СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТОК ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2010 года по МПК G21C3/62 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к технологии изготовления оксидного ядерного топлива для тепловыделяющих элементов АЭС.

По мере повышения требований к работе АЭС совершенствовалась технология изготовления ядерного топлива и его качественные характеристики. Так, на смену изготовлению керамического ядерного топлива по классической схеме только из «чистого» UO₂ в последнее время все ведущие зарубежные и отечественные производители данного топлива в процессе его изготовления используют различного рода добавки, в том числе порообразователи, стимуляторы роста зерна и др. Одной из таких регулярно используемых добавок является закись-окись урана - U₃O₈. Добавка закиси-окиси служит для регулирования микроструктуры, плотности, «доспекаемости» керамического ядерного топлива. При этом отличительной особенностью всех известных способов производства керамического ядерного топлива с использованием закиси-окиси является то, что закись-окись должна иметь такой же изотопный состав (в том числе содержание U²³⁵, U²³⁶ и др.), как и изотопный состав исходного порошка диоксида урана (в пределах требований технической документации). Эта особенность является существенным недостатком известных способов, т.к. с учетом того, что, например, содержание U²³⁵ в UO₂-ядерном топливе в зависимости от требований потребителей может изменяться в широких пределах (от долей процента до 5,0% и более), при использовании U₃O₈ каждый раз при изменении содержания U²³⁵ в изготавливаемом топливе приходится специально получать в необходимых количествах U₃O₈ с таким же, как в топливе, содержанием U²³⁵.

Известен способ изготовления ядерного топлива в виде таблеток, по которому из смеси, в состав которой кроме порошка диоксида урана входит 5-40% порошка U₃O₈ с размером частиц <350 мкм, прессуют на холоду таблетки, которые затем спекают при температуре 1500-1800°C в восстановительной атмосфере или при 1200-1300°C - в окислительной атмосфере. При этом порошок U₃O₈ с содержанием U²³⁵, как в таблетках, получают путем окисления на воздухе при температуре 250-350°C UO₂ с таким же содержанием U²³⁵, что является существенным недостатком способа (заявка Франции №2599883. «Получение ядерного горючего на основе оксида урана», кл. G21C 3/62, заявл. 10.06.86 г., опубл. 11.12.87 г.).

Рассматривая современный уровень производства ядерного топлива, следует отметить, что одним из важнейших направлений повышения технико-экономических показателей АЭС является увеличение выгорания ядерного топлива. При этом удлинение кампании до 24 месяцев и более требует применения топлива с обогащением до 5,0% и более с одновременным введением в активную зону реактора выгорающего поглотителя нейтронов для подавления начальной высокой реактивности.

Выгорающий поглотитель должен иметь высокое поперечное сечение захвата нейтронов и не вызывать образования нежелательных дочерних продуктов.

В качестве выгорающего поглотителя на практике используют гадолиний и эрбий, причем преимущественно применяют гадолиний в виде Gd₂O₃, массовая доля которого в (U, Gd)O₂ - таблетках достигает 9% (в опытных твэлах - до 12%). Применение гадолиния в качестве выгорающего поглотителя обуславливается его уникальными свойствами, связанными с высокими сечением поглощения нейтронов и скоростью выгорания, близкой (при оптимальной концентрации) к скорости выгорания U²³⁵. Эти свойства в сочетании с хорошей совместимостью с UO₂ и тем, что при его облучении не возникают дочерние продукты с высоким сечением захвата тепловых нейтронов, делают гадолиний идеальным выгорающим поглотителем.

Добавки эрбия используют реже - в основном для производства уран-эрбиевого топлива для реакторов типа РБМК.

За счет использования уран-гадолиниевого и уран-эрбиевого оксидного топлива, наряду с улучшением технико-экономических показателей АЭС, повышается безопасность реакторов. Одновременно введение непосредственно в топливо оксида гадолиния и оксида эрбия в качестве выгорающего поглотителя нейтронов приводит к выравниванию мощности по объему активной зоны реактора и поддержанию температурного коэффициента реактивности на заданном уровне.

