ПОРОШОК СПЛАВА НА ОСНОВЕ УРАНА, СОДЕРЖАЩЕГО МОЛИБДЕН, ПРИГОДНЫЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА И МИШЕНЕЙ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАДИОИЗОТОПОВ Российский патент 2016 года по МПК C22C43/00 C22C1/04 B22F9/20 G21C3/60 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу получения порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой и, в частности, бинарного сплава UMo или тройного сплава UMoX, где X представляет собой металл, отличный от урана и молибдена.

Оно также относится к способу получения этого порошка сплава, а также к применению этого порошка.

Такой порошок сплава на самом деле может быть использован в производстве ядерного топлива и, в частности, топлива для экспериментальных ядерных реакторов, более известных под буквенным обозначением MTR ("реактор для испытания материалов"), такие как реактор Jules Horowitz (JHR) СБА в Cadarache (Кадараш), высокопоточный реактор (HFR) в институте Laue-Langevin Лауэ Ланжевена или, кроме того, реактор с высокой плотностью потока нейтронов BR-2 на площадке Mol (Мол) в Бельгии.

Он также может входить в структуру мишеней для производства радиоизотопов, в частности, для медицинской промышленности.

Уровень техники

До 1950-х годов топливо для MTR в основном состояло из сплавов урана и алюминия, с массовым содержанием урана-235 93% с удельной загрузкой 1,2 г урана на см³.

Программа, направленная на снижение риска распространения ядерного оружия, и, следовательно, на снижение уровня обогащения урана в топливе MTR, принята на международном уровне с 1977 года и возглавляется Соединенными Штатами Америки. Это программа RERTR ("ограниченное обогащение для исследовательских и испытательных реакторов").

И поэтому разработка новых сплавов урана, которые могут быть использованы в качестве ядерного топлива в MTR, с массовым содержанием урана-235 не более 20% вызвало большое число исследований.

Так, в частности, изучены сплавы на основе урана и кремния и сплавы на основе урана и молибдена. Последний тип сплавов является единственным, который имеет наиболее интересные свойства, поскольку он дает возможность достижения удельной загрузки 8,5 г урана на см³ топливного сердечника при этом загрузка для силицидов урана в лучшем случае составляет 4,8 г урана на см³.

По сей день были предложены три типа порошков сплавов урана и молибдена с метастабильной γ фазой, то есть: порошки, полученные "распылением расплава", порошки, полученные "механическим измельчением расплава", и порошки, полученные "химическим измельчением расплава".

Порошки, полученные "распылением расплава", приготовление которых описано, в частности, в FR 2777688 [1], US 5978432 [2] и JP 55-054508 [3] состоят из сферических или квазисферических частиц (то есть отношение между их максимальным размером (D_max) и их минимальным размером (D_min) составляет менее 1,1) и без внутригранулярной пористости (за исключением производственных дефектов).

В настоящий момент нежелательно, чтобы частицы порошка сплава уран - молибден, предназначенного для введения в структуру ядерного топлива, были сферическими или квазисферическими, так как это может вызвать сегрегацию делящихся частиц в процессе прокатки, которой подвергаются топливные элементы при их изготовлении, так же, как нежелательно, чтобы эти частицы не имели пористости, поскольку такая пористость действительно является необходимой для обеспечения присутствия в топливе буферного объема для газообразных продуктов деления, способного повысить возможность этих видов топлива аккумулировать эти газы при облучении и соответственно задерживать появление распухания указанного топлива.

Кроме того, частицы этих порошков состоят из зерна, содержание молибдена в котором меняется от центра к периферии этого зерна (J.S. Lee et al., Journal of Nuclear Materials, 306, 147-152, 2002 [4]), и покрыты тонким слоем оксида, для которых адгезия является низкой ((J.M. Park et al., Journal of Nuclear Materials, 397, 27-30, 2010 [5]).

Порошки, полученные "механическим измельчением расплава", состоят из частиц, форма и размеры которых не определены и не контролируются, и которые подобно частицам предыдущего порошка не имеют внутригранулярной пористости (опять же, за исключением производственных дефектов). Кроме того, эти частицы имеют зернистую микроструктуру со значительным деформационным упрочнением. Кроме того, такая микроструктура a priori является нестабильной и может значительно видоизменяться при облучении.

