СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ПОРИСТОГО ДИОКСИДА УРАНА Российский патент 2019 года по МПК G21C3/62 G21C21/02 C01G43/25 

Описание патента на изобретение RU2690492C1

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для получения таблеток диоксида урана топливных сердечников высокотемпературных вентилируемых тепловыделяющих элементов (ТВЭЛОВ) преимущественно термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТРП) встроенного варианта.

Ресурс ТРП существенно зависит от характеристик микроструктуры топливных сердечников ТВЭЛОВ из диоксида урана, которая быстро относительно ресурса преобразователя формируется в начальный период эксплуатации ядерной энергетической установки (≤300 часов).

При использовании типичного диоксида урана в виде таблеток с равноосной структурой в топливном сердечнике ТВЭЛА ТРП формируется устойчивая микроструктура в виде радиально ориентированных столбчатых зерен с максимальной шириной (поперечным размером) 300-400 мкм. Это обстоятельство приводит к появлению локальных зон в топливном сердечнике ТВЭЛА с низкой ползучестью, что может привести к повреждению оболочки из-за распухающего топлива [Гонтарь А.С., Гриднев А.А., Ракитская Е.М. и др. «Оптимизация структуры диоксида урана применительно к твэлу термоэмиссионного реактора-преобразователя». Атомная энергия, 2005, т. 99, вып. 4, с. 264-268].

Известен способ получения таблеток ядерного топлива на основе диоксида урана, включающий приготовление шихты из исходного сырья, прессование и спекание заготовок [см. Котельников Р.Б., Башлыков С.Н., Каштанов А.И., Мельникова Т.С. «Высокотемпературное ядерное топливо», М.: Атомиздат, 1978, 432 с.].

Данный способ позволяет получать таблетки из исходного порошка диоксида урана плотностью 84-93% от теоретического значения плотности. При использовании в качестве исходного сырья гранулы или микросферы плотность таблеток достигала 95% от теоретического значения плотности. При этом преимущественный спектр пор составляли поры размером 3-5 мкм. Поэтому известный способ не отвечает требованиям по спектру пор для таблеток диоксида урана, необходимого для формирования оптимальной структуры в топливном сердечнике ТВЭЛА ТРП.

Известен также способ получения таблеток из диоксида урана для тепловыделяющих реакторов АЭС [Патент РФ №2253913, МПК G21C 3/62 «Способ получения топливных таблеток для тепловыделяющих элементов из диоксида урана (варианты) Н.З. Ляхов, Г.Р. Карагедов и др. заявл. 23.05.2003 г.].

Этот способ, включающий приготовление шихты (пресс-порошка) из диоксида урана керамического сорта, прессование и спекание таблеток при температуре ≤1900°C, является по технической сущности наиболее близким к предлагаемому и выбран в качестве прототипа. В шихту, формируемую из измельченных частиц бракованных готовых таблеток, добавляют 2-4% масс летучего порообразущего вещества.

Недостатком способа является то, что возможность формирования в таблетках диоксида урана требуемого спектра пор 70-200 мкм исключается из-за характерного для прототипа преобладающего спектра пор малого размера (3-5 мкм) и величины пористости ≤5% масс. Поры с поперечным размером 5-10 мкм не позволяют эффективно удалять продукты деления из топлива в период эксплуатации ТРП, что приводит к распуханию сердечников ТВЭЛОВ в реакторе.

В обеспечение формирования аналога открытой предельной радиальной пористости при которой распухание сердечников минимально перед авторами стояла задача получения таблеток диоксида урана с преимущественным размером пор 70-200 мкм при уровне общей пористости 10-20%.

Диапазон гранулометрического состава порообразующего летучего вещества и его процентного содержания выбран на основе результатов исследовательской работы, показавшей, что поры величиной 70-200 мкм способны формировать аналог открытой предельной радиальной пористости. Таким образом, обеспечивается минимальное распухание сердечников ТВЭЛОВ в реакторе. Для предлагаемых сердечников не требуется прочной оболочки.

Для решения поставленной задачи разработан экономичный одностадийный технологичный способ получения таблетированного пористого диоксида урана топливных сердечников высокотемпературных вентилируемых тепловыделяющих элементов термоэмиссионных реакторов-преобразователей встроенного варианта, включающий приготовление шихты из исходного порошка диоксида урана с добавлением связки и летучего порообразующего вещества, прессование и спекание таблеток, причем летучее порообразующее вещество добавляют в виде смеси гранул с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 10-20% от массы порошка диоксида урана, а спекание таблеток осуществляют в высокотемпературной вакуумной печи при температуре спекания 1900±20°C, при давлении остаточной среды 5⋅10-5 мм. рт.ст. в течение четырех часов.

