СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТОК СМЕШАННОГО ОКСИДНОГО УРАН-ПЛУТОНИЕВОГО ТОПЛИВА Российский патент 2022 года по МПК G21C3/62 

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в технологии изготовления керамического оксидного уран-плутониевого ядерного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов на быстрых и тепловых нейтронах.

Стратегическими задачами развития современной атомной энергетики являются разработка и внедрение новых энергетических технологий, предполагающих параллельную эксплуатацию реакторов на тепловых и быстрых нейтронах, объединенных общим замкнутым ядерным топливным циклом,

а также повышение ее эффективности, включая обеспечение экономической конкурентоспособности новых атомных электростанций с учетом их полного жизненного цикла. Необходимость создания, в рамках решения вышеуказанных задач, ряда предприятий замкнутого ядерного топливного цикла по обращению с отработавшим ядерным топливом, радиоактивными отходами и производству топлива из регенерированных ядерных материалов (урана и плутония), определяет актуальность вопросов повышения экономической эффективности производства ядерного топлива и его комплектующих.

Для совершенствования технологий изготовления ядерного топлива с целью повышения качественных характеристик топлива в процессе фабрикации применяют различные добавки: «сухие» и «мокрые» пластификаторы, легирующие добавки (кремний, алюминий), порообразователи, а также триурана октаоксид (или закись-окись урана) и оксиды редкоземельных элементов в качестве выгорающих поглотителей в технологии уранового ядерного топлива.

Применяемые в настоящее время промышленные технологии изготовления таблетированного оксидного уран-плутониевого топлива предусматривают на этапе приготовления пресс-порошка механическое смешивание раздельно полученных диоксидов урана и плутония. При этом обращение с несоответствующими требованиям конструкторской документации (некондиционными) таблетками (по показателям «внешний вид», «масса топливного столба», «плотность», «геометрические размеры», «массовая доля плутония» и др.) предполагает их временное хранение с последующей радиохимической переработкой без возможности оперативного «рецикла» - возврата урана и плутония в производственный цикл изготовления таблеток.

Известен способ изготовления таблеток керамического ядерного топлива [патент RU 2262756, G21C 3/62, опубл. 20.10.2005], включающий стадии подготовки пресс-порошка, его гранулирования, прессования и спекания полученных таблеток. Таблетки смешанного уран-плутониевого топлива получают и уранового топлива скорректированного обогащения получают из исходных порошков диоксида урана и диоксида плутония, а также из исходных порошков диоксида низкообогащенного урана и диоксида высокообогащенного урана соответственно. Подшихтовка оборотов (некондиционных) таблеток на этапе подготовки пресс-порошка в известном способе не предусмотрена.

Известен способ изготовления таблеток ядерного топлива [патент RU 2396611, G21C 3/62, опубл. 10.08.2010], включающий 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 шлифованную пыль и порошок UO₂ с отличным от требуемого технической документацией содержанием в таблетках U-235, U-236 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 U-235, U-236 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 U-235, U-236 и других изотопов урана. Указанный способ адаптирован применительно к технологии изготовления уранового и уран-гадолиниевого таблетированного ядерного топлива. Используемые для окисления (U, Gd)₃O₈ и U₃O₈ печи типа ПНТ и печи ПНТ-ПВТ для спекания готовых таблеток требуют доработки, поскольку не отвечают требованиям, предъявляемым к оборудованию для работы с плутонием, в части трехзонной компоновки оборудования, герметичности оборудования и т.п.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ изготовления уран-плутониевого топлива, включающий операцию переработки некондиционных таблеток уран-плутониевого МОКС-топлива (скрапа) с выделением и очисткой плутония для последующего его возврата в форме диоксида в производство МОКС-топлива [Производство МОКС-топлива на ФЯО ФГУП «ГХК» / Сборник докладов отраслевой конференции по теме «Замыкание топливного цикла ядерной энергетики на базе реакторов на быстрых нейтронах», Томск, 2018, с. 259-261]. Основным недостатком данного способа является удорожание производства уран-плутониевого топлива вследствие необходимости реализации радиохимической переработки некондиционных спеченных таблеток уран-плутониевого МОКС-топлива (скрапа) для повторного вовлечения ядерных материалов в производственный цикл изготовления топлива, в том числе, с учетом образования дополнительного объема жидких радиоактивных отходов, что обуславливает необходимость наличия соответствующей производственной инфраструктуры и схемы переработки.

