого качества. Весь комплекс операций требует наличия множества разных аппаратов, например смесителей, прессов (или валковых уплотнителей) и грануляторов-дробилок, которые часто выходят из строя. Основное обстоятельство риска - это разрушение сита на выходе из гранулятора, наличие которого необходимо для обеспечения однородного и удовлетворительного гранулометрического состава дисперсного материала, предназначенного для изготовления сырых таблеток. В случае разрушения сита полученные продукты подлежат повторной обработке для удаления металлических остатков разрушенного сита и для гарантии гранулометрического состава, необходимого для изготовления таблеток.

Также известно получение порошка оксида урана влажным способом, при котором применяется обработка распылением суспензии. Порошки, полученные влажными способами, имеют плотность и сыпучесть, превосходящие порошки, получаемые сухими способами, а также гранулометрический состав, который сегодня нельзя получить непосредственно известными сухими способами. Однако такие порошки должны быть подвергнуты дополнительным видам обработки перед приданием им формы сырых таблеток и последующего спекания. Кроме того, все более возрастает тенденция перехода с влажных способов на сухие в связи с безопасностью и защитой окружающей среды, и становится необходимым снабжение заводов, традиционно использующих полученные влажным способом изделия, порошками из UO₂, изготовленными сухим способом.

В частности, в случае изготовления смешанного горючего МОХ из смеси диоксида урана UO₂ и диоксида плутония PuO₂ необходимо обеспечить снабжение заводов приготовленными сухим способом порошками из UO₂.

Способы изготовления таблеток из применяемой в настоящее время смеси оксидов урана и плутония требуют применения порошков из UO₂, обладающих хорошей сыпучестью, состоящих из гранул преимущественно правильной формы и имеющих высокую плотность, достигающую около 2 г/см³, упорядоченный гранулометрический состав менее 250 мкм, что необходимо для получения хорошей смеси урана с оксидом плутония и свойств, позволяющих изготовить сырые таблетки с высокой механической прочностью.

Для придания порошкам, полученным сухим способом, удовлетворительных показателей плотности, сыпучести и гранулометрического состава предложен способ сушки распылением порошков оксида урана, полученных сухим способом, который может применяться в промышленном масштабе для порошка оксида урана с ограниченным содержанием изотопа U₂₃₅.

Также предложено в целях улучшения сыпучести, плотности и гранулометрического состава полученных сухим способом порошков изготавливать гранулы путем предварительного уплотнения и последующей грануляции. Однако получаемые гранулы имеют слишком большой размер (до 1200 мкм) и не позволяют получать однородную смесь с порошком оксида плутония. Следовательно, приходится проводить дополнительные операции по грануляции или дроблению с просеиванием гранул. Традиционные приемы просеивания ухудшают сыпучесть и снижают плотность продуктов. Кроме того, операции являются сложными и связаны с определенной опасностью, которую представляет проволока используемых сит в случае их разрушения, вследствие чего ее остатки могут смешаться с гранулами, что приведет к повреждению оборудования таблетирования гранул. Как правило, помимо добавки оксида плутония PuO₂, при изготовлении топлива МОХ в порошки из UO₂, полученные сухим способом, могут быть введены многочисленные добавки. Такими добавками могут служить, например, поглотители и замедлители или эффективные топливные материалы, например, ThO₂ или оксиды редких земель, такие как Gd₂O₃, Er₂О₃. Для введения и смешивания таких добавок с порошком из UO₂, полученным сухим способом, необходима предварительная обработка для доводки порошка UO₂, например, более или менее выраженная гомогенизация путем сушки распылением при необходимости с последующими операциями предварительного уплотнения и грануляции, причем данные операции дополняются несколькими последующими этапами измельчения и/или просеивания. Следовательно, эти способы являются сложными и требуют многочисленных этапов по доводке порошка UO₂ и смешиванию его с добавками.

Как было указано выше, в случае приготовления топлива преимущественно на основе оксида урана UO₂ производят, как правило, смешивание порошков UO₂ и U₃O₈ (или U₃O₇) в соотношении 80/20 или предпочтительно 90/10. Применяемые оксиды U₃O₈ могут быть получены непосредственно сухим способом в условиях, в которых осуществляется пирогидролиз гексафторида урана UF₆ водяным паром. U₃O₈ или U₃O₇ могут быть также получены окислением порошка из UO₂ при низкой температуре. Оксиды U₃О₈ или U₃O₇ могут добавляться в исходный порошок или вводиться в смесители в цехе таблетирования перед этапом предварительного уплотнения.

Другие добавки для модификации микроструктуры топливных таблеток, такие как оксид хрома, глинозем, диоксид кремния, оксиды ванадия и ниобия и другие соединения, могут вводиться и смешиваться с диоксидом урана, полученным сухим способом, на разных этапах процесса, для которых, в любом случае, требуется приготовление дисперсного материала с необходимыми свойствами для изготовления сырых таблеток. Такие операции по введению и смешиванию еще больше усложняют приготовление дисперсного материала.