Предпочтительно, в качестве летучего порообразующего вещества используют парафин или стеарат цинка.

Как следует из изложенного выше, сущность изобретения заключается в том, что добавление летучего порообразующего вещества в виде смеси гранул с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 10-20% от массы порошка диоксида урана позволяет в одну стадию получить таблетки диоксида урана с преимущественным размером пор 70-200 мкм за счет испарения летучего порообразующего вещества и его удаления на стадии спекания прессованных таблеток диоксида урана. Фракционный размер летучего порообразующего вещества и его процентное содержание определены по результатам проведенных авторами тестовых экспериментов с различным гранулометрическим составом летучего порообразующего вещества и его процентным содержанием в шихте с учетом объемной усадки таблетки при спекании. Поры 70-200 мкм позволяют формировать в сердечниках ТВЭЛОВ аналог предельной открытой радиальной пористости при которой распухание сердечников минимально (~0,3% об / % ат).

На фиг. 1 приведена фотография типичной микроструктуры готовых таблеток диоксида урана.

На фиг. 2 приведена фотография типичной микроструктуры таблеток диоксида урана после испытаний в поле градиента температуры применительно к температурным условиям работы высокотемпературного ТВЭЛА ТРП.

Пример конкретного осуществления.

Пример 1

Из парафина формировали гранулы с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм. Для приготовления шихты, к исходному порошку диоксида урана последовательно добавляли смесь гранул парафина с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 10% от массы порошка диоксида урана и связку. Далее перемешивали до однородного состава шихты. В качестве связки использовали смесь этанола с глицерином в соотношении объемов 3:1 в количестве 4% от массы порошка диоксида урана.

Таблетки прессовали, а после осуществляли спекание таблеток в высокотемпературной вакуумной печи при температуре спекания 1900±20°C при давлении остаточной среды 5⋅10-5 мм. рт.ст. (6,76⋅10-3 Па) в течение четырех часов. Затем охлаждали печь.

На фиг. 3 представлена фотография микроструктуры готовых таблеток с размером пор от 70 до 200 мкм.

Пример 2

Из стеарата цинка формировали гранулы с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм. Для приготовления шихты, к исходному порошку диоксида урана последовательно добавляли смесь гранул стеарата цинка с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 15% от массы порошка диоксида урана и связку. Далее перемешивали до однородного состава шихты. В качестве связки использовали смесь этанола с глицерином в соотношении 3:1 в количестве 5% от массы порошка диоксида урана.

Таблетки прессовали, а после осуществляли спекание таблеток в высокотемпературной вакуумной печи при температуре спекания 1900±20°C при давлении остаточной среды 5⋅10-5 мм рт.ст. (6,76⋅10-3 Па) в течение четырех часов. Затем охлаждали печь.

Таблетки, изготовленные в соответствии с заявленным изобретением, имели следующие характеристики:

- геометрические характеристики: наружный диаметр 17,1 мм; внутренний диаметр 8,0 мм; высота 8,4 мм;

- плотность матрицы: 80-90% от теоретической плотности;

- общая пористость: 10-20%;

- размер пор: 70-200 мкм.

Следовательно, проведенные исследования показывают, что в таблетках диоксида урана, изготовленных в соответствии с данным изобретением, обеспечивается формирование микроструктуры с размером пор 70-200 мкм при общей пористости 10-20%. Это позволяет формировать в сердечниках ТВЭЛОВ аналог предельной открытой радиальной пористости. Вследствие этого, достигается минимальное распухание сердечников ТВЭЛОВ в реакторе, минимизируется нагрузка на оболочку, что позволяет использовать менее прочные и более дешевые оболочки. Разработанный способ получения таблетированного диоксида урана значительно сокращает время получения таблетированного диоксида урана относительно способа получения типичного таблетированного диоксида урана с равноосной структурой, т.к. является одностадийным, следовательно, более экономичным.

