RU221159U1 - Установка технологической подготовки порошков для изготовления уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности к технологическому оборудованию для изготовления смешанного уран-плутониевого топлива реакторов на быстрых или тепловых нейтронах. Установка технологической подготовки порошков для изготовления уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов содержит шаровую мельницу для обработки порошков. Шаровая мельница представляет собой дистанционно обслуживаемую шаровую вибромельницу ядерно-безопасного исполнения с рабочей камерой в форме тора. Проводится одновременное измельчение, смешивание, гранулирование порошков оксидов урана и плутония за счет колебательных движений рабочей камеры вибромельницы с виброускорениями порядка 5-6 G горизонтальным и порядка 12-18 G вертикальными, при скорости вращения вала вибровозбудителя 1800 мин^-1 и загруженной смесью порошков оксидов урана и плутония массой 2,5-3,0 кг и мелющих тел в форме шаров из стали диаметром 20 мм и общей массой 38 кг. Время обработки смеси порошков оксидов урана и плутония в шаровой вибромельнице составляет 30-60 минут. Полезная модель позволяет получать порошки оксидов урана и плутония, обладающие достаточной текучестью. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к ядерной технике, в частности, к технологическому оборудованию для изготовления смешанного уран-плутониевого топлива реакторов на быстрых или тепловых нейтронах.

Переход к двухкомпонентной структуре ядерной энергетики на базе тепловых и быстрых реакторов с замыканием ядерного топливного цикла (ЯТЦ) является ключевым направлением стратегии развития ядерной энергетики. В указанном сценарии технологической основой двухкомпонентной ядерно-энергетической системы в РФ являются действующие и создаваемые реакторы ВВЭР и промышленно освоенные реакторы на быстрых нейтронах. Стратегическим научно-техническим направлением реализации замкнутого ЯТЦ является переработка отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) с возможностью рециклирования урана и плутония в виде фабрикации уран-плутониевого топлива для тепловых и быстрых реакторов, что является дополнительным направлением развития экономически и экологически оправданных ядерных технологий переработки ОЯТ.

Технология изготовления уран-плутониевого топлива, содержащего значительные количества высокотоксичного ядерно-опасного плутония (в особенности энергетического «высокофонового» плутония), должна предусматривать минимизацию ручных операций с исключением прямого контакта персонала с плутоний содержащими материалами путем обеспечения дистанционного обслуживания и управления технологическим оборудованием, простоты ремонта за счет оптимальной компоновки с возможностью модульной замены вышедших из строя узлов изношенного оборудования, загрязненного ядерным материалом.

Среди известных способов подготовки порошков урана и плутония, пригодных для изготовления таблеток уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов, таких как механическое смешение исходных порошков урана и плутония, химическое соосаждение урана и плутония, получение уран-плутониевых порошков прямой денитрацией растворов нитратов урана и плутония, базовым вариантом изготовления уран-плутониевого топлива в ближнесрочной перспективе представляется способ механического смешения раздельно полученных диоксидов урана и плутония.

При использовании способа механического смешения важной частью процесса является тонкий размол (микронизация) смеси (ди)оксидов урана и плутония, что важно для получения однородной смеси и уплотнения порошка до необходимой степени и качества. Смешение порошков производят в высокоэнергетическом оборудовании с образованием гомогенной структуры изготавливаемых топливных таблеток для обеспечения их соответствия требованиям конструкторской документации в части физико-химических свойств и параметров микроструктуры.

К способу механического смешения предъявляются жесткие требования по обеспечению точности поддержания требуемого состава (в частности, массовой доли плутония в сумме изотопов урана и плутония). Поэтому не допускается «накопления» ядерных материалов в оборудовании, в том числе, при переходе от одного состава к другому необходимо тщательно удалять из оборудования остатки ядерных материалов от предыдущих партий и операций.