Как правило, требуется также применять смазывающие вещества на некоторых этапах процесса, например перед предварительным уплотнением и прессованием дисперсного материала для получения сырых таблеток.

Как правило, операции, предшествующие изготовлению сырых таблеток, являются сложными и многочисленными, особенно в случае применения полученного сухим способом оксида урана UO₂, являющегося слабосыпучим или несыпучим и мелкозернистым, причем такие способы должны заменить собой влажный способ.

Следовательно, целью изобретения является создание способа получения таблеток ядерного топлива спеканием материала с содержанием диоксида урана UO₂, полученного из порошка, приготовленного способом конверсии гексафторида урана UF₆, который позволяет упростить операции получения дисперсного материала с содержанием диоксида урана UO₂ со свойствами, необходимыми для получения сырых таблеток, подвергаемых затем спеканию.

Для этой цели в емкость с подвижными телами для сжатия и смешивания вводят порошок, полученный непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF₆, и проводят встряхивание емкости таким образом, чтобы порошок перемещался во всем пространстве емкости по трем некомпланарным осям с тем, чтобы происходило уплотнение между подвижными телами и между подвижными телами и стенкой емкости до образования дисперсного материала с плотностью в неуплотненном состоянии не менее 1,7 г/см³, дисперсный материал, полученный смешиванием в емкости, применяют для формования сырых топливных таблеток прессованием, которые затем спекают.

Способ согласно изобретению может содержать следующие, взятые отдельно или в сочетании признаки:

- емкость приводят в трехмерное вибрационное движение;

- введенный в емкость порошок получают способом сухой конверсии, его плотность составляет менее 1 г/см³, плотность дисперсного материала в неуплотненном состоянии, полученного смешиванием в емкости, составляет около 2 г/см³;

- порошок, полученный непосредственно способом конверсии гексафторида UF₆, имеет плотность менее 1 г/см³ и нулевую сыпучесть, определяемую стандартным тестом путем пропускания через отверстие размером 15 мм, при этом дисперсный материал, полученный смешиванием в емкости, характеризуется сыпучестью свыше 10 г/с после нескольких минут смешивания в емкости;

- проводят встряхивание емкости с подвижными телами и порошком, полученным непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF₆, в течение 1-600 минут;

- подвижные тела для уплотнения и перемешивания в емкости являются свободными телами любой простой геометрической формы со слегка шероховатой поверхностью;

- подвижные тела имеют цилиндрическую форму;

- подвижные тела имеют в основном форму сферических шариков;

- подвижные тела изготовлены из одного из следующих материалов: спеченный глинозем Al₂О₃, спеченный оксид урана, чистый или легированный оксид циркония, карбид вольфрама, стали, металлический уран или уран-титановый сплав;

- перед встряхиванием емкости в нее вводят вместе с порошком диоксида урана UO₂, полученным непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF₆, по меньшей мере, одну добавку, состоящую, по меньшей мере, из одного порообразователя, в количестве не менее 0,01%;

- в емкость вводят вместе с порошком диоксида урана UO₂, полученным непосредственно способом конверсии гексафторида UF₆, по меньшей мере, одну добавку;

- добавку вводят в емкость перед обработкой, производимой путем ее встряхивания;

- добавку вводят в емкость во время обработки встряхиванием;

- добавкой служит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: оксид урана U₃O₈, оксид урана U₃О₇, оксид плутония PuO₂, оксид тория ThO₂, оксид гадолиния Gd₂O₃, порообразующее вещество, смазывающее вещество, присадки для спекания;

- для изготовления топливных таблеток из смеси оксида урана и оксида плутония (МОХ) емкость помещают в замкнутую камеру типа перчаточного бокса, вводят в емкость порошки оксида урана, оксида плутония и добавки и встряхивают ее по команде, подаваемой с наружной стороны замкнутой камеры;

- перед формованием сырых таблеток прессованием дисперсного материала, полученного смешиванием в емкости, в этот материал добавляют смазывающее вещество и производят их смешивание для распределения смазывающего вещества по частицам дисперного материала;

- дисперсный материал, содержащий в основном оксид урана UO₂ и полученный смешиванием приготовленного конверсией порошка, смешивают перед формованием сырых таблеток с помощью подвижных тел с порошком оксида плутония PuO₂ для приготовления топлива МОХ.

Для лучшего понимания сущности изобретения описывается несколько примеров осуществления способа согласно изобретению и отдельных средств, применяемых для этого осуществления.

Одним из основных аспектов способа согласно изобретению является то, что он позволяет приготовить за одну операцию уплотнения и смешивания исходного продукта, полученного непосредственно способом конверсии UF₆, дисперсный материал для изготовления сырых таблеток прессованием на прессах, обычно применяемых в производстве сырых таблеток.