Вместе с тем производство уран-гадолиниевого (как и уран-эрбиевого) топлива выставляет значительно больше специфических требований к его изготовлению, чем к производству топлива из чистой двуокиси урана.

Рассматривая, в частности, производство уран-гадолиниевого топлива, следует отметить, что, во-первых, основным требованием и предпосылкой обеспечения надежного поведения уран-гадолиниевого топлива при эксплуатации является гомогенное распределение гадолиния в двуокиси урана. Во вторых, при добавлении гадолиния к топливу, существует тенденция к уменьшению его теплопроводности, что является критичным проектным параметром. И третье, поскольку теплопроводность уран-гадолиниевого топлива в значительной степени зависит от его твердой структуры, такой как образование твердого раствора UO₂-Gd₂O₃, количества и размера отдельных частиц Gd₂O₃ и UO₂, производственный процесс должен гарантировать безопасный и надежный контроль твердой структуры. При этом одновременно необходимо обеспечить соответствующую регулировку обычных структурных свойств уран-гадолиниевого топлива таких, как размер зерна и структура пор, так как они не только на прямую влияют на поведение топлива в ядерном реакторе посредством контроля газовыделения и размерного поведения, но и воздействуют на рабочие характеристики топлива косвенно, влияя на его теплопроводность. Наконец, плотность и, в особенности, «доспекаемость» таблеток не должны существенно изменяться в худшую сторону с добавлением гадолиния, что означает необходимость совершенствования действующих производственных процессов по изготовлению топливных таблеток.

Так, действующие технологические процессы изготовления (U, Gd)O₂ - таблеток, в принципе, не отличаясь от технологических процессов по изготовлению UO₂-таблеток, являются существенно более сложными и предполагают изготовление (U, Gd)O₂ - таблеток как из смесей порошков UO₂-Gd₂O₃ без добавок закиси-окиси, так и использование в процессе производства данных таблеток для повышения их качества добавок «чистой» закиси-окиси - U₃O₈ и закиси-окиси в виде (U, Gd)₃O₈ с одинаковым (в пределах допусков по конструкторской документации) содержанием гадолиния, U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в таблетках и в закиси-окиси.

Учитывая, что в (U, Gd)O₂ - таблетках в зависимости от требований потребителей содержание U²³⁵ может изменяться в широких пределах (от долей процента до 5,0% и более), а содержание гадолиния - от долей процента до 9% и более, при использовании U₃O₈ и (U, Gd)₃O₈ каждый раз при изменении содержания U²³⁵ в изготавливаемых (U, Gd)O₂ - таблетках приходится специально получать в необходимых количествах U₃O₈ и (U, Gd)₃O₈ с таким же, как в таблетках, содержанием U²³⁵. Одновременно при использовании (U, Gd)₃O₈ в процессе производства (U, Gd)O₂ - таблеток каждый раз при изменении содержания гадолиния в изготавливаемых таблетках приходится специально получать в необходимых количествах (U, Gd)₃O₈ с таким же, как в таблетках, содержанием гадолиния.

При этом в ряде случаев, особенно при выпуске больших партий (U, Gd)O₂ - таблеток, возникает проблема - для получения необходимого количества закиси-окиси (в частности, (U, Gd)₃O₈) с требуемым содержанием U²³⁵ и гадолиния, бракованных таблеток (из которых получают закись-окись) не хватает и приходится перерабатывать годную продукцию, существенно ухудшая технико-экономические показатели производства.

Важно также то, что использование «чистой» U₃O₈ (которую можно получить в больших количествах) существенно меняет характер диффузионных процессов при спекании в системе UO₂-Gd₂O₃ и затрудняет получение (U, Gd)O₂ - таблеток с отношением O/(U+Gd)=2,00, являющимся важнейшим требованием к таблеткам (при отношении O/(U+Gd)=2,00 теплопроводность максимальна, а деформация, вызываемая ползучестью, минимальна, что приводит к размерной стабильности таблеток при облучении). Кроме того, выход газообразных продуктов деления минимален в (U, Gd)O₂ - таблетках, у которых отношение О/(U+Gd) близко к 2,00), ухудшая тем самым качество (U, Gd)O₂ - таблеток.