Еще одним важным требованием, предъявляемым к уран-плутониевым топливным композициям, является равномерность распределения урана и плутония (в смеси). Требования по гомогенности или равномерности распределения плутония в топливной композиции обусловлены соображениями безопасной эксплуатации топлива в реакторе. Высокая степень гомогенности распределения плутония в топливе положительно влияет на большинство факторов, связанных с эксплуатацией топлива в реакторе. Чем выше степень гомогенности топлива, тем меньше локальных областей повышенного энерговыделения, ниже температурные напряжения топлива, более равномерная и однородная по времени и объему интенсивность выхода продуктов деления, благодаря чему достигается высокое выгорание топлива и безаварийная работа тепловыделяющих элементов. Поскольку максимальное удельное энерговыделение ограничено предельными характеристиками материалов, то снижение неравномерности энерговыделения дает возможность повысить среднюю тепловую нагрузку на делящийся материал и, следовательно, увеличить мощность активной зоны, глубину и равномерность выгорания топлива, что приводит к улучшению экономических показателей реакторной установки. Однородность энерговыделения обеспечивает равномерность теплового потока и, следовательно, снижение напряжений в оболочке твэла, что положительно сказывается на работоспособности и безопасности конструкции твэла.

Известен способ изготовления таблеток керамического ядерного топлива, устройство для его осуществления и контейнер [патент RU 2262756, G21C 3/62, опубл. 20.10.2005], включающий стадии подготовки пресс-порошка, его гранулирования, прессования и спекания полученных таблеток. Стадия подготовки пресс-порошка включает операции загрузки доз (отдельных порций) порошков исходных компонентов и инициирующего размол вещества в контейнере из немагнитного материала, герметизации контейнера, перемещения контейнера с порошками и ферромагнитными иглами в полость трубы из немагнитного материала, помещенной внутрь катушки индуктора, измельчения и смешивания порошков под воздействием ферромагнитных игл, движущихся в магнитном поле индуктора, извлечения контейнера из трубы, охлаждения контейнера, разгерметизации контейнера и выгрузки полученной порошковой смеси из контейнера в аппарат гранулирования.

Известна установка вихревого размола смешанного ядерного топлива [патент RU 2670979, G21C 21/00, опубл. 22.11.2018], опробованная в производстве таблеток смешанного уран-плутониевого ядерного топлива на ФГУП «Горно-химический комбинат», содержащая бокс загрузки контейнеров, боксы загрузки компонентов смешанного ядерного топлива, снабженные патрубками загрузочных устройств, механизм колебаний с автоматическим вихревым смесителем, бокс выгрузки, продольные и поперечные транспортеры, соединяющие боксы в замкнутую конвейерную линию и включающие в себя платформу, выполненную с возможностью зацепления и перемещения контейнера между примыкающими к транспортеру боксами, механизмы взвешивания контейнера, затвор и фильтр, соединенные с приточной и вытяжной вентиляцией соответственно. На платформе смонтирован механизм подъема контейнера, платформа установлена на рельсах, закрепленных на нижней платформе, нижняя платформа установлена на рельсах, закрепленных на корпусе транспортера, и соединена с кареткой привода линейного перемещения, на нижней платформе смонтирована канатная передача с бесконечным канатом, нижняя ветвь которого прикреплена к корпусу, а верхняя ветвь - к платформе, механизмы взвешивания смонтированы в поперечных транспортерах, а затвор и фильтр смонтированы в корпусе продольного транспортера, установленного после механизма колебаний, установка снабжена системой управления, обеспечивающей остановы платформ транспортеров при размещении контейнера в боксах загрузки - под патрубками загрузочных устройств, а в транспортерах - в местах монтажа затворов и фильтров и в местах установки механизмов взвешивания.

