RU2396611C1 - Способ изготовления таблеток ядерного топлива - Google Patents
Способ изготовления таблеток ядерного топлива Download PDFInfo
- Publication number
- RU2396611C1 RU2396611C1 RU2009128639/06A RU2009128639A RU2396611C1 RU 2396611 C1 RU2396611 C1 RU 2396611C1 RU 2009128639/06 A RU2009128639/06 A RU 2009128639/06A RU 2009128639 A RU2009128639 A RU 2009128639A RU 2396611 C1 RU2396611 C1 RU 2396611C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tablets
- powder
- content
- oxide
- uranium
- Prior art date
Links
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 title claims description 21
- 239000008188 pellet Substances 0.000 title abstract description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 24
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 102
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 75
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 71
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 4
- GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N Nitrous Oxide Chemical compound [O-][N+]#N GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 107
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 54
- 239000001272 nitrous oxide Substances 0.000 claims description 51
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 33
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 14
- 230000002950 deficient Effects 0.000 claims description 13
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 13
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 9
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 24
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 14
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 abstract 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 75
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 13
- ACTXVUKAWNGDKG-UHFFFAOYSA-N [Gd].[U] Chemical compound [Gd].[U] ACTXVUKAWNGDKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 9
- FRRAMGDPBCCXKJ-UHFFFAOYSA-N [U].[Er] Chemical compound [U].[Er] FRRAMGDPBCCXKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- OOAWCECZEHPMBX-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);uranium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[U+4] OOAWCECZEHPMBX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N uranium dioxide Inorganic materials O=[U]=O FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 4
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001938 gadolinium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 229940075613 gadolinium oxide Drugs 0.000 description 3
- CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N gadolinium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Gd+3].[Gd+3] CMIHHWBVHJVIGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 3
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 3
- XOOUIPVCVHRTMJ-UHFFFAOYSA-L zinc stearate Chemical compound [Zn+2].CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O.CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O XOOUIPVCVHRTMJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WZECUPJJEIXUKY-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[U+6] Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[U+6] WZECUPJJEIXUKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 2
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- VQCBHWLJZDBHOS-UHFFFAOYSA-N erbium(iii) oxide Chemical compound O=[Er]O[Er]=O VQCBHWLJZDBHOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000006187 pill Substances 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 102200052313 rs9282831 Human genes 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910000439 uranium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 241000006966 Areva Species 0.000 description 1
- 239000004156 Azodicarbonamide Substances 0.000 description 1
- 239000004604 Blowing Agent Substances 0.000 description 1
- 101100345589 Mus musculus Mical1 gene Proteins 0.000 description 1
- JNNHMKRFMUBTFO-UHFFFAOYSA-N [O-2].[Er+3].[U+6] Chemical compound [O-2].[Er+3].[U+6] JNNHMKRFMUBTFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- XOZUGNYVDXMRKW-AATRIKPKSA-N azodicarbonamide Chemical compound NC(=O)\N=N\C(N)=O XOZUGNYVDXMRKW-AATRIKPKSA-N 0.000 description 1
- 235000019399 azodicarbonamide Nutrition 0.000 description 1
- VJRITMATACIYAF-UHFFFAOYSA-N benzenesulfonohydrazide Chemical compound NNS(=O)(=O)C1=CC=CC=C1 VJRITMATACIYAF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000007580 dry-mixing Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- ZXGIFJXRQHZCGJ-UHFFFAOYSA-N erbium(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Er+3].[Er+3] ZXGIFJXRQHZCGJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000000021 stimulant Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
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.
Description
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.
Claims (3)
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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009128639/06A RU2396611C1 (ru) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Способ изготовления таблеток ядерного топлива |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009128639/06A RU2396611C1 (ru) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Способ изготовления таблеток ядерного топлива |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2396611C1 true RU2396611C1 (ru) | 2010-08-10 |
Family
ID=42699165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009128639/06A RU2396611C1 (ru) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Способ изготовления таблеток ядерного топлива |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2396611C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661492C1 (ru) * | 2017-05-12 | 2018-07-17 | Акционерное общество "Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии" | Способ изготовления таблетированного ядерного керамического топлива |
| RU2785819C1 (ru) * | 2022-03-14 | 2022-12-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Горно-химический комбинат" (ФГУП "ГХК") | Способ изготовления таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива |
-
2009
- 2009-07-27 RU RU2009128639/06A patent/RU2396611C1/ru active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661492C1 (ru) * | 2017-05-12 | 2018-07-17 | Акционерное общество "Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии" | Способ изготовления таблетированного ядерного керамического топлива |
| RU2785819C1 (ru) * | 2022-03-14 | 2022-12-13 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Горно-химический комбинат" (ФГУП "ГХК") | Способ изготовления таблеток смешанного оксидного уран-плутониевого топлива |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100287326B1 (ko) | 산화물 핵연료 소결체의 불량품을 재활용 하는 방법 | |
| US3504058A (en) | Process for manufacturing sintered pellets of nuclear fuel | |
| RU2352004C2 (ru) | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТОК ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ СМЕШАННОГО ОКСИДА (U, Pu)O2 ИЛИ (U, Th)O2 | |
| JP2018505394A (ja) | 少なくとも一種の金属酸化物のペレットを製造する方法 | |
| EP3951799B1 (en) | Method for producing ceramic nuclear fuel with a burnable absorber | |
| RU2396611C1 (ru) | Способ изготовления таблеток ядерного топлива | |
| WO2018124915A1 (ru) | Таблетка ядерного топлива и способ её получения | |
| RU2353988C1 (ru) | Способ изготовления таблеток ядерного топлива с выгорающим поглотителем | |
| RU2750780C1 (ru) | Способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива | |
| RU2701542C1 (ru) | Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов | |
| KR100969640B1 (ko) | 금속 이물질이 함유된 고연소도 사용후핵연료를 이용한핵연료 소결체 제조방법 | |
| CN109378097A (zh) | 一种制备模拟乏燃料的方法 | |
| JP2981580B2 (ja) | 核燃料体の製造方法 | |
| Kang et al. | Improvement of UO2 pellet properties by controlling the powder morphology of recycled U3O8 powder | |
| RU2148279C1 (ru) | Способ получения топливных таблеток | |
| KR100969644B1 (ko) | 고연소도 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법 | |
| US3254030A (en) | Plutonium enriched uranium fuel for nuclear reactors | |
| US3812050A (en) | Production of porous ceramic nuclear fuel employing dextrin as a volatile pore former | |
| RU2271584C2 (ru) | Способ изготовления таблетки ядерного керамического топлива | |
| Yaylı | Production of annular and compact type burnable absorber nuclear fuel pellets by powder metallurgy and sol gel route | |
| JP2701043B2 (ja) | ２重微細構造を有する酸化物核燃料体の製造方法 | |
| WO2025014391A1 (ru) | Способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива | |
| Kimb et al. | Development of commercial manufacturing technology for large grain UO2 pellets | |
| KR100266481B1 (ko) | 산화리튬을이용한혼합핵연료소결체의결정립성장방법 | |
| RU2142170C1 (ru) | Таблетка ядерного топлива |