Так, использование чистой U₃O₈ в качестве добавки вместо (U, Gd)₃O₈ приводит к увеличению в микроструктуре таблеток (твердом растворе) количества U⁵⁺ и U⁶⁺, увеличивающих отношение O/(U+Gd) больше 2,00 (чем меньше отношение U⁵⁺/U и U⁶⁺/U, тем ближе к 2,00 отношение O/(U+Gd)).

Хотя отношение O/(U+Gd) можно в определенной степени регулировать путем спекания (U, Gd)O₂ - таблеток в контролируемой по парциальному давлению О₂ атмосфере, однако при этом одновременно также происходит увеличение содержания в твердом растворе U⁵⁺ и U⁶⁺, что делает на практике достижение в спеченных таблетках отношения O/(U+Gd)=2,00 проблематичным.

Все вышесказанное в отношении уран-гадолиниевых таблеток, в основном, относится и к производству уран-эрбиевых таблеток.

Известен способ изготовления (U, Gd)O₂ - таблеток из смесей порошков UO₂ и Gd₂O₃, прошедших операции механического смешивания и измельчения, без добавок закиси-окиси. (Assmann Н.е.а. Survey of binary oxide fuel manufacturing and guality control. - J. Nucl. Mat., 1988, v.153, p.115-126).

После смешивания и измельчения из смеси порошков UO₂ и Gd₂O₃ на роторном прессе с двойным ходом пуансонов прессуют без добавки связующего в смесь порошков таблетки с нанесением смазки на стенки матрицы.

Далее спрессованные до плотности ~51% теоретической таблетки спекают в восстановительной среде.

Полученные после спекания таблетки характеризуются неравномерной микроструктурой по объему таблетки и высокой «доспекаемостью» при повторной термической обработке (более 1,0% теоретической плотности).

Известен способ изготовления (U, Gd)O₂ - таблеток из смесей порошков UO₂ и Gd₂O₃ (Halldahl L., Friksson S. Characterization of homogeneity in (U, Gd)O₂ - pellets. - J. Nucl. Mat., 1988, v.153. p.66-70).

Порошки UO₂ и Gd₂O₃ в равных пропорциях общей массой 100 кг сначала смешивают в V-образном смесителе, вращающемся с частотой 1500 мин^-1. После смешивания смесь разбавляют заданным количеством измельченного порошка UO₂, добавляют порошок U₃O₈ для получения требуемой плотности спеченных таблеток и повторно смешивают в V-образном смесителе, но большей емкости.

После прессования шихты спрессованные брикеты спекают в восстановительной среде.

Полученные после спекания таблетки характеризуются наличием крупных пор внутри таблетки (100-500 мкм), высоким уровнем открытой пористости (>1,0%) и пониженной теплопроводностью.

К недостаткам данного способа также следует отнести использование в качестве добавок при изготовлении (U, Gd)O₂ - таблеток только измельченного порошка UO₂ и закиси-окиси (U₃O₈) с тем же номинальным содержанием U²³⁵, что и изготавливаемые (U, Gd)O₂ - таблетки.

Известен способ изготовления (U, Gd)O₂ - таблеток из механической смеси порошков UO₂ (размер кристаллитов 10-12 мкм), Gd₂O₃ (размер кристаллитов 5-8 мкм) и U₃O₈ (размер кристаллитов 2-3 мкм) (заявка ФРГ № 3609663. Massih А. Verfahren zur Herstellung von gesinterten Kernbrennstoffkörpern, заявл. 21.03.86, № P3609663.6, опубл. 30.10.86, G21C 3/62).

Спрессованные из вышеназванной смеси брикеты (плотностью ~5,3 г/см³) спекают в среде водорода с добавкой кислородсодержащих газов (CO и CO₂) и H₂O в печи туннельного типа при температуре 1700°C в течение 2,5 часа при парциальном давлении кислорода в зоне спекания PO₂=0,25×10^-6 Па.

