Способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива Российский патент 2024 года по МПК G21C3/00 G21C3/62 C01G43/00 

Область техники.

Изобретение относится к атомной промышленности, в частности к технологии изготовления керамического ядерного топлива для тепловыделяющих элементов (твэлов) АЭС.

Создание перспективного ядерного топлива с увеличенным циклом требует использования уран-гадолиниевых таблеток с повышенным содержанием выгорающего поглотителя (8,00 мас. % и более). Использование гадолиния в топливе позволяет проводить выравнивание полей энерговыделения по активной зоне и компенсацию запаса реактивности в течение кампании. К такому топливу предъявляются высокие требования.

Свойства топлива главным образом формируются на операции спекания, которая состоит из трех основных стадий: предварительный нагрев, высокотемпературная выдержка и охлаждение. Одной из основных задач процесса спекания является достижение заданного уровня требуемых свойств, которыми в случае топлива с высоким содержанием оксида гадолиния (8,00 мас. % и более) являются плотность, пористость, термическая стабильность (доспекаемость), размер зерна, содержание водорода и др. Температура, время изотермической выдержки, а также кислородный потенциал атмосферы спекания оказывают сильное влияние на эти свойства. Повышение точки росы и соответственно повышение содержания кислорода в атмосфере спекания способствует увеличению диффузии ионов урана и гадолиния, что необходимо для формирования твердого раствора UO₂-Gd₂O₃. Это в свою очередь влияет на получение стабильных положительных результатов по «доспекаемости» и снижению содержания водорода в таблетках. Кислород, входящий в СО₂, обладает высокой активностью. А из-за низкой растворимости СО₂ в кристаллической решетке UO₂-Gd₂O₃ закрытые поры оказываются заполненными СО₂, а не водородом, что уменьшает вероятность возникновения гидридной коррозии оболочек твэла и как следствие разгерметизации.

Под «доспекаемостью» подразумевается изменение геометрических размеров и/или плотности таблеток при повторном термическом воздействии вне реактора. Используя результаты тестирования таблеток на «доспекаемость», можно прогнозировать уплотнение и усадку таблеток при работе в реакторе в стационарном режиме, причем в зависимости от величины изменений плотности и размеров таблеток (диаметра) при «доспекании» разработаны модели внутриреакторных изменений под облучением плотности и размеров таблеток.

Практика показала, что доуплотнение может протекать с разной скоростью в зависимости от свойств топлива и условий облучения. Поэтому стабилизация доуплотнения («доспекаемости») и других свойств позволяет уменьшить возможные риски и гарантировать длительную работоспособность топлива в реакторе.

Уровень техники

Известен способ изготовления таблеток ядерного топлива, который включает приготовление пресс-порошка, прессование, спекание и шлифование. На стадии приготовления закиси-окиси урана 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 урана 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 (RU 2396611, опуб. 10.08.2010).

Недостатком данного способа является высокая температура (1750°С), длительность спекания (~ 30 ч), и увлажнение среды спекания не на всех стадиях спекания (8000-12000 ppm), в результате чего получается большой разброс в результатах по «доспекаемости». При этом, получаемая плотность таблеток достаточно низкая (≤10,15 г/см³), а содержание водорода и вовсе не приведено. Также, существенным недостатком данного изобретения, в настоящее время, является ограниченность использования оксида гадолиния до 7,0 мас. %. Это связано с тем, что развитие ядерного топлива направлено на увеличение глубины выгорания и продолжительности цикла облучения между перегрузками. Пути достижения этих целей осуществляются, в том числе, и повышением содержания выгорающего поглотителя в топливе.

Известен способ фирмы «ASEA-Atom» по изготовлению уран-гадолиниевого топлива, в котором спекание таблеток проводят в печи туннельного типа в условиях контроля парциального давления кислорода. Спекание ведут в атмосфере смеси СО₂+Н₂ или СО+СО₂/Н₂ (парциальное давление кислорода при 1973 K составляло 0,25×10^-6 Па). При этом получают таблетки, имеющие плотность 10,16 г/см³ (DE 3609663, опуб. 30.10.1986).