Исходным продуктом служит порошок оксида урана с содержанием в основном UO₂, полученный непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF₆, в частности, способом сухой конверсии. Такой порошок, полученный на выходе из установки для конверсии, имеет состав, который может быть в целом обозначен как UO_2+x, причем этот порошок содержит в основном UO₂ и в меньших количествах другие оксиды, например U₃O₈ и U₃O₇. Полученный в конце установки для конверсии порошок состоит из кристаллитов размером от 0,1 до 0,4 мкм, которые частично спрессованы между собой, образуя более или менее хрупкие скопления средней величины, как правило, от 0,5 до 20 мкм. Плотность этого порошка составляет всегда менее 2 г/см³ или даже 1,5 г/см³, часто менее 1 г/см³ или около 0,7-0,9 г/см³. Такой порошок обладает сыпучестью, определяемой стандартным тестом, при котором порошок пропускают через отверстие размером 15 мм в конической емкости, и выражаемой через величину расхода в г/с, при нулевом показателе сыпучести порошок не проходит через указанное отверстие при стандартном тесте.

Все показатели плотности, приведенные в настоящем описании (если не указано особо), являются насыпной плотностью, замеренной стандартным тестом.

Исходный порошок с низкой плотностью, низким гранулометрическим составом и отсутствием сыпучести не может быть использован без преобразования в способе изготовления сырых таблеток.

Также непригодным для изготовления сырых таблеток без промежуточного преобразования является исходный продукт, если им является, например, порошок оксида урана UO₂, полученный влажным способом.

Способ согласно изобретению, включающий в себя только один этап превращения описанного выше исходного порошка в дисперсный материал с плотностью в неуплотненном состоянии более 1,7 г/см³ и хорошей сыпучестью, проводят в емкости, в которую загружают исходный порошок и, при необходимости, добавки, о чем речь пойдет ниже. Применяемая емкость имеет, как правило, стальную стенку, покрытую внутри слоем органического синтетического материала, например полиуретаном, для ограничения или исключения риска истирания стенки емкости и загрязнения введенных в нее продуктов. Как правило, стенка емкости имеет форму, образуемую вращением вокруг оси, например, цилиндрическую или тороидальную. Емкость содержит подвижные тела для уплотнения и смешивания, которые находятся предпочтительно в свободном состоянии внутри емкости и/или могут быть связанными с емкостью, но с возможностью перемещения.

Емкость смонтирована подвижно на опоре и снабжена средствами для перемещения, которые позволяют производить встряхивание, при котором находящиеся внутри емкости материалы, например порошок и подвижные тела для сжатия и смешивания перемещаются по всему пространству емкости, совершая трехмерное движение, т.е. векторы движения содержат составляющие в соответствии с тремя некомпланарными осями пространства. Перемещение материалов внутри емкости может происходить либо только при ее встряхивании, либо одновременно при движении емкости и подъемных элементов, расположенных внутри емкости.

Находящиеся в емкости подвижные тела выполнены, как правило, из металла или твердого сплава или керамического материала. Предпочтительно, чтобы подвижные тела состояли из глинозема или спеченного оксида урана для обеспечения твердости, необходимой для предупреждения загрязнения порошка оксида урана продуктами, способными ухудшить свойства порошка или топливных таблеток.

Расположенные в емкости подвижные тела для уплотнения и перемешивания могут иметь самую разную форму, например цилиндрическую, сферическую или форму куба; этими подвижными телами могут служить, например, шары, кольца, шарики, кубы, цилиндры с плоскими или полусферическими торцами или ролики или тела любой другой формы.

Вместимость емкости может изменяться в широком диапазоне без ухудшения условий для осуществления способа. Она может составлять от нескольких килограммов до нескольких центнеров и даже нескольких тонн, причем вместимость емкости соответствует максимальной массе элементов, которые в ней могут находиться (порошок или подвижные тела).

Учитывая вместимость емкости, некоторые параметры приходится регулировать для достижения оптимальной эффективности превращения порошка оксида урана в дисперсный материал, необходимый для производства сырых таблеток. Этими параметрами являются, в частности, степень заполнения подвижными телами, которая определяется соотношением между общим объемом подвижных тел и полезным объемом емкости, степень заполнения порошком, которая определяется как соотношение между общим объемом загруженного в емкость порошка и полезным объемом емкости, и коэффициентом заполнения «порошок/подвижные тела», который определяется как соотношение между общим объемом загруженного в емкость порошка и объемом свободного пространства между подвижными телами в состоянии покоя емкости.

Как правило, заполнение емкости производится таким образом, чтобы материал покрывал подвижные тела и заполнял промежутки между ними. Также возможны и другие варианты заполнения.

Предпочтительно, чтобы емкость с подвижными телами была установлена на неподвижном основании с возможностью приведения в состояние вибрации и была бы снабжена средствами вибрации, состоящими, как правило, из двигателя с дебалансом.