Что касается порошков, полученных "химическим измельчением расплава", они также состоят из частиц, форма и размеры которых не определены и не контролируются и в которых также отсутствует внутригранулярная пористость. Кроме того, эти порошки могут быть только порошками бинарных сплавов UMo, т.е. строго состоящими из урана и молибдена, так как методы "химического измельчения расплава" не дают возможности получения порошков тройных сплавов UMoX, в которых гомогенно распределен элемент X.

Поэтому с учетом вышеизложенного авторы настоящего изобретения задались целью получить порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, который в основном свободен от всех недостатков порошков сплавов на основе урана, содержащих молибден, предложенных на настоящий момент.

Более конкретно, изобретатели поставили цель получения порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой с характеристиками, в частности, формы, внутригранулярной пористости и гомогенного распределения молибдена, способными облегчить производство ядерного топлива из этого порошка и оптимизировать поведение этих видов топлива при облучении и, в частности, их способность удерживать газообразные продукты деления.

Также была поставлена цель, чтобы этот порошок сплава мог бы представлять собой и порошок тройного сплава UMoX или даже сплава, состоящего из числа металлов более 3, и порошок бинарного сплава UMo.

Кроме того, поставлена цель, чтобы этот порошок сплава мог бы быть изготовлен способом, который относительно прост в применении и со стоимостью, совместимой с использованием в промышленных масштабах.

Раскрытие изобретения

Эти и другие цели достигаются настоящим изобретением, которое в первом аспекте предлагает порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, который образован из частиц, имеющих коэффициент вытянутости, равный от по меньшей мере 1,1 до не более 2, значение закрытой пористости от более 0 до не более 5% (об./об.), и который образован из зерен, в которых изменение содержания молибдена в пределах одного зерна составляет не более 1 мас. %.

В вышеприведенном и в далее под "коэффициентом вытянутости" частицы, называемым также параметром вытянутости, подразумевается отношение максимального диаметра Фере к минимальному диаметру Фере этой частицы.

В этом отношении следует напомнить, что максимальный диаметр Фере частицы, обозначенный как D_Fmax, соответствует расстоянию, существующему между двумя касательными, параллельными противоположным сторонам этой частицы, а минимальный диаметр Фере частицы, обозначенный как D_Fmin, таким образом соответствует минимальному расстоянию, существующему между двумя параллельными касательными к противоположным сторонам этой частицы.

Максимальный и минимальный диаметр Фере и, следовательно, коэффициент вытянутости частиц порошка сплава в соответствии с изобретением может быть, в частности, определен из изображения, полученного электронной и оптической микроскопией в соответствии с методологией, описанной С. Souchier ыв "Analyse d′images", (Image Analysis), in Techniques de , Analyse Chimique et , P 855, 1-18, 1998 [6].

Кроме того, "закрытая пористость" частицы, также называемая окклюдированной пористостью, означает все поры, которые включает эта частица и которые окклюдированы в сплав, образующего частицы, т.е. они не выходят на поверхность частицы.

Величина закрытой пористости частиц порошка сплава в соответствии с изобретением может быть определена, в частности, из изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, на шлифах, в соответствии со стандартом ASTM Е1245-03.

Что касается изменения содержания молибдена (или любого другого металлического элемента) в пределах зерна, оно может быть, в частности, определено анализом этого зерна сканирующей электронной микроскопией в сочетании с энергодисперсионной спектрометрией.

В соответствии с изобретением коэффициент вытянутости частиц порошка сплава равен не больше 2, изобретатели установили, что на самом деле коэффициент вытянутости в диапазоне 1,1-2 дает возможность получения топлива, которое получено в пластинчатой форме из этого порошка сплава, со значительной межчастичной пористостью порядка 3-10% (об./об.), и при этом однако без влияния на поведение при прокатке порошка сплава.

Такая межчастичная пористость является чрезвычайно интересной, поскольку она будет, как и внутричастичная пористость (т.е. закрытая пористость частиц), обеспечивать роль буферной емкости для газообразных продуктов деления при облучении и таким образом будет увеличивать способность топлива удерживать газообразные продукты деления.

В соответствии с изобретением величина закрытой пористости частиц порошка сплава составляет не более 5% (об./об.), и эта пористость предпочтительно состоит из закрытых пор, размер которых составляет не более 3 мкм.

