RU2360307C2 - Method of fuel pellet production for nuclear fuel elements - Google Patents

Method of fuel pellet production for nuclear fuel elements Download PDF

Info

Publication number
RU2360307C2
RU2360307C2 RU2007127407/06A RU2007127407A RU2360307C2 RU 2360307 C2 RU2360307 C2 RU 2360307C2 RU 2007127407/06 A RU2007127407/06 A RU 2007127407/06A RU 2007127407 A RU2007127407 A RU 2007127407A RU 2360307 C2 RU2360307 C2 RU 2360307C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
uranium
tablets
carried out
particle size
Prior art date
Application number
RU2007127407/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007127407A (en
Inventor
Игорь Иванович Локтев (RU)
Игорь Иванович Локтев
Михаил Григорьевич Зарубин (RU)
Михаил Григорьевич Зарубин
Александр Владимирович Кулешов (RU)
Александр Владимирович Кулешов
Александр Владимирович Струков (RU)
Александр Владимирович Струков
Юрий Валерьевич Гончаров (RU)
Юрий Валерьевич Гончаров
Александр Леонидович Хлытин (RU)
Александр Леонидович Хлытин
Константин Юрьевич Вергазов (RU)
Константин Юрьевич Вергазов
Ринат Зуфарович Рахматуллин (RU)
Ринат Зуфарович Рахматуллин
Евгений Александрович Филиппов (RU)
Евгений Александрович Филиппов
Севастьян Сергеевич Поздняков (RU)
Севастьян Сергеевич Поздняков
Вячеслав Владимирович Гохвайс (RU)
Вячеслав Владимирович Гохвайс
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов" filed Critical Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов"
Priority to RU2007127407/06A priority Critical patent/RU2360307C2/en
Publication of RU2007127407A publication Critical patent/RU2007127407A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2360307C2 publication Critical patent/RU2360307C2/en

Links

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry; power engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to nuclear industry, particularly to production of fuel pellets from uranium dioxide (VO2), produced by ADU method for nuclear fuel elements. Essence of the invention in the following: ammonium polyuranate (ADU-process) is precipitated in a stage, before mixing powder of uranium dioxide is put through screen, mesh of which is not more than 630 micron with simultaneous reducing and sifting through the same oversize screen, mixing is carried out together with dry organic binding agent 1,2-distearylethylenediamine - DISED of formula C38H76O2N2 and powder of uranium oxide concentrate having total specific surface area not more than 1.2 m2/g and particle size 40 micron, pressing is carried out in compact density equalled 5.4-5.6 g/cm3. Ammonium polyuranate is precipitated with ammonium diuranate solution, the concentration of which is 50-80 g/l, pH=6.4-7.0, feed speed - 200-400 l/h, powder of uranium oxide concentrate is derived by oxidising sintered pellets preliminary reduced so that the particle size is not more than 5 mm in furnace during 3-4 hours at 360-380C and air consumption equalled 100 l/h per 1 kg of uranium dioxide. ^ EFFECT: precipitation of powder on the condition providing stable properties of powder, decrease of particle size, content increase of back uranium oxide concentrate admixture, increase of compacting pressure with reducing negative consequences for each applied procedure. ^ 2 cl, 2 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к атомной промышленности, в частности к изготовлению таблетированного топлива из диоксида урана (UO2), изготовленного ADU способом, для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.The invention relates to the nuclear industry, in particular to the manufacture of pelletized fuel from uranium dioxide (UO 2 ) manufactured by the ADU method for fuel elements of nuclear reactors.

Известны способы изготовления таблетированного ядерного топлива прямым прессованием диоксида урана с сухой связкой, например, по патентам РФ №2158971 от 1999.04.21, №2210821, МКИ G21C 21/00, 20.08.03, №2210122, МКИ G21C 21/10, 10.08.03, в которых порошок после его получения и до процесса прессования таблеток не подвергается никаким обработкам, кроме смешения со связкой и добавками оборотных окислов урана. Эта схема получила название прямого сухого прессования.Known methods for the manufacture of pelletized nuclear fuel by direct compression of uranium dioxide with a dry binder, for example, according to RF patents No. 2158971 dated 1999.04.21, No. 2210821, MKI G21C 21/00, 08.20.03, No. 2110122, MKI G21C 21/10, 10.08. 03, in which the powder after its receipt and before the process of pressing the tablets is not subjected to any processing except mixing with a binder and additives of reverse uranium oxides. This scheme is called direct dry pressing.