Задачей изобретения является разработка способа изготовления таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива с требуемыми характеристиками, уменьшение объема твердых радиоактивных отходов с вовлечением спеченных некондиционных уран-плутониевых таблеток в процесс фабрикации.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива, включающем операции подготовки пресс-порошка, гранулирования, прессования, спекания и, при необходимости, шлифования полученных таблеток, на операции подготовки пресс-порошка исходная смесь диоксидов урана и плутония, с содержанием плутония в уран-плутониевом топливе до 30% мас, дополнительно содержит порошок, полученный в результате окисления несоответствующих требованиям конструкторской документации (бракованных) спеченных таблеток уран-плутониевого топлива, в количестве до 20% мас.

В частном случае процесс окисления несоответствующих требованиям конструкторской документации (бракованных) спеченных таблеток уран-плутониевого топлива проводят при температуре 350±50°С в течение 6-8 часов. Процесс окисления проводят в муфельной печи в радиационно-защитном боксе.

Полученный после окисления бракованных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива порошок представляет собой смесь оксидов урана и плутония. Наличие в окисленном порошке октаоксида триурана (или закиси-окиси урана) оказывает положительный эффект на процесс изготовления таблеток, который на этапе спекания таблеток уран-плутониевого топлива при температуре до 1800°С в восстановительной атмосфере заключается в дожигании остатков углерода (от разложения пластификатора и сухой смазки) выделяющимся в процессе восстановления закиси-окиси урана кислородом, а также способствует повышению качества готовой продукции, поскольку опытом производства уранового ядерного топлива подтвержден факт снижения образования трещин в спеченных таблетках при подшихтовке закиси-окиси урана к исходному диоксиду урана на этапе подготовки пресс-порошка. С учетом содержащейся в порошке после окисления бракованных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива закиси-окиси урана возможно регулировать микроструктуру и плотность готовых уран-плутониевых таблеток. При этом увеличение содержания получаемого после окисления порошка более 20 мас. % в исходной смеси диоксидов урана и плутония нецелесообразно, поскольку при этом может наблюдаться существенное снижение плотности спеченных уран-плутониевых таблеток (по аналогии с производством уранового ядерного топлива).

Вовлечение в процесс фабрикации уран-плутониевого топлива на этапе подготовки пресс-порошка измельченных бракованных спеченных таблеток, не прошедших операцию предварительного окисления при нагревании (является отличительным признаком заявленного изобретения), не позволяет достичь высокого выхода в годное продукции, а также снижает ресурс работы пресс-инструмента вследствие существенной разницы плотностей измельченных бракованных спеченных таблеток (включая твердость измельченных частиц) и исходной смеси диоксидов урана и плутония.

В частном случае номинальное содержание (массовая доля) плутония в окисляемых несоответствующих требованиям конструкторской документации (бракованных) спеченных таблетках уран-плутониевого топлива соответствует номинальному содержанию (массовой доле) плутония в исходной смеси диоксидов урана и плутония. В другом частном случае окисляемые несоответствующие требованиям конструкторской документации (бракованные) спеченные таблетки уран-плутониевого топлива, а также диоксиды урана и плутония в исходной смеси, изготовлены из одних партий порошка диоксида урана и диоксида плутония (одного изотопного состава).