Недостатком способа является получение низкой плотности (<10,20 г/см³) уран-гадолиниевых таблеток. Использование такого низкоплотного топлива способствует появлению проблемы гидрирования оболочки из-за остаточной влаги.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива, включающий подготовку исходного порошка диоксида урана, его смешивание с порошком закиси-окиси урана и оксидом гадолиния, грануляцию смеси порошков, смешивание гранулята с твердой смазкой для прессования, прессование и спекание с получением таблеток, шлифование полученных таблеток. К смеси порошков поэтапно добавляют 1,2 мас. % порообразователя в виде азодикарбонамида, при этом часть порообразователя добавляют на стадии грануляции, а оставшуюся часть порообразователя добавляют на стадии смешения гранулята с твердой смазкой для прессования, в качестве которой используют стеарат алюминия (RU 2750780, опуб. 02.07.2021).

Недостатком способа прототипа является проведение дополнительной операции по вводу порообразователя для стабилизации «доспекаемости», а также поддержание точки росы не на всех стадиях операции спекания, что может привести к повышенному содержанию водорода в таблетках и образованию мелких трещин из-за недостатка кислорода при спекании.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение оптимальных показателей и стабильных характеристик уран-гадолиниевых топливных таблеток (плотности, «доспекаемости», размера зерна, содержания водорода).

Технический результат изобретения заключается в уменьшении содержания водорода в уран-гадолиниевых топливных таблетках, а также в стабилизации плотности и «доспекаемости», что способствует безопасной эксплуатации топлива в реакторе.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива включает подготовку исходного порошка диоксида урана, его смешение с порошком закиси-окиси урана и оксидом гадолиния, грануляция смеси порошков, смешение гранулята с твердой смазкой и порообразователем, прессование пресспорошка, спекание полученных таблеток и шлифование таблеток. Спекание осуществляют при влажности атмосферы на стадии предварительного нагрева от 8500 до 34000 ppm, на стадии высокотемпературной выдержки от 9200 до 35000 ppm, на стадии охлаждения от 5100 до 6000 ppm.

Высокотемпературная выдержка при спекании составляет от 5,5 до 8,0 часов.

Данный способ способствует уменьшению содержания водорода в уран-гадолиниевых топливных таблетках и обеспечивает стабильные эксплуатационные свойства керамического ядерного топлива. Изобретение поясняется иллюстрациями:

На фиг. 1 изображена характерная пористость (а) (х100), микроструктура (б) (х400) уран-гадолиниевых таблеток, спеченных с дополнительной подачей кислорода на всех стадиях спекания, в том числе и при охлаждении.

Осуществление изобретения

Реализация описываемого способа продемонстрирована на нескольких вариантах изготовления уран-гадолиниевых таблеток. Примеры реализации предлагаемого способа:

1 вариант:

К исходному порошку UO₂ добавляли 15% закиси-окиси урана, 8,0% оксида гадолиния и легирующие добавки, механически обрабатывали в вибромельнице. К полученной смеси добавляли 0,2% твердой смазки и 0,1% порообразователя, смешивали в трехосевом смесителе. Пресс-порошок прессовали на роторном прессе и проводили спекание в аргоно-водородной среде (6,0% Н₂) при температуре 1680°С. Уровень увлажнения атмосферы спекания на стадии предварительного нагрева составляет ≈8500 ppm, на высокотемпературной выдержке ≈9200 ppm, на стадии охлаждения ≈5100 ppm. Поддержание необходимой точки росы достигается путем добавления углекислого газа. Время высокотемпературной выдержки ≈5,5 ч. Операцию шлифования проводили на бесцентровом шлифовальном станке («сухой» способ).

2 вариант:

К исходному порошку UO₂ добавляли 15% закиси-окиси урана, 8,0% оксида гадолиния и легирующие добавки, механически обрабатывали в вибромельнице. К полученной смеси добавляли 0,2% твердой смазки и 0,1% порообразователя, смешивали в трехосевом смесителе. Пресс-порошок прессовали на роторном прессе и проводили спекание при температуре 1680°С в течение 8 часов в восстановительной атмосфере водорода с азотом (≈25% N₂). Газы насыщены парами воды, а на стадии охлаждения подавали СО₂. Уровень увлажнения атмосферы спекания на стадии предварительного нагрева составлял ≈34000 ppm, на высокотемпературной выдержке ≈35000 ppm, на стадии охлаждения ≈6000 ppm. Операцию шлифования проводили на бесцентровом шлифовальном станке («сухой» способ).

Для сравнения приведены свойства уран-гадолиниевых таблеток, которые спечены в восстановительных средах (в том числе с добавлением N₂ или Ar) с увлажнением на всех стадиях кроме охлаждения (варианты 3, 4).