Известно устройство вихревого размола смешанного ядерного топлива [патент RU 2702621, G21C 21/00, опубл. 09.10.2019], также опробованное в производстве таблеток смешанного уран-плутониевого ядерного топлива на ФГУП «Горно-химический комбинат», включающее аппарат вихревого слоя АВС-150 с индуктором и механизм колебаний с корпусом, состыкованным с продольными транспортерами, к дну которого прикреплен стакан, размещенный в индукторе, контейнер с титановым стаканом с размещенными в стакане роликами и сепаратором, привод перемещения контейнера. Индуктор и размещенный в нем стакан механизма колебаний смонтированы под углом α к вертикальной оси механизма колебаний, в корпусе механизма колебаний установлена на валах в подшипниковых опорах стойка, причем вал одной из подшипниковых опор соединен с приводом, обеспечивающим поворот стойки на угол α, к стойке прикреплены направляющие, на которых установлена подвеска, привод перемещения которой прикреплен к стойке, а каретка привода - к подвеске, подвеска выполнена с возможностью установки и фиксации в ней контейнера при вертикальном положении стойки, а после поворота стойки на угол α -введения титанового стакана контейнера, зафиксированного в подвеске, в стакан механизма колебаний, размещенный в индукторе, а угол α определяется в зависимости от объема загружаемых в контейнер роликов и смеси порошков, исходя из условия отсутствия взаимодействия роликов в вихревом слое с сепаратором контейнера.

Основным недостатком вышеописанных способов и устройств для их реализации является значительная доля мелких фракций, получаемых смешением порошков в вихревых смесителях типа ABC (ферромагнитные иглы под воздействием переменного магнитного поля совершают сложные вращательные движения в рабочей зоне контейнера, измельчая порошок до сверхмелких фракций и перемешивая порошковые компоненты), что затрудняет, в дальнейшем, процесс получения топливных таблеток с требуемыми характеристиками и приводит к снижению выхода в годное готовой продукции в целом, в том числе, по причине «натирания» железа в ходе обработки. Проведение операции грануляции порошков оксидов урана и плутония (для обеспечения оптимальных характеристик прессуемости и спекаемости таблеток) после смешения с использованием вышеуказанных установок не предусмотрено, что требует наличия отдельной технологической операции грануляции и дополнительного оборудования, что приводит к увеличению производственного цикла. Кроме того, увеличение производственного цикла получения уран-плутониевого топлива с использованием вышеуказанных установок также связано с необходимостью проведения обязательных циклов охлаждения контейнеров с порошками после смешения в вихревых смесителях типа ABC вследствие высокого разогрева смеси порошков (и контейнера) в ходе обработки магнитными иглами. Существенным недостатком вышеуказанных установок на основе вихревых смесителей типа ABC является сложность механических частей узлов установок (систем транспортирования, позиционирования и разгрузки контейнеров), что в отдельных случаях приводит к отказам оборудования и, как следствие, необходимости выполнения ряда операций «вручную» (включая ремонтные работы) с увеличением дозовых нагрузок на персонал.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к предлагаемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является использование в способе изготовления таблеток уран-плутониевого топлива для твэлов реакторов на тепловых нейтронах операций механического перемешивания порошков оксидов урана и плутония в V-образном смесителе и размола смеси в течение 20 часов в шаровой или молотковой мельнице с последующими операциями гранулирования полученной смеси, прессования и спекания таблеток [Решетников Ф.Г., Бибилашвили Ю.К., Головнин И.С. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. В 2 кн. Кн. 1. - М.: Энергоатомиздат, 1995, с. 110]. Недостатками процесса и его аппаратурного оформления является низкая производительность, сложность обеспечения ядерной безопасности технологических процессов по причине использования указанного типа смесителя (для предварительного смешивания) и конструкции шаровой мельницы, предположительно, планетарного типа (учитывая время обработки смеси порошков урана и плутония). Использование указанного оборудования предполагает невысокую эффективность измельчения и перемешивания порошков, что не позволяет обеспечивать требуемую гомогенность смешанного уран-плутониевого топлива. Длительность операции измельчения и смешивания порошков приводит к значительному износу мелющих тел и стенок смесителя и загрязнению смеси порошков урана и плутония примесями. В рассмотренной схеме предусмотрено проведение отдельной технологической операции грануляции порошков оксидов урана и плутония после смешения с использованием вышеуказанных смесителей, что предполагает наличие в составе установки для подготовки смеси порошков к прессованию уран-плутониевых таблеток дополнительных единиц оборудования, в данном случае, предназначенных для предварительного прессования брикетов («шашек») и их размола, что приведет к увеличению длительности производственного цикла изготовления уран-плутониевого топлива.