Как указано выше и далее, "размер" закрытых пор означает эквивалентный диаметр этих пор, определенный по изображениям, полученным электронной или оптической микроскопией по методике, описанной в вышеуказанной работе [6].

Порошок сплава предпочтительно образован из частиц, размер которых (как определено лазерной дифракцией) составляет 20-100 мкм.

Согласно изобретению порошок сплава предпочтительно представляет собой:

- порошок бинарного сплава UMo, т.е. сплава, состоящего только из урана и молибдена, в этом случае содержание молибдена предпочтительно составляет 5-15% масс. и более предпочтительно 7-10% масс. этого сплава; или

- порошок тройного сплава UMoX, где X представляет собой металл, отличающийся от урана и молибдена, способный к дополнительному улучшению поведения ядерного топлива при облучении, и в этом случае содержание молибдена предпочтительно составляет 5-15% масс. и более предпочтительно 7-10% масс. этого сплава, тогда как содержание X, который может быть, в частности, титаном, цирконием, хромом, кремнием, ниобием, платиной, оловом, висмутом, рутением или палладием обычно составляет не более 6% от массы сплава и более предпочтительно не более 4% масс. указанного сплава.

Порошок сплава согласно изобретению может быть получен, в частности, способом, который включает:

a) приведение в контакт по меньшей мере одного первого реагента, выбранного из оксидов урана и их смесей, фторидов урана и их смесей, в контакт со вторым реагентом, состоящим из молибдена или сплава молибдена, и третьим реагентом, состоящим из металла-восстановителя, при этом первый, второй и третий реагенты находятся в измельченном виде;

b) взаимодействие приведенных в контакт реагентов в инертной атмосфере при температуре, по меньшей мере равной температуре плавления третьего реагента, с образованием сплава на основе урана, содержащего молибден, в виде порошка, частицы которого покрыты слоем оксида или фторида металла-восстановителя;

c) охлаждение полученного порошка со скоростью, по меньшей мере, равной 450°С/час; и

d) удаление слоя оксида или фторида металла восстановителя, который покрывает частицы порошка сплава.

Следовательно, объектом настоящего изобретения также является способ, как определено выше.

В этом способе первый реагент предпочтительно представляет собой оксид урана, в котором степень окисления урана составляет 4-6, т.е. диоксид урана (UO₂), триоксид урана (UO₃), полуторный оксид урана (U₃O₈), тетраоксид урана (U₄O₉) или их смесь, которые используют в виде порошка.

Однако он также может представлять собой фторид урана, такой как тетрафторид урана или смесь фторидов урана, также в форме порошка.

Зная, что размер частиц первого реагента оказывают влияние на размер зерна порошка сплава, который образуется на стадии b) и, что предпочтительно, чтобы размер частиц этого порошка сплава составлял (по определению лазерной дифракцией) 20-100 мкм, предпочтительно используют порошок оксида урана, размер частиц которого составляет (по определению лазерной дифракцией) 1-100 мкм, более предпочтительно 5-50 мкм.

Для этого порошок оксида урана перед его использованием может быть однократно или несколько раз просеян, создавая возможность удаления частиц слишком малого или слишком большого размера.

Кроме того, порошок оксида урана перед его использованием также может быть подвергнут обработке типа высушивания, предназначенной для удаления возможных химических соединений (вода, оксигидраты и т.д.), которые могут находиться на поверхности частиц этого порошка и/или термической обработке, например, при температуре 600-1000°С в восстановительной атмосфере, такой как атмосфера смеси аргона и водорода, для приведения содержания кислорода в этом порошке до стехиометрического по урану.

Более предпочтительно первый реагент представляет собой порошок диоксида урана, в котором содержание урана-235 предпочтительно составляет 1-20% ат. От общего содержания урана в этом порошке, который необязательно предварительно обработан так, что его стехиометрическое отношение U/O равно 2 или по существу равно 2.

Второй реагент, т.е. молибден или сплав молибдена, также предпочтительно используют в виде порошка.

Опять же, поскольку размер частиц этого порошка оказывает воздействие на размер зерна порошка сплава, который образуется на стадии b), порошок молибдена предпочтительно образован частицами, размер которых (по определению лазерной дифракцией) составляет не более 250 мкм, предпочтительно 5-150 мкм.

Что касается третьего реагента, т.е. металла восстановителя, он предпочтительно выбран из щелочных металлов (литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций) и щелочноземельных металлов (бериллий, кальций, магний, стронций, барий и радий).