Согласно отдельному варианту осуществления, показавшему себя удовлетворительным при изготовлении дисперного материала из порошка оксида UO₂, полученного сухой конверсией, была применена дробилка с коммерческим обозначением DM1 фирмы SWECO.

Емкость дробилки содержит стенку тороидальной формы, установленную вертикально по оси вращения на неподвижном основании с помощью спиральных опорных пружин с вертикальной осью. Двигатель для вибрации жестко связан со стенкой емкости, при этом его ось ориентирована по вертикальной оси емкости. Двигатель связан с дебалансами таким образом, что при своем вращении он приводит емкость в колебательные движения с трехмерным качением, причем ось емкости одновременно совершает вращательное и качающееся движения. В емкости свободно располагаются подвижные тела, которые могут иметь, например, сферическую, цилиндрическую или более сложную форму, на которые насыпается обрабатываемый порошок перед включением двигателя для встряхивания емкости. Свободные подвижные тела и порошок перемещаются под действием движений и вибрации емкости по трехмерным траекториям и заполняют значительную часть внутреннего пространства емкости. Во время перемещений свободных подвижных тел и порошка под действием движений и вибрации емкости порошок уплотняется между подвижными телами, а также между подвижными телами и стенкой емкости.

При введении в дробилку DM1 SWECO порошка оксида урана, полученного способом сухой конверсии гексафторида UF₆, неожиданно было отмечено непрерывное повышение гранулометрического состава порошка в зависимости от времени. Дробилка SWECO обозначена изготовителем как вибрационная, которая позволяет доводить гранулометрический состав дисперсного материала или порошка до субмикронных размеров, составляющих до 5 мкм. Обработка в этом известном устройстве полученного сухой конверсией порошка с плотностью около 0,8 г/см³ и с содержанием кристаллитов размером от 0,1 до 0,4 мкм, более или менее связанных между собой в виде скоплений, позволяет получать в результате уплотнения между подвижными телами частицы, гранулометрический состав которых гомогенизируется в зависимости от времени и составляет от 10 до 150 мкм. Плотность порошка возрастает непрерывно в зависимости от времени обработки внутри емкости с подвижными телами и достигает в течение около 2 часов порядка 2 г/см³. Сыпучесть полученного способом сухой конверсии порошка является нулевой, как указывалось выше, и после обработки в течение нескольких минут в емкости с подвижными телами, совершающей колебательные движения, сыпучесть частиц достигает показателя, превышающего 10 г/см³, и очень быстро может достигнуть показателей, составляющих 60 г/см³ и более (эти показатели были получены измерением с помощью упомянутого выше устройства).

Дисперсный материал, полученный обработкой в течение 1 или 2 часов, в отдельных случаях в течение до 150 минут, в емкости с подвижными телами может быть использован для изготовления сырых таблеток прессованием с учетом его плотности, сыпучести и уплотняемости, определяемой в числе прочего формой полученных частиц и их гранулометрическим составом.

Кроме того, обработка внутри вибрирующей емкости с подвижными телами позволяет одновременно получить однородную смесь из порошков оксида урана, приготовленных способом сухой конверсии, и добавок, таких как PuO₂, ThO₂, Gd₂О₃, Er₂О₃, или же порообразующих веществ, таких как органические или минеральные вещества, способные разрушаться при спекании, или смазывающих веществ, таких как стеарат цинка или алюминия или этиленбистеарамид, или присадок, вносимых для изменения кристаллической структуры спеченных таблеток. В находящуюся в емкости смесь можно ввести любую другую добавку, такую как упомянутая выше, вызывающая изменение структуры и состава таблеток.

В смесь могут также вводиться смазывающие вещества, оказывающие порообразующий эффект и служащие для замены обычных порообразователей, таких как продукт, известный под обозначением AZB или оксалат аммония или его производные.

Введение добавок в порошок оксида (содержащего, как правило, UO₂ и U₃O₈) может производиться полностью или частично в момент загрузки емкости перед началом обработки или во время обработки в определенный момент.

Смазывающее или смазывающие вещества добавляются и смешиваются с уже сформировавшимися зернами, а не с исходным порошком для получения смазывающего эффекта на последующем этапе прессования.

Способ согласно изобретению позволяет изготавливать топливо с содержанием преимущественно оксида урана UO₂ и других веществ, например, поглотителей нейтронов, таких как оксид гадолиния или эрбия или расщепляющиеся топливные материалы, такие как оксид плутония, или же топливные материалы, такие, как оксид тория. Эти продукты вводят в емкость в произвольный момент для обеспечения надежного соединения указанных материалов с частицами оксидов урана в виде порошка, полученного конверсией UF₆.

В случае применения токсичных и/или радиоактивных материалов, таких как оксид плутония, необходимо, разумеется, принять меры предосторожности, известные среднему специалисту. Однако способ согласно изобретению, позволяющий получить дисперсный материал, необходимый для изготовления сырых таблеток, за одну операцию внутри единственной емкости с подвижными уплотняющими телами позволяет легко проводить операции без опасности для операторов в результате размещения емкости в защитной камере типа перчаточного бокса, при этом операциями по составлению загрузки, введению добавки и приведению емкости в состояние вибрации можно управлять с наружной стороны защитной камеры.