Технический результат полезной модели заключается в получении порошков оксидов урана и плутония, обладающих достаточной текучестью. Как следствие, использование предлагаемой установки для обработки порошков в процессе изготовления уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов позволяет исключить стадии предварительного прессования брикетов или «шашек» и их последующего размола в качестве отдельных операций гранулирования.

Целевые характеристики смеси порошков урана и плутония достигаются за счет подбора технологического режима работы установки: времени обработки порошков в шаровой вибромельнице, массы загрузки рабочей камеры мелющими телами (шарами), размера и материала мелющих тел (шаров), массы обрабатываемой смеси, скорости вращения вала вибровозбудителя, параметров вертикальных и горизонтальных вибрационных характеристик (вибросмещения, виброускорения).

Для достижения заявленного технического результата установка технологической подготовки порошков для изготовления уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов содержит шаровую мельницу для обработки порошков, представляющую собой дистанционно обслуживаемую шаровую вибромельницу ядерно-безопасного исполнения с рабочей камерой в форме тора, предусматривающую проведение одновременного измельчения, смешивания, гранулирования порошков оксидов урана и плутония за счет колебательных движений рабочей камеры вибромельницы, с виброускорениями порядка 5-6 G горизонтальным и порядка 12-18 G вертикальными, при скорости вращения вала вибровозбудителя 1800 мин^-1 и загруженной смесью порошков оксидов урана и плутония массой 2,5-3,0 кг и мелющих тел в форме шаров из стали диаметром 20 мм и общей массой 38 кг, время обработки смеси порошков оксидов урана и плутония в шаровой вибромельнице составляет 30-60 минут.

В ходе обработки в шаровой вибромельнице равномерное распределение компонентов смеси, движущихся в рабочей камере по спиралеобразной траектории, обеспечивается за счет более интенсивного измельчения и перемешивания вследствие большого количества соударений мелющих тел при их колебаниях, в частном случае, с виброускорениями порядка 5-6 G (горизонтальным) и порядка 12-18 G (вертикальными). При работе вибрационной мельницы воздействие мелющих тел (в форме шаров) на порошок производится не только за счет истирания конгломератов порошка (подбора горизонтальных параметров вибрации), но и за счет взаимных соударений шаров и внутренних элементов камеры (подбора вертикальных параметров вибрации), вследствие чего производится уплотнение (грануляция) порошка, повышается текучесть и формуемость пресс-порошка. Более высокая чистота обрабатываемого материала достигается за счет пониженного износа мелющих тел и стенок смесителя и подбора материала мелющих тел. При достаточно высоких вибрационных воздействиях на обрабатываемый материал достигаются пониженный износ мелющих тел и стенок смесителя за счет подбора материала мелющих тел и смесителя.

Сущность полезной модели поясняется чертежом общего вида, представленным на фиг. 1, на котором изображены соединенные между собой сборочными операциями и находящиеся в функционально-конструктивном единстве следующие части установки:

1 - шаровая вибромельница ядерно-безопасного исполнения;

2 - станина шаровой вибромельницы;

3 - устройство загрузки порошков оксидов урана и плутония в шаровую вибромельницу, оснащенное вибропобудителем;

4 - клапан загрузки;

5 - клапан выгрузки.

Работа установки технологической подготовки порошков для изготовления уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов осуществляется следующим образом.