Полученные спеченные таблетки приходится подвергать механической обработке, шлифованию, чтобы получить более высокий класс точности изготовления по диаметру, чем это можно сделать методами порошковой металлургии. Эта операция вызывает появление недопустимых сколов на поверхности некоторых таблеток. Сколы образуются как в процессе шлифования, так и после него при небольших механических воздействиях из-за развития образовавшихся микротрещин.The obtained sintered tablets have to be subjected to mechanical processing and grinding in order to obtain a higher class of manufacturing accuracy in diameter than can be done by powder metallurgy methods. This operation causes the appearance of unacceptable chips on the surface of some tablets. Chips are formed both during grinding and after small mechanical impacts due to the development of microcracks.

Как показывает опыт изготовления таблеток, литературные данные о свойствах керамики (см. Оберт Л. Хрупкое разрушение горных пород. Разрушение. Том 7. М. «Мир». 1976, отчет ОАО «НЗХК» №39-42-01/730 от 14.09.05), вероятность образования трещин и сколов под действием механических нагрузок пропорциональна количеству элементов структурной неоднородности внутри керамических изделий - поры неправильной формы, скопления мелких пор, образования из крупных зерен. На вид, форму, количество этих образований влияют свойства исходного порошка диоксида урана и его частиц, вид связки, наличие модифицирующих добавок, однородность шихты, условия прессования. Вероятность образования неоднородностей, ослабляющих прочность таблеток, особенно велика при использовании сухого прессования.As experience in the manufacture of tablets shows, literature data on the properties of ceramics (see Obert L. Fragile Rock Destruction. Destruction. Volume 7. M. Mir. 1976, report of OAO NZHK No. 39-42-01 / 730 dated September 14 .05), the probability of formation of cracks and chips under the action of mechanical loads is proportional to the number of structural heterogeneity elements inside ceramic products - pores of irregular shape, accumulation of small pores, and the formation of large grains. The type, form, and amount of these formations are affected by the properties of the initial powder of uranium dioxide and its particles, the type of binder, the presence of modifying additives, the uniformity of the charge, and the pressing conditions. The likelihood of formation of inhomogeneities that weaken the strength of the tablets is especially high when using dry pressing.

Таким образом, на уровень брака влияют особенности выполнения всех операций в цикле «получение порошка - подготовка порошка к прессованию - прессование и спекание таблеток».Thus, the characteristics of all operations in the cycle “obtaining powder - preparing powder for pressing - pressing and sintering of tablets” affect the level of marriage.

Порошки, изготовленные методом ADU, имеют исходную высокую внутреннюю неоднородность - частицы порошка различаются по морфологии, размеру, плотности и прочности. Однако это играет положительную роль в обеспечении технологических свойств диоксида - текучесть, прессуемость, спекаемость. Каждая группа частиц с внутренне однородными свойствами, но различными между долями обеспечивает одно необходимое качество, почти не нарушая другое. Например, более прочные частицы позволяют передавать давление прессования от пуансона внутрь прессовки, а мягкие, деформируясь, заполняют пространство между ними. Крупные агломераты придают порошку текучесть, мелкие снижают пористость прессовки. Плотные частицы повышают насыпной вес порошка, рыхлые повышают спекаемость. Не существует идеального порошка с максимальными значениями всех технологических свойств, можно говорить только об их оптимальных их соотношениях, когда, например, можно порошок далее сразу направлять на прессование без доработок.Powders made by the ADU method have an initial high internal heterogeneity - the powder particles vary in morphology, size, density and strength. However, this plays a positive role in ensuring the technological properties of the dioxide — fluidity, compressibility, and sintering. Each group of particles with internally homogeneous properties, but different between lobes, provides one necessary quality, almost without violating the other. For example, more durable particles allow the pressure of the pressing to be transferred from the punch to the inside of the pressing, while soft particles, deformed, fill the space between them. Large agglomerates give the powder fluidity, while small ones reduce the porosity of the compact. Dense particles increase the bulk density of the powder, loose increase sintering. There is no ideal powder with the maximum values of all technological properties, we can only talk about their optimal ratios, when, for example, you can immediately direct the powder to pressing without any modifications.