При номинальном содержании (массовой доле) плутония и изотопном составе урана и плутония в окисляемых несоответствующих требованиям конструкторской документации (бракованных) спеченных таблетках уран-плутониевого топлива, отличном от номинального содержания (массовой доли) плутония и изотопного состава урана и плутония в исходной смеси диоксидов урана и плутония, в частном случае, проводят либо варьирование количества добавляемого окисленного порошка в исходную смесь диоксидов урана и плутония в пределах 20% мас, либо проводят окисление нескольких партий бракованных спеченных таблеток, подобранных таким образом, чтобы обеспечить при добавке полученного окисленного порошка в исходную смесь диоксидов урана и плутония соответствие готовой продукции (таблеток уран-плутониевого топлива) требованиям конструкторской документации.

Для обеспечения однородности физическо-химических свойств разных партий порошков, полученных в результате окисления несоответствующих требованиям конструкторской документации (бракованных) спеченных таблеток уран-плутониевого топлива, проводят их механическое усреднение. В частном случае для механического усреднения используют смеситель типа «пьяная бочка».

Технический результат изобретения обеспечивает решение вопроса утилизации бракованных таблеток уран-плутониевого топлива с сокращением объема образующихся радиоактивных отходов, что позволяет улучшить технико-экономические показатели производства уран-плутониевого топлива, включая увеличение выхода в годное продукции. Технический результат изобретения также способствует соблюдению режима нераспространения ядерных материалов.

Примеры осуществления изобретения.

Пример 1.

Изготовление таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива проводили следующим образом.

Готовили партию смеси навесок порошков диоксида урана марки РАЗ (52000-34 ТУ) массой 15962 г, диоксида плутония (2Б. 12865 ТУ, ФГУП «ГХК») массой 238 г и порошка, полученного в результате окисления бракованных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива, массой 1800 г, что составляло 10% мас. от общей массы партии.

В качестве бракованных таблеток использовали таблетки оксидного уран-плутониевого топлива с массовой долей плутония 1,213%. Расчетная массовая доля плутония в исходной смеси навесок порошков диоксида урана и диоксида плутония при этом составляла 1,317%. Для подготовки навески диоксида урана в исходной смеси порошков и изготовления таблеток, впоследствии забракованных и использованных для окисления, использовали одну партию порошка диоксида урана (одного изотопного состава). Для подготовки навески диоксида плутония в исходной смеси порошков и изготовления таблеток, впоследствии забракованных и использованных для окисления, использовали разные партии порошка диоксида плутония с отличным содержанием изотопов Pu-238, Pu-239, Pu-240, Pu-241, Pu-242.

Процесс окисления бракованных таблеток проводили в муфельной печи Carbolite GERO AAF 11/3, размещенной в радиационно-защитном перчаточном боксе с выдержкой в течение 6 часов при 350°С.После охлаждения и разгрузки печи навеску полученного порошка усредняли в смесителе TURBULA Т10 В (смеситель типа «пьяная бочка»).

Навески от партии смеси порошков диоксидов урана, плутония и окисленного порошка также предварительно усредняли в смесителе TURBULA T2F и Т10 В в течение 30 минут.

Операции измельчения, смешивания, гранулирования полученной смеси порошков после усреднения проводили путем обработки навесок в шаровой вибромельнице МВ-0,01 в течение 50 минут.

После окончания обработки полученный гранулят выгружали из вибромельницы в биконусный контейнер, смешивали с сухой смазкой (стеаратом цинка) и далее передавали на операцию прессования таблеток. Прессование проводили на роторном прессе Courtoy R57.

Полученные таблетки в лодочках помещали в садочную печь и проводили процесс спекания при выдержке в течение 4 часов при температуре 1800°С в восстановительной среде (аргоно-водородная смесь с содержанием водорода 7-8%). После остывания печи выгружали полученные таблетки.

Далее спеченные таблетки направляли на операцию шлифования. Для шлифования использовали автомат специальный круглошлифовальный бесцентровой ВШ-826М.

Результаты химического анализа изготовленных таблеток уран-плутониевого топлива, представлены в таблице 1.

Значения кислородного коэффициента составили 2,001-2,002. Результаты измерения плотности спеченных таблеток уран-плутониевого топлива представлены в таблице 2.