Спеченные (U, Gd)O₂ - таблетки имеют плотность ≥10,16 г/см³, высокую пористость (размер отдельных пор внутри таблеток достигает 500 мкм; открытая пористость более 1,0%) и высокую ползучесть при облучении в реакторе.

К недостаткам данного способа следует также отнести использование в качестве добавки при изготовлении (U, Gd)O₂ - таблеток закиси-окиси (U₃O₈) с тем же номинальным содержанием U²³⁵, что и изготавливаемые (U, Gd)O₂ -таблетки.

Известна таблетка ядерного топлива, содержащая спрессованный и спеченный порошок смеси диоксида урана (UO₂) с добавкой окиси эрбия (Er₂O₃) (патент РФ «Таблетка ядерного топлива», RU 2142170 от 18.02.98). Технология изготовления подобных отечественных таблеток типа РБМК включает в себя сухое смешивание порошка UO₂ с добавками Er₂O₃ (в количестве, обеспечивающем содержание эрбия в таблетках 0,41+0,04%), U₃O₈ и порообразователем (азодикарбонамид, «Porofor» и др.), смешивание полученной смеси с жидким пластификатором, уплотнение шихты методом экструзии или в «шашку», измельчение и сушку гранул, прессование, спекание и шлифование таблеток.

Полученные после спекания таблетки характеризуются неравномерной по объему микроструктурой и нестабильной плотностью и «доспекаемостью».

К недостаткам данного способа следует также отнести использование в качестве добавки при изготовлении уран-эрбиевых таблеток только закиси-окиси (U₃O₈) с тем же номинальным содержанием U²³⁵, что и изготавливаемые уран-эрбиевые таблетки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому является способ изготовления (U, Gd)O₂ - таблеток, используемый в настоящее время на ОАО «МСЗ» в виде соответствующих технологических процессов для изготовления (U, Gd)O₂ - таблеток как для зарубежных реакторов типа PWR (заказчик - фирма «AREVA»), так и для отечественных реакторов типа ВВЭР (Потоскаев Г.Г., Савин В.П., Дерр В. и др. Усовершенствованная технология изготовления UO₂/Gd₂O₃ топливных таблеток. - Сборник докладов международной конференции «Атомная энергетика на пороге 21 века», г.Электросталь, Моск. обл., 8-10 июня 2000 г., стр.41; Иванов А.В., Дерр В. Освоение на ОАО «МСЗ» производства уран-гадолиниевого топлива по спецификациям «Framatome ANP». - Ежегодный журнал «МСЗ 2003: Ядерное топливо для АЭС», №2. г.Электросталь, Моск. обл., 2003 г., стр.22), включающий приготовление (U, Gd)₃O₈, приготовление пресс-порошка (приготовление сухой смеси порошков UO₂, Gd₂O₃, Al(ОН)₃ и (U, Gd)₃O₈, измельчение смеси вышеуказанных порошков и их последующий рассев, смешивание полученного гранулята со стеаратом цинка и порообразователем типа азодикарбонамид), прессование, спекание и шлифование спеченных (U, Gd)O₂ - таблеток.

Характерной особенностью и основным недостатком данного способа является использование в качестве исходного сырья для получения (U, Gd)₃O₈ только бракованных спеченных (U, Gd)O₂ - таблеток с тем же номинальным содержанием U²³⁵ и гадолиния, что и изготавливаемые (U, Gd)O₂ - таблетки.