Похожие патенты RU2690492C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ПОРИСТОГО ДИОКСИДА УРАНА 2018
  • Емельяненко Анна Георгиевна
  • Емельяненко Владимир Валерьевич
  • Матяш Виталий Викторович
RU2690155C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ДИОКСИДА УРАНА 2014
  • Выбыванец Валерий Иванович
  • Гриднев Алексей Алексеевич
  • Гонтарь Александр Степанович
  • Емельяненко Владимир Валерьевич
  • Ракитская Елена Михайловна
RU2577272C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ СЕРДЕЧНИКА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА 2004
  • Гонтарь А.С.
  • Гриднев А.А.
  • Гутник В.С.
  • Нелидов М.В.
  • Ракитская Е.М.
  • Хасматулин А.А.
RU2260862C1
Способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива 2020
  • Карпеева Анастасия Евгеньевна
  • Пахомов Дмитрий Сергеевич
  • Скомороха Андрей Евгеньевич
  • Тимошин Игнат Сергеевич
RU2750780C1
НЕВЕНТИЛИРУЕМЫЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 2011
  • Алексеев Сергей Владимирович
  • Выбыванец Валерий Иванович
  • Гонтарь Александр Степанович
  • Нелидов Михаил Васильевич
  • Ракитская Елена Михайловна
  • Сотников Валерий Николаевич
RU2472241C2
ВЕНТИЛИРУЕМЫЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА 1998
  • Корнилов В.А.
RU2133510C1
ТАБЛЕТКА ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА И СПОСОБ ЕЁ ПОЛУЧЕНИЯ 2016
  • Лысиков Александр Владимирович
  • Бахтеев Олег Александрович
  • Дегтярев Никита Александрович
  • Михеев Евгений Николаевич
  • Новиков Владимир Владимирович
RU2713619C1
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИЙ КАНАЛ ТЕРМОЭМИССИОННОГО РЕАКТОРА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 2015
  • Выбыванец Валерий Иванович
  • Гонтарь Александр Степанович
  • Колесников Евгений Геннадиевич
  • Нелидов Михаил Васильевич
  • Сотников Валерий Николаевич
RU2597875C1
ТАБЛЕТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ 2018
  • Лашков Валерий Николаевич
  • Юхимчук Аркадий Аркадьевич
RU2672256C1
УРАН-ГАДОЛИНИЕВОЕ ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2012
  • Лопатин Владимир Юрьевич
  • Мякишева Лариса Васильевна
  • Панов Владимир Сергеевич
  • Карпеева Анастасия Евгеньевна
  • Власовец Игорь Александрович
RU2502141C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 690 492 C1

Реферат патента 2019 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ПОРИСТОГО ДИОКСИДА УРАНА

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для получения таблеток диоксида урана топливных сердечников высокотемпературных вентилируемых тепловыделяющих элементов (ТВЭЛОВ) преимущественно термоэмиссионных реакторов-преобразователей (ТРП) встроенного варианта. Способ получения таблетированного пористого диоксида урана включает приготовление шихты из исходного порошка диоксида урана с добавлением связки и летучего порообразующего вещества в виде смеси гранул с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 10-20% от массы порошка диоксида урана, прессование и спекание таблеток в высокотемпературной вакуумной печи при температуре 1900±20°С, при давлении остаточной среды 5*10-5 мм рт.ст. в течение четырех часов. Изобретение позволяет формировать в сердечниках ТВЭЛОВ аналог предельной открытой радиальной пористости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения RU 2 690 492 C1

1. Способ получения таблетированного пористого диоксида урана топливных сердечников высокотемпературных вентилируемых тепловыделяющих элементов термоэмиссионных реакторов-преобразователей встроенного варианта, включающий приготовление шихты из исходного порошка диоксида урана с добавлением связки и летучего порообразующего вещества, прессование и спекание таблеток, отличающийся тем, что летучее порообразующее вещество добавляют в виде смеси гранул с фракционным размером в диапазоне от 70 до 200 мкм в количестве 10-20% от массы порошка диоксида урана, а спекание таблеток осуществляют в высокотемпературной вакуумной печи при температуре спекания 1900±20°C, при давлении остаточной среды 5⋅10-5 мм. рт.ст. в течение четырех часов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве летучего порообразующего вещества используют парафин или стеарат цинка.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2690492C1

US 4985183 A, 15.01.1991
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ТАБЛЕТОК ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ДИОКСИДА УРАНА (ВАРИАНТЫ) 2003
  • Ляхов Н.З.
  • Карагедов Г.Р.
  • Евсеев А.Г.
  • Филиппов Е.А.
  • Сайфутдинов С.Ю.
  • Кустов Л.В.
  • Александров А.Б.
  • Рожков В.В.
RU2253913C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ДИОКСИДА УРАНА 2014
  • Выбыванец Валерий Иванович
  • Гриднев Алексей Алексеевич
  • Гонтарь Александр Степанович
  • Емельяненко Владимир Валерьевич
  • Ракитская Елена Михайловна
RU2577272C1
US 4138360 A, 06.02.1979
Хлопкоуборочный аппарат 1986
  • Ким Валерий Сан-Гарович
  • Васюткин Борис Максимович
  • Первушевский Геннадий Георгиевич
SU1371595A1

RU 2 690 492 C1

Авторы

Емельяненко Анна Георгиевна

Емельяненко Владимир Валерьевич

Матяш Виталий Викторович

Даты

2019-06-04Публикация

2018-05-31Подача