Результаты измерения параметров микроструктуры полученных таблеток уран-плутониевого топлива, представлены в таблице 3.

Результаты анализа доспекаемости (термической стабильности по диаметру) полученных таблеток после шлифования: для индивидуальных значений - 0,17-0,22%, для группового показателя (среднего значения по партии)-0,18%.

Качество изготовленных таблеток соответствует современным требованиям, предъявляемым к таблетированному оксидному уран-плутониевому топливу для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов на тепловых нейтронах (типа ВВЭР).

Пример 2.

Изготовление таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива проводили следующим образом.

Готовили партию смеси навесок порошков диоксида урана марки РАЗ (52000-34 ТУ) массой 9459 г, диоксида плутония (2Б. 12865 ТУ, ФГУП «ГХК») массой 141 г и порошка, полученного в результате окисления бракованных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива, массой 2400 г, что составляло 20% мас. от общей массы партии.

В качестве бракованных таблеток использовали таблетки оксидного уран-плутониевого топлива с массовой долей плутония 1,323%. Расчетная массовая доля плутония в исходной смеси навесок порошков диоксида урана и диоксида плутония при этом составляла 1,317%. Бракованные спеченные таблетки уран-плутониевого топлива, а также диоксиды урана и плутония в исходной смеси, были изготовлены из одних партий порошка диоксида урана и диоксида плутония (одного изотопного состава).

Процесс окисления бракованных таблеток проводили в муфельной печи Carbolite GERO AAF 11/3, размещенной в радиационно-защитном перчаточном боксе с выдержкой в течение 8 часов при 400°С. После охлаждения и разгрузки печи навеску полученного порошка усредняли в смесителе TURBULA Т10 В (смеситель типа «пьяная бочка»).

Дальнейшее изготовление таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива, включая операции предварительного усреднения, измельчения, смешивания, гранулирования, смешения с сухой смазкой, прессования, спекания и шлифования, проводили аналогично примеру 1.

Результаты химического анализа изготовленных таблеток уран-плутониевого топлива, представлены в таблице 4.

Значения кислородного коэффициента составили 2,000-2,001. Результаты измерения плотности спеченных таблеток уран-плутониевого топлива представлены в таблице 5.

Результаты измерения параметров микроструктуры полученных таблеток уран-плутониевого топлива, представлены в таблице 6.

Максимальный диаметр Фере отдельных пор на поле шлифа для всех отобранных для анализа проб составил менее 50 мкм.

Результаты анализа доспекаемости (термической стабильности по диаметру) полученных таблеток после шлифования: для индивидуальных значений - 0,16-0,18%, для группового показателя (среднего значения по партии) - 0,17%.

Качество изготовленных таблеток соответствует современным требованиям, предъявляемым к таблетированному оксидному уран-плутониевому топливу для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов на тепловых нейтронах (типа ВВЭР).

Пример 3.

Изготовление таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива проводили следующим образом.

Готовили партию смеси навесок порошков диоксида урана марки У1П (52 000-28 ТУ) массой 14946 г, диоксида плутония марки «Б» (2Б. 11993 ТУ, ФГУП «ГХК») массой 2654 г и порошка, полученного в результате окисления бракованных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива, массой 2400 г, что составляло 12% мае. от общей массы партии.

В качестве бракованных таблеток использовали таблетки оксидного уран-плутониевого топлива с номинальным содержанием (массовой долей) плутония, соответствующим номинальному содержанию (массовой доле) плутония

в исходной смеси порошков диоксидов урана и плутония. Окисляемые бракованные спеченные таблетки уран-плутониевого топлива, а также диоксиды урана и плутония в исходной смеси, были изготовлены из одних партий порошка диоксида урана и диоксида плутония (одного изотопного состава).