Таким образом, все известные способы изготовления спеченных UO₂ - таблеток и (U, Gd)O₂ - таблеток предполагают как не использование, так и использование в качестве добавок закиси-окиси. При этом для производства UO₂ - таблеток используется только «чистая» закись-окись - U₃O₈ (с тем же номинальным содержанием U²³⁵, что и изготавливаемые UO₂ - таблетки), которая служит для регулирования их микроструктуры, плотности и «доспекаемости». В отношении производства (U, Gd)O₂ - таблеток следует особо отметить, что для всех известных способов изготовления (U, Gd)O₂ - таблеток без использования добавок закиси-окиси и с использованием добавок «чистой» закиси-окиси - U₃O₈ (с тем же номинальным содержанием U²³⁵, что и изготавливаемые (U, Gd)O₂ - таблетки) характерно наличие того или иного рода недостатков в качестве получаемых таблеток: неравномерность структуры по объему таблетки, высокая «доспекаемость» при повторной термической обработке (более 1,0% теоретической плотности), наличие внутри таблеток крупных пор (100-500 мкм), высокий уровень открытой пористости (>1,0%), невозможность регулирования пористой структуры таблеток, пониженная теплопроводность, высокая ползучесть при облучении в реакторе. Для способов изготовления (U, Gd)O₂ - таблеток с использованием добавок (U, Gd)₃O₈ характерно более высокое качество таблеток (по сравнению с (U, Gd)O₂ -таблетками, изготовленными как без использования добавок закиси-окиси, так и с использованием добавок «чистой» закиси-окиси - U₃O₈) при следующих недостатках - использовании в качестве исходного сырья для получения (U, Gd)₃O₈ только бракованных спеченных (U, Gd)O₂ - таблеток с тем же номинальным содержанием U²³⁵ и гадолиния, что и изготавливаемые (U, Gd)O₂ - таблетки, а также невозможность регулирования пористой структурой таблеток.

Относительно производства уран-эрбиевых таблеток следует отметить, что оно предполагает использование не (U, Er)₃O₈, а добавок Er₂O₃ и «чистой» U₃O₈ (с тем же номинальным содержанием U²³⁵, что и изготавливаемые уран-эрбиевые таблетки), и характеризуется нестабильным качеством изготавливаемых таблеток.

Одновременно следует отметить, что все известные способы производства керамического ядерного топлива с использованием закиси-окиси предполагают, что закись-окись наряду с одинаковым содержанием U²³⁵ должна иметь такое же содержание других изотопов урана (в том числе содержание U²³⁶), как и исходный порошок диоксида урана (в пределах требований технической документации).

Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления различного типа таблеток ядерного топлива, обладающего более высокими технико-экономическими показателями и обеспечивающего возможность регулирования пористой структурой, плотностью, открытой пористостью и «доспекаемостью» таблеток.

В результате обеспечивается близкая к номиналу плотность, пониженная открытая пористость и «доспекаемость», однородная микроструктура топливных таблеток с равномерным по объему таблеток распределением пор, регулируется размер и форма пор.

Данные технические результаты достигаются тем, что в способе изготовления таблеток ядерного топлива, включающем приготовление закиси-окиси, приготовление пресс-порошка, прессование, спекание и шлифование на стадии приготовления закиси-окиси в качестве сырья используют как бракованные спеченные таблетки, так и шлифовальную пыль и порошок UO₂ с отличным от требуемого технической документацией содержанием в таблетках U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана, а на стадии приготовления пресс-порошка полученную закись-окись в шихту добавляют в количестве до 20 мас.%, причем достижение требуемого технической документацией содержания U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в таблетках достигают путем варьирования количества добавок в шихту закиси-окиси как отдельно, так и в смесях с порошком UO₂ в зависимости от содержания в них U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана.

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в следующем.

Известные способы изготовления таблеток ядерного топлива предполагают использование в качестве добавок к исходному порошку UO₂ закиси-окиси с тем же требуемым технической документацией содержанием U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана (в пределах требований технической документации), как и в таблетках, не предполагая использования добавок закиси-окиси с содержанием U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана, отличным от требуемого технической документацией в таблетках. При этом количество добавляемой закиси-окиси, как правило, ≤15 мас.%, (но не более 20 мас.%, т.к. большее количество закиси-окиси приводит к существенному снижению плотности спеченных таблеток и увеличению их «доспекаемости»).

Следует подчеркнуть, что описываемый способ, в отличие от известных, предполагает использование в качестве добавки к исходному порошку UO₂ закиси-окиси как отдельно, так и в смесях с порошком UO₂ с отличным от требуемого технической документацией в таблетках содержанием U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана.