Подготовленная смесь порошков оксидов урана и плутония (в заданном соотношении) поступает через устройство загрузки (3), оснащенное вибропобудителем, способствующим быстрейшей загрузке смеси порошков через клапан загрузки (4) при его открытии (с исключением зависания порошка в течке) в размещенную на станине (2) дистанционно обслуживаемую шаровую вибромельницу ядерно-безопасного исполнения (1), состоящую из заполненной мелющими телами (шарами) рабочей камеры в форме тора, вибровозбудителя (с расположенными на концах вала вибровозбудителя дебалансов), упругих опор (пружин), муфты и подшипникового блока с электродвигателем. В шаровой вибромельнице (1) осуществляется одновременное измельчение, смешивание и гранулирование загруженной смеси порошков оксидов урана и плутония за счет колебательных движений рабочей камеры. По окончании обработки производится выгрузка порошка (гранулята) из вибромельницы при полностью открытом клапане (5) и работающем приводе электродвигателя. Порошок после технологической подготовки с использованием заявленной установки направляют для объединения (укрупнения) партий и далее передают на последующие операции изготовления таблеток уран-плутониевого топлива известными способами: подготовку пресс-порошка путем смешения с пластификатором (сухой смазкой, сухим связующим), прессования, спекания таблеток и, при необходимости, их шлифования.

Предложенная установка технологической подготовки порошков может быть применена в производстве таблеток смешанного уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов на быстрых (МОКС-, СНУП-топливо) и тепловых нейтронах (РЕМИКС-, МОКС-топливо). Исполнение установки позволяет размещать ее в радиационно-защитной камере или радиационно-защитном перчаточном боксе в условиях работы плутонием, обладающим высокой радиотоксичностью, с содержанием плутония в исходной смеси порошков оксидов урана и плутония до 30 мас.%, с обеспечением безопасности персонала при выполнении работ на установке.

Примеры изготовления таблетированного уран-плутониевого топлива с использованием предлагаемой установки.

Пример 1.

Подготовленная партия смеси порошков диоксида урана марки РАЗ (52000-34 ТУ, АО «МСЗ») и диоксида плутония (2Б.12865 ТУ, ФГУП «ГХК») с расчетной массовой долей плутония в смеси изотопов урана и плутония 1,5% после предварительного смешения (усреднения) в турбулентном смесителе типа «Турбула» передавалась для технологической подготовки с использованием предложенной установки. Исходная смесь порошков через устройство загрузки, оснащенное вибропобудителем, через клапан загрузки поступала в размещенную на станине шаровую вибромельницу МВ-0,01, заполненную шарами из стали марки 95X18 диаметром 20 мм и общей массой 38 кг. Обработка навесок смеси порошков массой 2,5-3,0 кг в шаровой вибромельнице МВ-0,01 осуществлялась в течение 55 мин при скорости вращения вала вибровозбудителя 1800 мин^-1, горизонтальном виброускорении 5,0-5,5 G и вертикальном виброускорении до 12,5-13,0 G.

Операции включения шаровой вибромельницы в работу, управления клапанами загрузки и выгрузки, запуска цикла обработки порошков в шаровой вибромельнице с установлением времени обработки порошков осуществляли прямой дистанционной подачей управляющего воздействия с панели автоматизированного рабочего места (АРМ), входящей в состав локальной системы управления (ЛСУ).

Полученный гранулят через клапан выгрузки выгружали из установки и передавали на последующие операции изготовления таблеток, которые включали: просев гранулята через сито 100 мкм, приготовление пресс-порошка в биконусном контейнере путем смешивания укрупненных партий гранулята массой 18-20 кг с сухой смазкой (стеаратом цинка) в количестве 0,2 мас.% от массы гранулята; прессование таблеток на роторном прессе Courtoy R57; спекание пяти партий таблеток (№№1-5, см. таблицу 1) в садочной печи с выдержкой в течение 4 часов при температуре 1800°С в восстановительной среде (аргоно-водородная смесь с содержанием водорода 7-8%); шлифование спеченных таблеток на автомате специальном круглошлифовальном бесцентровом ВШ-826М.

Характеристики порошков исходного сырья, усредненных смесей и гранулята, полученных с помощью заявляемой установки, а также полученных уран-плутониевых таблеток приведены в таблице 1.

По результатам измерения параметров микроструктуры полученных таблеток уран-плутониевого топлива средние значения по партиям (№№1-5) составили: средний эффективный диаметр зерна 18,5-19,7 мкм, максимальный диаметр Фере отдельных пор на поле шлифа 96,3-99,1 мкм, количественная доля пор от 1 до 10 мкм 99-100%.