Процесс окисления бракованных таблеток проводили в муфельной печи Carbolite GERO AAF 11/3, размещенной в радиационно-защитном перчаточном боксе с выдержкой в течение 7 часов при 350°С. После охлаждения и разгрузки печи навеску полученного порошка усредняли в смесителе TURBULA Т10 В (смеситель типа «пьяная бочка»).

Предварительное усреднение навесок от партии смеси порошков диоксидов урана, плутония и окисленного порошка, а также последующие операции измельчения, смешивания, гранулирования полученной смеси, смешение с сухой смазкой и прессования таблеток проводили аналогично примеру 1.

Полученные таблетки в лодочках помещали в садочную печь и проводили процесс спекания при выдержке в течение 6 часов при температуре 1750°С в восстановительной среде (аргоно-водородная смесь с содержанием водорода 7-8%). После остывания печи выгружали полученные таблетки.

Результаты химического анализа изготовленных таблеток уран-плутониевого топлива, представлены в таблице 7.

Значения атомного отношения кислорода к сумме урана и плутония составили 1,979-1,981.

Результаты измерения плотности спеченных таблеток уран-плутониевого топлива представлены в таблице 8.

По результатам измерения параметров микроструктуры полученных таблеток уран-плутониевого топлива значения среднего условного размера зерна составили 6,6-6,9 мкм. Максимальные линейные размеры участков с повышенным содержанием плутония (от номинального значения в два раза) составили (для всех проб) менее 40 мкм.

Качество изготовленных таблеток соответствует современным требованиям, предъявляемым к таблетированному оксидному уран-плутониевому топливу для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов на быстрых нейтронах (типа БН).

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано в технологии изготовления керамического оксидного уран-плутониевого ядерного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов на быстрых и тепловых нейтронах. Способ изготовления таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива включает операции подготовки пресс-порошка, гранулирования, прессования, спекания и, при необходимости, шлифования полученных таблеток. Дополнительно содержит порошок, полученный в результате окисления бракованных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива, в количестве до 20 мас.%. Изобретение позволяет утилизировать бракованные таблетки уран-плутониевого топлива с сокращением объема образующихся радиоактивных отходов. 9 з.п. ф-лы, 8 табл.

1. Способ изготовления таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива, включающий операции подготовки пресс-порошка, гранулирования, прессования, спекания и, при необходимости, шлифования полученных таблеток, отличающийся тем, что на операции подготовки пресс-порошка исходная смесь диоксидов урана и плутония, с содержанием плутония в уран-плутониевом топливе до 30 мас.%, дополнительно содержит порошок, полученный в результате окисления бракованных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива, в количестве до 20 мас.%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс окисления бракованных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива проводят при температуре 350±50°С в течение 6-8 часов.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что окисление проводят в муфельной печи в радиационно-защитном боксе.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что массовая доля плутония в окисляемых бракованных спеченных таблетках уран-плутониевого топлива соответствует массовой доле плутония в исходной смеси диоксидов урана и плутония.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окисляемые бракованные спеченные таблетки уран-плутониевого топлива, а также диоксиды урана и плутония в исходной смеси, имеют один изотопный состав.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что массовая доля плутония и изотопный состав урана и плутония в окисляемых бракованных спеченных таблетках уран-плутониевого топлива отличается от массовой доли плутония и изотопного состава урана и плутония в исходной смеси диоксидов урана и плутония.

7. Способ по пп. 1 и 6, отличающийся тем, что проводят варьирование количества добавляемого окисленного порошка в исходную смесь диоксидов урана и плутония в пределах 20 мас.%.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что проводят окисление нескольких партий бракованных спеченных таблеток, подобранных таким образом, чтобы обеспечить при добавке полученного окисленного порошка в исходную смесь диоксидов урана и плутония соответствие полученных таблеток уран-плутониевого топлива требованиям конструкторской документации.

9. Способ по пп. 1, 4, 5 и 6, отличающийся тем, что проводят механическое усреднение разных партий порошка, полученного в результате окисления бракованных спеченных таблеток уран-плутониевого топлива.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что для механического усреднения используют смеситель типа «пьяная бочка».