Изменяя, в зависимости от содержания в закиси-окиси U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана как отдельно, так и в смесях с порошком UO₂, ее количество в шихте (в пределах ≤20 мас.%), обеспечивают требуемое технической документацией содержание U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в таблетках.

Следует отметить, что в качестве добавок к исходному порошку UO₂ могут использовать или одну закись-окись с требуемым технической документацией (как в таблетках) содержанием U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана, или смеси закисей-окисей с различным содержанием U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в каждой с требуемым технической документацией (как в таблетках) содержанием U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в смесях, а также смеси закиси-окиси с порошком UO₂ с различным содержанием U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в каждом компоненте смесей с требуемым технической документацией (как в таблетках) содержанием U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в смесях.

При производстве таблеток с поглотителем, например, уран-гадолиниевых, наряду с обеспечением в таблетках требуемого по технической документации содержания U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана, для обеспечения в добавляемой закиси-окиси или ее смесях с порошком UO₂ требуемого по технической документации содержания поглотителя, его регулируют или путем пропорционального смешивания закиси-окиси с различным содержанием поглотителя, или смешивания закиси-окиси с высоким содержанием поглотителя с «чистой» (U₃O₈) закисью-окисью, или путем введения в добавляемую закись-окись или в ее смеси с порошком UO₂ поглотителя, недостающего для обеспечения требуемого по технической документации содержания поглотителя в таблетках.

Наряду со сказанным следует отметить, что в качестве добавок к порошку UO₂ используют закись-окись различного происхождения: полученную путем сжигания бракованных таблеток, путем сжигания шлифовальной пыли, образующейся в результате шлифования таблеток, а также закись-окись, полученную путем сжигания порошка UO₂.

Варьируя количество добавок закиси-окиси, ее состав и природу происхождения, регулируют качество изготавливаемых таблеток, в том числе микроструктуру, плотность, открытую пористость, «доспекаемость».

Наряду со сказанным решается проблема наличия необходимого для получения требуемого объема таблеток количества закиси-окиси (в известных способах часто для получения необходимого количества закиси-окиси с требуемым технической документацией содержанием U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана приходится сжигать годные таблетки) и улучшаются технико-экономические показатели производства, в частности, за счет повышения выходов годной продукции.

Реализация описываемого способа может быть проиллюстрирована на примере изготовления уран-гадолиниевых таблеток (более сложных в изготовлении, чем таблеток из UO₂ без поглотителя) следующим образом.

Из исходного порошка UO₂ одной и той же партии №238188 с содержанием U²³⁵ 2,59% было изготовлено 13 вариантов таблеток с номинальным содержанием U²³⁵ в таблетках 2,6% и с содержанием в качестве выгорающего поглотителя 7,0 мас.% оксида гадолиния (данное содержание в шихте оксида гадолиния, требуемое технической документацией, обеспечивали путем введения в добавляемую закись-окись или в ее смеси с порошком UO₂ оксида гадолиния, недостающего для обеспечения требуемого по технической документации содержания поглотителя в таблетках).

1 вариант: к порошку UO₂ в количестве 15 мас.% добавляли закись-окись - (U, Gd)₃O₈ с содержанием U²³⁵ 2,59%;

2 вариант: к порошку UO₂ в количестве 20 мас.% добавляли закись-окись - (U, Gd)₃O₈ с содержанием U²³⁵ 2,59%;

3 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве 15 мас.% добавляли по 5 мас.% закись-окись трех типов с содержанием в каждой U²³⁵ 2,59 мас.%: (U, Gd)₃O₈, полученную путем сжигания бракованных таблеток, (U, Gd)₃O₈, полученную путем сжигания шлифовальной пыли, и U₃O₈, полученную путем сжигания порошка UO₂;

4 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве 15 мас.% добавляли смесь трех типов закисей-окисей (по 5 мас.% закись-окись трех типов (см. выше) с различным содержанием в каждой U²³⁵) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.%;

5 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве 15% масс добавляли смесь трех типов закисей-окисей (с различным содержанием в каждой U²³⁵) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.% (7 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания бракованных таблеток, 5 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания шлифовальной пыли, 3 мас.% U₃O₈, полученной путем сжигания порошка UO₂);