Более конкретно третий реагент предпочтительно представляет собой щелочноземельный металл и, в частности, магний или кальций, который используют, или в виде порошка, или в виде опилок, или стружки.

Согласно изобретению, стадия а) может быть осуществлена проведением простого смешивания первого, второго и третьего реагентов и последующим введением этой смеси в реактор, который предназначен для выполнения стадии b). В этом случае смешивание трех реагентов предпочтительно проводят в смесителе типа Turbula™, что позволяет тщательно смешивать порошки различной плотности и размера зерна, не вызывая агломерации частиц, образующих эти порошки, и соответственно модификацию размера зерна.

Альтернативно, стадия а) также может осуществляться размещением в реакторе, по меньшей мере, одного слоя гранул, состоящих из гомогенной смеси первого и второго реагентов (которые были подготовлены заранее, например, смешиванием обоих этих реагентов в порошковом смесителе типа Turbula™ и затем одноосным сжатием полученной смеси) и, по меньшей мере, двух слоев третьего реагента, при этом слой гранул размещается между двумя слоями третьего реагента.

В любом случае, первый, второй и третий реагенты предпочтительно приводят в контакт в пропорциях, которые позволяют получать в конце стадии b), порошок сплава, с искомым содержанием молибдена, но в котором отсутствует уран в форме оксида или фторида.

Так, например, в случае, когда первый реагент представляет собой диоксид урана, а третий реагент представляет собой магний, реакция, которая проходит на стадии b), может быть записана в соответствии со следующей упрощенной схемой:

UO₂+2Mg+Mo→UMo+2MgO.

Для получения порошка сплава с содержанием молибдена 10% масс. будет использовано 1,22 г диоксида урана и 0,12 г молибдена и количество магния, по меньшей мере, эквивалентное теоретическому количеству магния, которое требуется для восстановления всего диоксида урана (т.е. в случае вышеуказанной реакции, 2 моля магния на 1 моль диоксида урана).

Для надежности и обеспечения полного восстановления диоксида урана можно использовать избыток магния, соответствующий не более двойного теоретического количества требуемого магния. В предыдущем примере, масса магния, который может быть использован, составляет 0,4391 г магния.

Согласно изобретению стадию b) предпочтительно проводят в молибденовом реакторе, чтобы избежать загрязнения элементами получаемого порошка сплава, в частности металлическими элементами, выделяющимися из этого материала корпуса.

Как указывалось выше, стадию b) осуществляют при температуре, равной или больше, чем температура плавления третьего реагента, что означает, что эта температура будет, например, по меньшей мере, 650°С, если третий реагент представляет собой магний и, по меньшей мере, 842°С, если третий реагент представляет собой кальций.

Фактически, в пределах объема притязаний настоящего изобретения предпочтительно стадию b) проводить при температуре, равной или превышающей 900°С, но ниже температуры плавления получаемого сплава, содержащего уран и молибден.

Обычно температура, используемая на стадии b), составляет 950-1150°С, оптимальной температурой является, например, 1100°С.

Кроме того, предпочтительно, чтобы эта температура достигалась постепенно. Кроме того, стадия b) включает повышение температуры предпочтительно 50-200°С/час.

Кроме того, предпочтительно стадию b) проводят при давлении не выше 1 бар инертного газа или смеси инертных газов, таких как, например, аргон или смесь азота и аргона.

Продолжительность стадии b) зависит от температуры, используемой на этой стадии, и от скорости, с которой эта температура достигается. Так, например, при эквивалентном повышении температуры, 48 часов будут необходимы для реакции, проводимой при 950°С, тогда как 24 ч будет достаточно для реакции, проводимой при 1100°С.

Как указывалось ранее, стадия с), которая предназначена для получения метастабильной γ фазы сплава, осуществляется со скоростью охлаждения, равной или более 450°С/час.

Для этого реактор предпочтительно охлаждают погружением в жидкий теплоноситель, например в водяную или в масляную баню с силиконовым маслом, выдержанную при комнатной температуре или при температуре ниже комнатной.

Что касается стадии d), ее, например, осуществляют растворением слоя оксида или фторида металла восстановителя, который покрывает частицы порошка сплава (а также избыток металла восстановителя, если последний был использован в избытке), например, обработкой порошка сплава кислой водной фазой, такой как водный раствор хлористоводородной кислоты, или органической фазой, содержащей один или несколько растворителей, включающих гидрированные группы.