Согласно предпочтительному варианту осуществления подвижные тела для уплотнения и смешивания находятся внутри емкости в полностью свободном состоянии и являются частью загрузки, вводимой в емкость. В этом случае в емкость прежде всего загружают тела для уплотнения, например шарики или цилиндры, в заданном количестве. Затем загружают порошок, полученный непосредственно способом сухой конверсии гексафторида UF₆, и при необходимости разные добавки. Затем емкости сообщают движения, предпочтительно колебательные. Подвижные тела остаются в емкости, а обработанный продукт выпускают через решетку в ее основании.

Согласно предпочтительному варианту осуществления расположенные внутри емкости подвижные тела выполнены из глинозема Al₂O₃ большой твердости. При осуществлении способа согласно изобретению кинетическая энергия, сообщенная подвижным телам и обеспечивающая уплотнение порошка, является умеренной, благодаря чему снижается энергия удара подвижных тел друг о друга и об стенку емкости. Следовательно, подвижные тела для уплотнения и смешивания подвержены очень ограниченному разрушению, в результате чего загрязнение порошков материалами этих подвижных уплотняющих тел очень незначительное. Кроме того, введение глинозема в малых количествах в топливные таблетки не является недостатком, при этом алюминий может даже оказывать положительное влияние. Проведенные измерения показали, что загрязнение алюминием не превышает нескольких частей на миллион.

В случае применения подвижных тел из спеченного оксида урана UO₂ вместо глинозема полностью устраняется опасность загрязнения элементами, отсутствующими в порошке оксида урана. Кроме того, сокращается время обработки и увеличивается кинетическая энергия благодаря возросшей плотности подвижных тел из спеченного оксида урана (расчетная плотность = 10,96 г/см³). Однако поступление урана в виде его спеченного оксида в порошок вследствие определенного разрушения подвижных тел существенно ухудшает спекание смеси и не обеспечивает других существенных преимуществ.

Для лучшего понимания сущности изобретения ниже описываются несколько примеров осуществления способа.

Приводятся три примера осуществления изобретения, а именно №№1, 2, 3, и один сравнительный пример.

Присущий способу согласно изобретению этап, на котором обрабатываются порошки, полученные непосредственно способом сухой конверсии, в емкости с подвижными телами для получения дисперсного материала для изготовления из него сырых таблеток, проводят в вибрационной дробилке фирмы SWECO под обозначением DM1.

В описанных четырех примерах осуществления изобретения емкость дробилки, имеющая тороидальную форму с вертикальной осью, вмещает в себя 20 кг подвижных тел в виде цилиндров из спеченного глинозема диаметром и длиной около 1/2 дюйма (12,7 мм). Для проведения обработки порошок засыпают на подвижные уплотняющие тела, расположенные совершенно свободно внутри емкости. Затем емкость приводят в колебательные движения посредством закрепленного на емкости двигателя с дебалансом.

Пример 1

Последовательно составили несколько загрузок из дисперсного материала на основе оксида урана UO₂, полученного способом сухой конверсии гексафторида UF₆. Для составления восьми загрузок первой серии в емкость дробилки с подвижными телами из глинозема загрузили 10 кг материала в виде порошка, содержавшего 89% мас. оксида урана UO₂, 6% мас. UROX и 5% мас. U₃O₈, в который добавили 0,2% мас. этиленбистеарамида и 0,55% мас. оксалата аммония.

Для составления 8 загрузок второй серии в емкость последовательно ввели загрузку из материала того же состава, что и восемь загрузок первой серии, в который добавили 0,2% мас. этиленбистеарамида и 0,47% мас. оксалата аммония.

Известный продукт под маркой UROX представляет собой оксид урана U₃O₈, полученный либо из оксифторида урана UO₂F₂ во время конверсии гексафторида UF₆ для получения оксидов урана, либо из оксида урана UO₂ в высокотемпературной печи.

Оксид U₃O₈, введенный в смесь вместе с UROX, извлекали из топливных таблеток в процессе или в конце их изготовления.

Каждую загрузку первой серии и каждую загрузку второй серии подвергали встряхиванию в емкости таким образом, чтобы загрузка и подвижные тела совершали движение во всех направлениях пространства.

После обработки в течение около 120 минут из емкости отобрали гранулированный материал, состоявший преимущественно из оксидов урана со следующими свойствами:

- средняя плотность в неуплотненном состоянии: около 2,2 г/см³,

- средняя плотность в уплотненном состоянии: около 2,9 г/см³,

- средняя сыпучесть: около 57 г/с.

Частицы восьми загрузок каждой серии гомогенизировали в смесителе для достижения одинаковых свойств (в частности, для получения указанных выше показателей плотности и сыпучести).