6 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве 15 мас.% добавляли смесь трех типов закисей-окисей (с различным содержанием в каждой U²³⁵) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.% (3 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания бракованных таблеток, 5 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания шлифовальной пыли, 7 мас.% U₃O₈, полученной путем сжигания порошка UO₂);

7 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве 15 мас.% добавляли смесь трех типов закисей-окисей (с различным содержанием в каждой U²³⁵) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.% (5 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания бракованных таблеток, 7 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания шлифовальной пыли, 3 мас.% U₃O₈, полученной путем сжигания порошка UO₂);

8 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве 15 мас.% добавляли смесь трех типов закисей-окисей (с различным содержанием в каждой U²³⁵) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.% (5 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания бракованных таблеток, 3 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания шлифовальной пыли, 7 мас.% U₃O₈, полученной путем сжигания порошка UO₂);

9 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве ~15 мас.% добавляли смесь закиси-окиси (U, Gd)₃O₈ (~5 мас.% с содержанием U²³⁵ 4,95 мас.%) с порошком UO₂ (~ 10 мас.% с содержанием U²³⁵ 2,00 мас.%) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.%;

10 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве ~15 мас.% добавляли смесь закиси-окиси (U, Gd)₃O₈ (~10 мас.% с содержанием U²³⁵ 2,00 мас.%) с порошком UO₂ (~5 мас.% с содержанием U²³⁵ 4,95 мас.%) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.%;

11 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве ~15 мас.% добавляли смесь двух типов закисей-окисей (с различным содержанием в каждой U²³⁵) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.% (7,5 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания бракованных таблеток и 7,5 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания шлифовальной пыли);

12 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве 15 мас.% добавляли смесь двух типов закисей-окисей (с различным содержанием в каждой U²³⁵) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.% (7,5 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания бракованных таблеток и 7,5 мас.% U₃O₈, полученной путем сжигания порошка UO₂);

13 вариант: к порошку UO₂ в суммарном количестве 15 мас.% добавляли смесь двух типов закисей-окисей (с различным содержанием в каждой U²³⁵) со средним по смеси содержанием U²³⁵ 2,59 мас.% (7,5 мас.% (U, Gd)₃O₈, полученной путем сжигания шлифовальной пыли, 7,5 мас.% U₃O₈, полученной путем сжигания порошка UO₂).

Изготовление таблеток проводили в соответствии со следующей технологической схемой:

1. Приготовление (U, Gd)₃O₈ и U₃O₈.

Операцию приготовления (U, Gd)₃O₈ и U₃O₈ проводили в печи окисления типа ПНТ при температуре 400-450°C;

2. Приготовление сухих смесей порошков.

Операцию приготовления сухих смесей порошков (UO₂, Gd₂O₃, Al(OH)₃, U₃O₈, (U, Gd)₃O₈ в разных комбинациях проводили вначале вручную в противне, а затем в смесителе типа «шестигранник» в течение 30 мин при n=30 об/мин;

3. Измельчение.

Операцию измельчения смесей порошков проводили в шаровой вибромельнице в течение 30 мин;

4. Рассев.

Операцию рассева смесей порошков после измельчения в шаровой мельнице проводили с помощью сита с размером ячеек 0,63 мм;

5. Смешивание гранулята со стеаратом цинка. Операцию смешивания гранулята со стеаратом цинка (~0,2 мас.%) проводили вначале вручную в противне, а затем - в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 30 мин при n=30 об/мин;

6. Прессование.

Операцию прессования проводили на роторном пресс-автомате ПР-01 при давлении прессования 1,65÷1,7 т/см² до плотности таблеток после прессования 6,20÷6,23 т/см³;

7. Спекание.

Операцию спекания проводили в печи спекания ПНТ-ПВТ в водородсодержащей среде при температуре ~1750°C, периоде проталкивания лодочек вдоль печи 90 мин и влажности среды спекания 8000÷12000 ppm.

8. Шлифование.

Операцию шлифования проводили на станке ВШ 826.