Следует отметить, что для получения порошка тройного сплава UMoX или даже сплава, состоящего из более чем трех металлов, способом, который только что был описан, достаточно добавить металл X, и, если необходимо другой дополнительный металл(ы), в измельченной форме, к реагентам, используемым на стадии а), это добавление может быть, в частности, достигнуто с помощью этого(этих) металла(ов) в форме, в которой он(они) является(ются) уже сплавленными с молибденом.

С учетом характеристик частиц порошка сплава в соответствии с изобретением этот порошок существенно облегчает изготовление ядерного топлива, в частности, за счет минимизации риска дестабилизации сплава и сегрегации при изготовлении этого вида топлива, и оптимизирует поведение топлива при облучении, в частности, за счет увеличения его способности удерживать газообразные продукты деления, что дает возможность замедлить его распухание.

Следовательно, объектом настоящего изобретения также является применение порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, как определено выше, для изготовления ядерного топлива и, в частности, топлива, предназначенного для MTR.

Обычно в рамках этого получения, как это хорошо известно в современном уровне техники, порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой смешивают с порошком алюминия или сплава на основе алюминия для формирования топливного стержня и эту смесь затем подвергают прокатке, что позволяет его формование в пластинки и его плакирование.

Объектом изобретения также является применение порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, как определено выше, для изготовления мишеней, предназначенных для производства радиоизотопов.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из дополнительного последующего описания, которое относится к примерам приготовления порошков бинарного сплава UMo и тройного сплава UMoTi в соответствии с изобретением, и к которым относятся прилагаемые чертежи.

Очевидно, что эти примеры даны только в качестве иллюстрации объекта изобретения и они никоим образом не ограничивают этот объект.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет рентгеновскую дифрактограмму порошка бинарного сплава UMo в соответствии с изобретением (кривая А), а также сравнительного порошка сплава бинарного UMo с метастабильной γ фазой (данные JCPDS - кривая В).

Фиг. 2 представляет изображение шлифа, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа с увеличением 313, порошка бинарного сплава UMo в соответствии с изобретением, дифрактограмма которого представлена на фиг. 1.

Фиг. 3А, 3В и 3С представляют изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, с увеличением 2500 (фиг. 3А), 4000 (фиг. 3В) и 6322 (фиг. 3С), соответственно, частиц порошка бинарного сплава UMo, как показано на фиг. 2, и на которых закрытые поры, которые включают эти частицы, обозначены черными стрелками.

Фиг. 4 представляет изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, с увеличением 5000, частиц порошка бинарного сплава UMo, представленных на фиг. 2, и в котором указаны различно отмеченные точки (обозначенные от 1 до 10), в которых проведен анализ энергодисперсионной спектрометрией (элементарный объем отмеченной точки: 1 мкм³).

Фиг. 5 представляет изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа с увеличением 100, порошка тройного сплава UMoTi в соответствии с изобретением.

Фиг. 6 представляет изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, с увеличением 5000 частиц порошка тройного сплава UMoTi, представленного на фиг. 5, и на котором указаны различно отмеченные точки (обозначенные от 1 до 3), в которых проведен анализ энергодисперсионной спектрометрией (элементарный объем отмеченной точки: 1 мкм³).

Осуществление изобретения

Пример 1. Получение порошка бинарного сплава UMo в соответствии с изобретением.

100 г порошка бинарного сплава UMo с 10% масс. молибдена получают следующим образом.

Прежде всего, готовят гранулы размером 12 мм, диаметром и толщиной 2 мм, гомогенной смеси U/Mo.

Для этого 102,1 г порошка UO₂ (U/O ~2) с размером частиц (по определению лазерной дифракцией) 1-50 мкм смешивают с 10 г порошка молибдена с размером частиц (по определению лазерной дифракцией) 1-150 мкм, в смесителе Turbula™ в течение 20 мин и со скоростью 45 циклов/минуту. Затем эту смесь подвергают одноосному сжатию с усилием 100 МПа.

После чего слои гранул UO₂/Mo и слои магниевой стружки, наибольший размер которой составляет 1-3 мм, закладывают в молибденовый тигель так, чтобы сформировать стопку, в которой каждый слой UO₂/Mo гранул расположен между двумя слоями магниевой стружки.