Для гомогенизации загрузок каждой из двух серий в смеситель с вращающейся емкостью, обычно применяемый на предприятиях, выпускающих таблетки ядерного топлива, ввели восемь загрузок дисперсного материала, после чего емкость привели во вращение.

Предпочтительно, чтобы емкость смесителя была выполнена двухконусной формы. Такая емкость, называемая двойным конусом, применяется обычно на заводах, производящих ядерное топливо.

Применили двойной конус вместимостью не менее 80 кг, в который ввели восемь загрузок каждой из серий, затем двойной конус привели во вращение длительностью около 5 минут для получения однородного дисперсного материала со средними характеристиками, указанного выше.

Совершенно очевидно, что в случае промышленного применения изобретения и при использовании перемешивающей емкости с подвижными телами, имеющей достаточную вместимость (например, 80 кг), перемешивание смеси исходных порошков можно вести за одну операцию и получить однородную массу дисперсного материала без последующей гомогенизации в двойном конусе.

Однако двойной конус применяется как после гомогенизации загрузок, так и после смешивания порошков в емкости большой вместимости для приготовления смеси из смазывающего вещества и дисперсного материала.

В том случае когда двойной конус применяется для гомогенизации загрузок, то в гомогенизированную загрузку в двойном конусе добавляют смазывающее вещество, а если всю массу дисперсного материала получают за одну операцию, то его переводят в двойной конус и добавляют смазывающее вещество.

Так, например, в дисперсный материал добавляют 0,25% мас. этиленбистеарамида. Производят смешивание смазывающего вещества с дисперсным материалом путем вращения емкости двойного конуса в течение около 1 мин 30 с.

Этиленбистеарамид в качестве смазывающего вещества применяется преимущественно в виде коммерческого продукта CIREC фирмы HOECHST, который обладает гранулометрическим составом, необходимым для обеспечения оптимальной смазки.

Однако смешивание при использовании подвижных тел, обеспечивающих взаимодействие и «жесткое» смешивание присутствующих веществ, приводит к уменьшению или нарушению смазывающего эффекта вещества, добавленного в качестве смазки.

Следовательно, для обеспечения оптимальных условий для смазки может оказаться необходимым проведение «щадящего» смешивания частиц и смазывающего вещества в смесителе типа двойного конуса.

Недостаточная степень смазывания проявляется через увеличение усилий прессования и заеданий вследствие трения частиц при прессовании.

Полученный дисперсный материал является гомогенизированным и содержит смазку при плотности около 2,4 г/см³ в неуплотненном состоянии и около 2,9 г/см³ в уплотненном состоянии, сыпучесть дисперсного материала составляет около 80 г/с.

Обе загрузки дисперсного материала из смесей, отличавшихся только количеством порообразующего материала (оксалата аммония) в исходной смеси, имели одинаковые свойства, их ввели последовательно в таблетировочную машину для прессования дисперсного материала и получения сырых таблеток.

Прочностные показатели сырых таблеток были удовлетворительными.

Сырые таблетки, полученные из первой загрузки (содержавшей 0,55% порообразователя) имели плотность 6,3 г/см³, а сырые таблетки, изготовленные из второй загрузки (содержавшей 0,47% порообразователя) - плотность 5,8 г/см³.

Добавка порообразователя позволяет получить требуемую плотность после спекания (95%).

В обоих случаях смазывающее вещество было равномерно распределено в дисперсном материале. В процессе прессования заеданий отмечено не было.

Встряхивание смеси порошков в присутствии подвижных тел позволяет получить дисперсный материал, плотность которого в неуплотненном состоянии и в уплотненном состоянии существенно превосходит плотность исходного порошка, состоящего в основном из оксида урана UO₂, полученного способом сухой конверсии гексафторида урана UF₆.

Смешивание со смазывающим веществом позволило очень незначительно увеличить плотность (по меньшей мере, в неуплотненном состоянии) и существенно увеличить сыпучесть дисперсного материала.

Пример 2

В емкость с подвижными телами из глинозема загрузили 5 кг порошка диоксида урана UO₂, полученного сухим способом, плотностью 0,9 г/см³, этот порошок, полученный непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF₆, не обладал сыпучестью через отверстие размером 15 мм. В загрузку из порошка UO₂ не вводили ни порообразователь, ни смазывающее вещество, обработка проводилась приведением в колебательные движения емкости с загрузкой.

Отбор дисперсного материала производился во время его обработки через 10, 15, 30, 60 и 120 минут соответственно, длительность обработки составила 120 минут.

Определили показатели плотности и сыпучести дисперсного материала просеиванием, как указано выше, результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1Опыт №2Характер заполнения: 20 кг измельченного глинозема (11×13 мм)Длительность обработкимин010153060120Плотностьв неуплотненном состоянииг/см³0,91,31,31,51,82,1в уплотненном состоянииг/см³1,61,91,92,12,42,6Сыпучестьконус 15 ммг/с0042586679

Плотность в неуплотненном состоянии изменилась с 0,9 до 2,1 г/см³ в течение двух часов обработки. Сыпучесть резко возросла через 15 минут обработки и в конце обработки составила 79 г/с.