Вариант 3 (для сравнения):

К исходному порошку UO₂ добавляли 15% закиси-окиси урана, 8,0% оксида гадолиния и легирующие добавки, механически обрабатывали в вибромельнице. К полученной смеси добавляли 0,2% твердой смазки и 0,1% порообразователя, смешивали в трехосевом смесителе. Пресс-порошок прессовали на роторном прессе и проводили спекание при температуре 1680 °С в течение 5,5 часов в аргоно-водородной среде (6,0% Н₂). Уровень увлажнения атмосферы спекания на стадии предварительного нагрева составлял ≈8650 ppm, на высокотемпературной выдержке ≈8600 ppm, на стадии охлаждения СО₂ не подавали. Поддержание необходимой точки росы достигается путем добавления углекислого газа. Операцию шлифования проводили на бесцентровом шлифовальном станке («сухой» способ).

Вариант 4 (для сравнения):

К исходному порошку UO₂ добавляли 15% закиси-окиси урана, 8,0% оксида гадолиния и легирующие добавки, механически обрабатывали в вибромельнице. К полученной смеси добавляли 0,2% твердой смазки и 0,1% порообразователя, смешивали в трехосевом смесителе. Пресс-порошок прессовали на роторном прессе и проводили спекание при температуре 1680°С в течение 8 часов в восстановительной атмосфере водорода с азотом (≈25% N₂). Газы насыщены парами воды. Уровень увлажнения атмосферы спекания на стадии предварительного нагрева составлял ≈21000 ppm, на высокотемпературной выдержке ≈25000 ppm, на стадии охлаждения увлажнение не производили. Операцию шлифования проводили на бесцентровом шлифовальном станке («сухой» способ).

Качественные характеристики уран-гадолиниевых таблеток для каждого варианта изготовления приведены в таблице 1.

В таблице 1 следует сравнивать вариант 1 с вариантом 3 (атмосфера спекания Ar/6% H₂), а вариант 2 с вариантом 4 (атмосфера спекания Н₂/25% N₂). По представленным результатам видно, что уровень увлажнения на всех стадиях спекания играет важную роль в стабилизации свойств керамического топлива. При высоком уровне увлажнения на всех стадиях спекания, в том числе и при дополнительном вводе кислорода в виде СО₂ при охлаждении (варианты 1, 2), происходит стабилизация значений плотности и «доспекаемости», а также уровень содержания водорода уменьшается по сравнению с вариантами 3, 4, где на стадии охлаждения не подавали СО₂.

Таким образом, предложенный способ изготовления уран-гадолиниевого топлива позволяет снижать содержание водорода в спеченных таблетках, а также способствует стабилизации плотности и «доспекаемости» топливных таблеток.

Практическое использование предлагаемой технологии изготовления уран-гадолиниевого топлива позволило повысить надежность твэлов с топливом, содержащем выгорающий поглотитель в виде добавки оксида гадолиния в количестве ≥8,0 мас. %, а также позволило снизить уровень повреждаемости топлива.

Изобретение относится к атомной промышленности, в частности к технологии изготовления керамического ядерного топлива для тепловыделяющих элементов (твэлов) АЭС. Способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива включает подготовку исходного порошка диоксида урана, его смешение с порошком закиси-окиси урана и оксидом гадолиния, грануляцию смеси порошков, смешение гранулята с твердой смазкой и порообразователем, прессование пресс-порошка, спекание полученных таблеток и шлифование таблеток. Спекание осуществляют при влажности атмосферы на стадии предварительного нагрева от 8500 до 34000 ppm, на стадии высокотемпературной выдержки от 9200 до 35000 ppm, на стадии охлаждения от 5100 до 6000 ppm. Изобретение позволяет уменьшить содержание водорода в уран-гадолиниевых топливных таблетках, а также стабилизировать плотность и «доспекаемость», что способствует безопасной эксплуатации топлива в реакторе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива, включающий подготовку исходного порошка диоксида урана, его смешение с порошком закиси-окиси урана и оксидом гадолиния, грануляцию смеси порошков, смешение гранулята с твердой смазкой и порообразователем, прессование пресс-порошка, спекание полученных таблеток и шлифование таблеток, отличающийся тем, что спекание осуществляют при влажности атмосферы на стадии предварительного нагрева от 8500 до 34000 ppm, на стадии высокотемпературной выдержки от 9200 до 35000 ppm, на стадии охлаждения от 5100 до 6000 ppm.

2. Способ по п. 1 отличающийся тем, что высокотемпературная выдержка при спекании составляет от 5,5 до 8,0 часов.