Этот тигель герметизируют под небольшим давлением, менее 1 бар аргона. Затем его помещают в печь, которую нагревают со скоростью 150°С/час, пока она не достигает температуры 1100°С. Затем тигель оставляют в печи при этой температуре, так что время выдержки тигля в печи в общей сложности составляет 24 часа.

В конце этой обработки тигель охлаждают со скоростью 1000°С/час путем погружения его в водяную баню при комнатной температуре.

Порошок, содержащийся в тигле, извлекают и обрабатывают водным раствором 3,7% хлористоводородной кислоты в количестве 50 мл раствора на грамм порошка. После декантации порошок собирают фильтрованием, его промывают дистиллированной водой и сушат. Эта же операция выполняется три раза в течение 30 минут.

Получают таким образом 100 г порошка сплава UMo, частицы которого полностью очищены от магния и оксида магния.

Анализ рентгеновской дифрактометрией и сканирующей электронной микроскопией (СЭМ) показывает, что частицы этого порошка характеризуются тем, что:

- сплав на 100% является центрированной кубической фазой, т.е. метастабильной γ фазой с параметром 3,417 (см. дифрактограммы, представленные на фиг. 1);

- их размер составляет 20-100 мкм (см. фиг. 2, 3А, 3В и 3С);

- коэффициент или параметр вытянутости которых (по определению на основе изображений SEM, таких как показаны на фиг. 2, 3А, 3В и 3С, по методике, описанной в вышеуказанной работе [6]), составляет 1,1-2;

- присутствуют закрытые поры, размер которых (т.е. эквивалентный диаметр, по определению на основе изображений SEM, таких как показаны на фиг. 3А, 3В и 3С, по методике, описанной в вышеуказанной работе [6]), не превышает 3 мкм; и

- закрытая пористость которых (по определению на основе изображений SEM, таких, как показаны на фиг. 3А, 3В и 3С, в соответствии со стандартом ASTM Е1245-03) не составляет более 5% общего объема этих частиц.

Кроме того, анализ одной частицы SEM в сочетании с анализом энергодисперсионной спектрометрии (EDS) дает для 10 отмеченных точек (обозначенных от 1 до 10 - элементарный объем отмеченной точки: 1 мкм³), представленных на фиг. 4, массовое содержание урана и молибдена, представленное в таблице 1 ниже.

Как показано в этой таблице, изменение содержание молибдена составляет менее 1% масс.

Пример 2: Получение порошка тройного сплава UMoTi в соответствии с изобретением.

100 г порошка тройного сплава UMoTi готовят из 9% масс. молибдена и 1% масс. титана по методике, описанной в примере 1 выше, за исключением того, что используют 9 г молибдена и 1 г титана, количество используемого магния может быть как ранее около 37 г.

Фиг. 5 показывает изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, приготовленного таким образом порошка сплава UMoTi.

Анализ частиц этого порошка анализом SEM совместно с EDS дает 3 отмеченных точки (обозначенных от 1 до 3 - элементарный объем отмеченной точкой: 1 мкм³), показанных на фиг. 6, массовое содержание урана, молибдена и титана приведено в таблице 2 ниже.

Эта таблица показывает, что не только распределение молибдена очень гомогенное, но и распределение титана также очень гомогенное.

Источники информации

1. FR 2777688.

2. US 5978432.

3. JP 55-054508.

4. J.S. Lee et al., Journal of Nuclear Materials, 306, 147-152, 2002.

5. J.M. Park et al., Journal of Nuclear Materials, 397, 27-30, 2010.

6. C. Souchier, «Analyse d′images », in Techniques de , Analyse Chimique et , P. 855, 1-18, 1998.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошку сплава на основе урана, и может быть использовано при производстве топлива экспериментальных ядерных реакторов. Порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой образован из частиц с коэффициентом вытянутости от по меньшей мере 1,1 до не более 2, значением закрытой пористости от более 0 до не более 5% (об./об.), причем он образован из зерен, в которых изменение содержания молибдена в пределах одного зерна составляет не более чем 1 мас. %. Способ получения порошка сплава на основе урана включает приведение в контакт по меньшей мере одного первого реагента, выбранного из оксидов урана и их смесей, фторидов урана и их смесей, со вторым реагентом из молибдена или сплава молибдена и третьим реагентом из металла-восстановителя; взаимодействие реагентов с образованием сплава в виде порошка, частицы которого покрыты слоем оксида или фторида металла-восстановителя; охлаждение порошка и удаление слоя оксида или фторида металла-восстановителя. Облегчается производство ядерного топлива из порошка и оптимизируется поведение топлива при облучении, в частности увеличивается способность удерживать газообразные продукты деления. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл., 2 пр.

1. Порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, характеризующийся тем, что он образован из частиц, имеющих коэффициент вытянутости, равный от по меньшей мере 1,1 до не более 2, значение закрытой пористости от более 0 до не более 5% (об./об.), при этом он образован из зерен, в которых изменение содержания молибдена в пределах одного зерна составляет не более чем 1 мас. %.

2. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что закрытая пористость частиц состоит из закрытых пор, размер которых составляет не более 3 мкм.

3. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что размер частиц составляет 20-100 мкм.

4. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что он представляет собой порошок бинарного сплава урана и молибдена.

5. Порошок по п. 4, отличающийся тем, что содержание молибдена составляет 5-15 мас. %.

6. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что он представляет собой порошок тройного сплава UMoX, где X представляет собой металл, отличный от урана и молибдена.

7. Порошок по п. 6, отличающийся тем, что металл X выбран из титана, циркония, хрома, кремния, ниобия, платины, олова, висмута, рутения и палладия.

8. Порошок по п. 6, отличающийся тем, что содержание молибдена составляет 5-15 мас. %, а содержание металла X составляет не более 6 мас. %.

9. Способ получения порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой по любому из пп. 1-8, который включает:
a) приведение в контакт по меньшей мере одного первого реагента, выбранного из оксидов урана и их смесей, фторидов урана и их смесей, со вторым реагентом, состоящим из молибдена или сплава молибдена, и третьим реагентом, состоящим из металла-восстановителя, при этом первый, второй и третий реагенты находятся в измельченном виде;
b) взаимодействие приведенных в контакт реагентов в инертной атмосфере при температуре, по меньшей мере равной температуре плавления третьего реагента, с образованием сплава на основе урана, содержащего молибден, в виде порошка, частицы которого покрыты слоем оксида или фторида металла-восстановителя;
c) охлаждение полученного порошка со скоростью, по меньшей мере, равной 450°С/час; и
d) удаление слоя оксида или фторида металла-восстановителя, который покрывает частицы порошка сплава.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что первый реагент представляет собой порошок оксида урана, выбранного из диоксида урана UO₂, триоксида урана UO₃, полуторного оксида урана U₃O₈, тетраоксида урана U₄O₉ и их смесей.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что порошок оксида урана образован из частиц, размер которых составляет 1-100 мкм.

12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что порошок оксида урана представляет собой порошок диоксида урана со стехиометрическим отношением U/O, равным 2 или, по существу, равным 2.

13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что второй реагент представляет собой порошок, размер частиц которого составляет менее 250 мкм.

14. Способ по п. 9, отличающийся тем, что третий реагент выбран из щелочных металлов и щелочноземельных металлов.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что третий реагент представляет собой щелочноземельный металл в виде порошка, опилок или стружки.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что третий реагент представляет собой магний или кальций.

17. Способ по п. 9, отличающийся тем, что приведение в контакт реагентов осуществляют размещением в реакторе по меньшей мере одного слоя гранул, состоящих из гомогенной смеси первого и второго реагентов, и по меньшей мере двух слоев третьего реагента, при этом слой гранул находится между двумя слоями третьего реагента.

18. Способ по п. 9, отличающийся тем, что взаимодействие приведенных в контакт реагентов проводят при температуре, равной или превышающей 900°С и которая ниже температуры плавления сплава на основе урана, содержащего молибден.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что взаимодействие приведенных в контакт реагентов проводят при температуре 950-1150°С.

20. Способ по п. 9, отличающийся тем, что взаимодействие приведенных в контакт реагентов проводят при повышении температуры со скоростью 50-200°С/час.

21. Способ по п. 9, отличающийся тем, что удаление слоя оксида или фторида металла восстановителя проводят его растворением.

22. Применение порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, в метастабильной γ фазе по любому из пп. 1-8, для изготовления ядерного топлива, в частности для экспериментальных ядерных реакторов.

23. Применение порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, в метастабильной γ фазе по любому из пп. 1-8, для изготовления мишеней для производства радиоизотопов.