Как и раньше, прессование дисперсного материала, полученного в конце обработки, проводили в матрицах для изготовления сырых таблеток. Для проведения этой операции с частицами смешали смазывающее вещество для облегчения прессования и получения сырых таблеток. (Перед прессованием при необходимости в дисперсный материал добавляется порообразующее вещество для задания требуемой плотности спеченных таблеток).

Пример 3

Таблица 2Опыт № 3Тип заполнения: 20 кг измельченного глинозема (11×13 мм)Длительность обработкимин.0   60 Плотностьв неуплотненном состоянииг/см³1,1   2,1 в уплотненном состоянииг/см³1,8   2,6 Сыпучестьконус 15 ммг/с0   65 

В емкость с уплотняющими телами цилиндрической формы загрузили 4 кг порошка оксида урана UO₂, полученного сухим способом, с плотностью 0,8 г/см³, причем этот порошок не обладал сыпучестью через отверстие размером 15 мм, затем загрузили 2 кг смеси оксидов урана с содержанием 25% оксида гадолиния (Gd₂O₃) и 36 г порообразователя в виде органического вещества. Через час обработку прекратили, порошок, состоявший из смеси урана и оксида гадолиния и имевший плотность 1,1 г/см³ перед началом обработки, после обработки в течение одного часа имел плотность 2,1 г/см³. Этот порошок обладал хорошей сыпучестью, составившей 65 г/с.

В порошок добавили 18 г смазывающего вещества из стеарата цинка. Затем дисперсный материал, смешанный со смазывающим веществом, непосредственно прессовали с получением сырых таблеток, спекавшихся затем обычным способом.

Сравнительный пример

Порошок из оксида урана UO₂, полученный непосредственно способом сухой конверсии, с плотностью в неуплотненном состоянии 0,85 г/см³ ввели в ножевую дробилку типа, применяемого для обработки порошков в цехах для проведения конверсии с применением известного из уровня техники способа.

После обработки в ножевой дробилке плотность порошка не изменилась, а даже несколько снизилась и составила 0,8 г/см³. Сыпучесть порошка, которая в начале была нулевой, после обработки в ножевой дробилке сохранилась прежней.

Следовательно, примеры осуществления изобретения показывают, что способ согласно изобретению, проводимый во встряхиваемой емкости с подвижными телами, предпочтительно со свободно подвижными телами, позволяет существенно увеличить плотность порошка, полученного способом сухой конверсии, и достичь значения, близкого или несколько превышающего 2 г/см³. Кроме того, при обработке получают дисперсный материал с очень хорошей сыпучестью, из которого легко формуются сырые таблетки обычными способами.

Спеченные таблетки обладают свойствами, которые присущи топливным таблеткам, изготовленным способами согласно уровню техники.

Кроме того, проведенные тесты показали, что в порошки оксидов урана, полученные сухим способом, можно вводить добавки либо до начала обработки, либо во время обработки, либо в конце обработки в емкости. Как правило, необходимо, чтобы в случае применения органических порообразующих веществ, в емкость для обработки порообразователь вводился в количестве более 0,1% мас. вместе с оксидом урана, но в любом случае в количестве более 0,01% мас. По каждой добавке или любому другому веществу, обладающему собственным порообразующим эффектом, и при знании требуемой конечной плотности и плотности после спекания матрицы без добавок рассчитывают вводимое количество добавок и порообразователя для достижения требуемой плотности после спекания. Способ согласно изобретению, содержащий только один этап (или не более двух этапов, если принять во внимание этап смазывания «щадящей» смесью) перевода порошка оксида урана, полученного способом сухой конверсии гексафторида урана, в дисперсный материал, который может использоваться для получения сырых таблеток, вместо семи этапов в способе согласно уровню техники, позволяет существенно упростить методику и оборудование для получения ядерного топлива.

Смесь из смазывающего вещества и дисперного материала можно получать с помощью устройств иных, чем смеситель двухконусного типа; такие устройства должны обеспечивать «щадящее» смешивание, при котором не происходит разрушения смазывающего вещества.

Изобретение может применяться для изготовления топливных таблеток самого разного состава.

В случае изготовления топливных таблеток МОХ с содержанием оксидов урана (главным образом UO₂) и плутония PuO₂ оксид плутония может вводиться в смесь перед обработкой встряхиванием с применением подвижных тел или в дисперсный материал, полученный смешиванием в емкости дробилки. Оксид плутония в виде порошка может быть смешан с дисперсным материалом в смесителе для порошков.

Может применяться одно или несколько смазывающих веществ, выбранных из большого количества веществ, которые могут добавляться в дисперсный материал перед формованием сырых таблеток. В частности, смазывающими веществами могут служить этиленбистеарамид или дистеарат алюминия.