Средние значения по партиям (№№1-5) на основе результатов анализа доспекаемости (термической стабильности по диаметру) таблеток после шлифования составили для группового показателя 0,17-0,18%.

Полученные данные свидетельствуют о возможности получения с использованием предлагаемой установки качественных топливных таблеток, соответствующих по своим характеристикам, установленным современным требованиям технической документации (чертежа и технических условий), с обеспечением экономической эффективности процесса фабрикации при массовом производстве таблетированного уран-плутониевого топлива для АЭС на тепловых нейтронах с ректорами типа ВВЭР.

Пример 2.

Подготовленная партия смеси порошков диоксида урана марки У1П (52 000-28 ТУ, АО «МСЗ») и диоксида плутония марки «Б» (2Б.11993 ТУ, ФГУП «ГХК») с расчетной массовой долей плутония в смеси изотопов урана и плутония 15% после предварительного смешения (усреднения) в механическом смесителе типа «пьяная бочка» передавалась для технологической подготовки порошков с использованием предложенной полезной модели. Исходная смесь порошков через устройство загрузки, оснащенное вибропобудителем, через клапан загрузки поступала в размещенную на станине шаровую вибромельницу МВ-0,01, заполненную шарами из стали марки 95X18 диаметром 20 мм и общей массой 38 кг. Обработка навесок смеси порошков массой 2,5 кг при времени обработки 50 мин и скорости вращения вала вибровозбудителя 1800 мин^-1, горизонтальном виброускорении 6 G и вертикальном виброускорении до 13 G.

Полученный гранулят через клапан выгрузки выгружали из установки и передавали на последующие операции изготовления таблеток, которые включали: просев гранулята через сито 200 мкм, приготовление пресс-порошка в биконусном контейнере путем смешивания укрупненных партий гранулята массой 19-20 кг с сухой смазкой (стеаратом цинка) в количестве до 0,4 мас.% от массы гранулята; прессование таблеток на роторном прессе Courtoy R57; спекание пяти партий таблеток (№№6-10, см. таблицу 1) в садочной печи с выдержкой 6 часов при 1750°С в восстановительной среде (аргоно-водородная смесь с содержанием водорода 7-8%).

Характеристики порошков исходного сырья, усредненных смесей и гранулята, полученных с помощью заявляемой установки, а также полученных уран-плутониевых таблеток приведены в таблице 2.

По результатам измерения параметров микроструктуры полученных таблеток уран-плутониевого топлива значения среднего условного размера зерна составили 6-7 мкм (средние значения по партиям №№6-10). Максимальные линейные размеры участков с повышенным содержанием плутония (от номинального значения в два раза) составили менее 40 мкм (для всех проб от партий №№6-10).

Полученные данные свидетельствуют о возможности получения с использованием предлагаемой установки качественных топливных таблеток, соответствующих по своим характеристикам, установленным современным требованиям технической документации (чертежа и технических условий), с обеспечением экономической эффективности процесса фабрикации при массовом производстве таблетированного уран-плутониевого топлива для АЭС на быстрых нейтронах с ректорами типа БН.

Claims (1)

1. Установка технологической подготовки порошков для изготовления уран-плутониевого топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, содержащая шаровую мельницу для обработки порошков, отличающаяся тем, что шаровая мельница представляет собой дистанционно обслуживаемую шаровую вибромельницу ядерно-безопасного исполнения с рабочей камерой в форме тора, предусматривающую проведение одновременного измельчения, смешивания, гранулирования порошков оксидов урана и плутония за счет колебательных движений рабочей камеры вибромельницы, с виброускорениями порядка 5-6 G горизонтальным и порядка 12-18 G вертикальными, при скорости вращения вала вибровозбудителя 1800 мин^-1 и загруженной смесью порошков оксидов урана и плутония массой 2,5-3,0 кг и мелющих тел в форме шаров из стали диаметром 20 мм и общей массой 38 кг, время обработки смеси порошков оксидов урана и плутония в шаровой вибромельнице составляет 30-60 минут.