Качественные характеристики уран-гадолиниевых таблеток приведены в таблице.

Как видно из таблицы, использование в качестве добавок к исходному порошку UO₂ закиси-окиси различного происхождения массой до 20%, в том числе полученной путем сжигания бракованных таблеток, путем сжигания шлифовальной пыли, образующейся в результате шлифования таблеток, а также закиси-окиси, полученной путем сжигания порошка UO₂, независимо от содержания в них U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана, а также смесей закиси-окиси с порошком UO₂, обеспечивает требуемое технической документацией содержание U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в таблетках при высоком уровне их качества. При этом, варьируя количество добавок, их состав и природу происхождения закиси-окиси, регулируют качество изготавливаемых таблеток, в том числе микроструктуру, плотность, открытую пористость, «доспекаемость».

Анализ результатов, приведенных в таблице, показал, что таблетки с добавками, в состав которой входит закись-окись различного происхождения, независимо от содержания в добавках U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана, отличаются близкой к номиналу плотностью, пониженной «доспекаемостью» и открытой пористостью, равномерным распределением пор в микроструктуре, близкой к равноосной форме пор с небольшим количеством пор неправильной формы и размером пор не более 300 мкм, причем в ряде случаев размер пор не превышает 100 мкм.

Таким образом, описываемый способ обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с известными сейчас способами изготовления таблеток за счет применения в качестве добавок как смесей закиси-окиси различного происхождения, независимо от содержания в них U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана, а также смесей закиси-окиси с порошком UO₂, обеспечивая высокое качество (плотность, открытую пористость, «доспекаемость», микроструктуру) таблеток.

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к технологии изготовления оксидного ядерного топлива для тепловыделяющих элементов АЭС. Сущность изобретения: приготовление закиси-окиси, приготовление пресс-порошка, прессование, спекание и шлифование. На стадии приготовления закиси-окиси в качестве сырья используют как бракованные спеченные таблетки, так и шлифовальную пыль и порошок UO₂ с отличным от требуемого технической документацией содержанием в таблетках U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана. На стадии приготовления пресс-порошка полученную закись-окись в шихту добавляют в количестве до 20 мас.%, причем достижение требуемого технической документацией содержания U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в таблетках достигают путем варьирования количества добавки, в шихту закиси-окиси как отдельно, так и в смесях с порошком UO₂ в зависимости от содержания в них U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана. Техническим результатом изобретения является близкая к номинальной плотность, пониженная открытая пористость и «доспекаемость», однородная микроструктура топливных таблеток с равномерным по объему таблеток распределением пор, регулируемый размер и форма пор. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ изготовления таблеток ядерного топлива, включающий приготовление закиси-окиси, приготовление пресс-порошка, прессование, спекание и шлифование, отличающийся тем, что на стадии приготовления закиси-окиси в качестве сырья используют как бракованные спеченные таблетки, так и шлифованную пыль и порошок UO₂ с отличным от требуемого технической документацией содержанием в таблетках U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана, а на стадии приготовления пресс-порошка полученную закись-окись в шихту добавляют в количестве до 20 мас.%, причем достижение требуемого технической документацией содержания U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана в таблетках достигают путем варьирования количества добавок в шихту закиси-окиси как отдельно, так и в смесях с порошком UO₂ в зависимости от содержания в них U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана.

2. Способ изготовления таблеток ядерного топлива по п.1, отличающийся тем, что в качестве добавок используют как смеси закиси-окиси различного происхождения, в том числе полученной путем сжигания бракованных таблеток, путем сжигания шлифовальной пыли, образующейся в результате шлифования таблеток и путем сжигания порошка UO₂, независимо от содержания в них U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана, так и смеси закиси-окиси различного происхождения с порошком UO₂, независимо от содержания в них U²³⁵, U²³⁶ и других изотопов урана.

3. Способ изготовления таблеток ядерного топлива по п.1 или 2, отличающийся тем, что качество таблеток регулируют, варьируя состав смесей и соотношение в смесях составляющих смеси компонентов различного происхождения и состава.