Изобретение относится к способу получения таблеток ядерного топлива, содержащих в основном диоксид урана UO₂ и применяемых в производстве топливных элементов ядерного реактора. Топливные таблетки получают спеканием материала с содержанием диоксида урана UO₂, изготовленного из порошка, приготовленного способом конверсии гексафторида урана UF₆. В емкость с подвижными телами для уплотнения и смешивания вводят порошок, полученный непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF₆, и производят встряхивание емкости таким образом, чтобы порошок перемещался в пространстве емкости по трем некомпланарным осям с тем, чтобы происходило его уплотнение между подвижными телами и подвижными телами и стенкой емкости до образования дисперсного материала с возросшей плотностью по отношению к порошку, полученному способом конверсии, непосредственно полученный перемешиванием в емкости дисперсный материал применяют для формования сырых топливных таблеток, подвергаемых спеканию. Изобретение направлено на создание способа получения таблеток ядерного топлива, позволяющего упростить операции получения дисперсного материала с содержанием диоксида урана UO₂ со свойствами, необходимыми для получения сырых таблеток. 16 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения таблеток ядерного топлива спеканием материала с содержанием диоксида урана UO₂, полученного из порошка, приготовленного способом конверсии гексафторида урана UF₆, отличающийся тем, что в емкость с подвижными телами для уплотнения и смешивания вводят порошок, полученный непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF_6,, и производят встряхивание емкости таким образом, чтобы порошок перемещался в пространстве емкости по трем некомпланарным осям для своего уплотнения между подвижными телами и между подвижными телами и стенкой емкости до образования дисперсного материала с плотностью в неуплотненном состоянии менее 1,7 г/см³, и что дисперсный материал, полученный смешиванием в емкости, применяют для формования сырых таблеток, подвергаемых затем спеканию.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что емкость подвергают трехмерным колебательным движениям.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что введенный в емкость порошок получают способом сухой конверсии с плотностью менее 1 г/см³ и что плотность дисперсного материала в неуплотненном состоянии, полученного смешиванием в емкости, составляет около 2 г/см³.4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что порошок, полученный непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF₆, имеет плотность менее 1 г/см³ и нулевую сыпучесть, определяемую стандартным тестом на прохождение через отверстие размером 15 мм, и что дисперсный материал, полученный смешиванием в емкости, обладает сыпучестью более 10 г/с после нескольких минут смешивания в емкости.5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что встряхивание емкости с подвижными телами и порошком, полученным непосредственно конверсией гексафторида урана UF₆, проводят в течение от 1 до 600 мин.6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что подвижные тела для уплотнения и смешивания в емкости представляют собой свободные тела любой простой геометрической формы с незначительно шероховатой поверхностью.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что подвижные тела имеют цилиндрическую форму.8. Способ по п.6, отличающийся тем, что подвижные тела имеют форму практически сферических шариков.9. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что подвижные тела выполнены из одного из следующих материалов: спеченный глинозем Al₂O₃, спеченный оксид урана, спеченный оксид чистого или легированного циркония, карбид вольфрама, стали, металлический уран или уран-титановый сплав.10. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что перед встряхиванием емкости в нее вводят вместе с порошком оксида урана UO₂, полученным непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF₆, по меньшей мере, одну добавку в виде, по меньшей мере, одного порообразователя в количестве не менее 0,01 мас.%.11. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в емкость вводят вместе с порошком диоксида урана UO₂, полученным непосредственно способом конверсии гексафторида урана UF₆, по меньшей мере, одну добавку.12. Способ по п.11, отличающийся тем, что добавку вводят в емкость перед встряхиванием емкости.13. Способ по п.11, отличающийся тем, что добавку вводят в емкость во время встряхивания этой емкости.14. Способ по п.11, отличающийся тем, что добавкой является, по меньшей мере, одно из следующих веществ: оксид урана U₃O₈, оксид урана U₃О₇, оксид плутония PuO₂, оксид тория ThO₂, оксид гадолиния Gd₂О₃, порообразующее вещество, смазывающее вещество, присадки для спекания.15. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что для получения таблеток смешанного топлива из оксида урана и оксида плутония (МОХ) емкость располагают в замкнутой камере типа перчаточного бокса и что порошки оксида урана, оксида плутония и добавок вводят в емкость по команде, подаваемой с наружной стороны замкнутой камеры.16. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что перед формованием сырых таблеток прессованием дисперсного материала, полученного смешиванием в емкости, в дисперсный материал вводят смазывающее вещество и проводят щадящее смешивание дисперсного материала и смазывающего вещества для распределения последнего по частицам дисперсного материала.17. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что дисперсный материал с содержанием преимущественно оксида урана UO₂, полученный смешиванием порошка, приготовленного конверсией, смешивают с помощью подвижных тел с порошком оксида плутония PuO₂ перед формованием сырых таблеток для получения топлива МОХ.