Однако для повышения качества таблеток бывает нужно, например, повысить спекаемость порошка, а текучесть, насыпной вес, которые при этом обычно понижены, обеспечивать дополнительными средствами. Поэтому для одновременного достижения таких противоречивых целей, как высокое качество таблеток и низкая стоимость изготовления, следует искать оптимум на всем цикле изготовления порошков и таблеток. Известен способ получения порошка диоксида урана по технологии ADU в две стадии (см. Технологическая инструкция ОАО «НЗХК» №25000.00779), по которому осаждение производится в каскаде из реакторов: в первом из них поддерживается более низкое значение рН, в последнем - более высокое. На второй стадии осаждения полиураната изменяется структура и химический состав осадка, образуемого на первой стадии. В условиях более высоких значений рН на второй стадии существует пониженная растворимость соли и повышенное пересыщение раствора относительно первой стадии. Поэтому на второй стадии осаждения формируются кристаллиты меньшего размера. Кристаллиты малого размера образуют рыхлые агломераты или оседают в виде «шубы» на частицах соли, полученных на первой стадии. Одновременно с этим кристаллиты, образованные на первой и второй стадиях, могут перерастворяться вследствие обладания избыточной энергией. Этот эффект способствует снижению общего пресыщения раствора. Наблюдается сочетание двух противоположных эффектов. Полученный таким образом порошок состоит из частиц с различными свойствами. Их соотношение в готовом продукте, а значит и его технологические свойства, определяются режимами осаждения на первой и второй стадии - рН, температура, скорость подачи раствора. Режимы получения порошка и его средние свойства приведены в таблице 1 и 2:However, to improve the quality of tablets, it may be necessary, for example, to increase the sintering ability of the powder, and to provide fluidity and bulk density, which are usually reduced in this case, to provide additional means. Therefore, in order to simultaneously achieve such conflicting goals as high quality tablets and low manufacturing costs, you should look for the optimum throughout the entire production cycle of powders and tablets. There is a known method for producing uranium dioxide powder using ADU technology in two stages (see Technological Instruction of OAO NZKhK No. 25000.00779), in which deposition is carried out in a cascade of reactors: in the first one, a lower pH value is maintained, in the last one a higher one. In the second stage of polyuranate precipitation, the structure and chemical composition of the precipitate formed in the first stage changes. Under conditions of higher pH values in the second stage, there is a reduced solubility of the salt and increased supersaturation of the solution relative to the first stage. Therefore, in the second stage of precipitation, crystallites of smaller size are formed. Small crystallites form loose agglomerates or settle in the form of a "coat" on salt particles obtained in the first stage. At the same time, crystallites formed in the first and second stages can be redissolved due to the possession of excess energy. This effect helps to reduce the overall saturation of the solution. There is a combination of two opposite effects. The powder thus obtained consists of particles with various properties. Their ratio in the finished product, and hence its technological properties, are determined by the deposition modes in the first and second stages - pH, temperature, solution feed rate. Modes of obtaining powder and its average properties are shown in table 1 and 2:

Таблица 1Table 1 Режимы получения диоксида уранаUranium Dioxide Production Modes ПараметрParameter рНpH Концентрация раствора, г/лThe concentration of the solution, g / l Скорость расхода реэкстракта, л/чReextract rate, l / h Двухстадийное Two-stage 1 стадия - 6,0-7,0 Stage 1 - 6.0-7.0 1 стадия - 55-65Stage 1 - 55-65 1 стадия - 350Stage 1 - 350 осаждениеprecipitation 2 стадия - 7,8-8,2Stage 2 - 7.8-8.2 2 стадия - <5Stage 2 - <5 2 стадия - 350Stage 2 - 350 Одностадийное осаждениеSingle stage precipitation 6,4-7,06.4-7.0 55-6555-65 230 л/час230 l / h

Таблица 2table 2 Параметры диоксида урана после получения и после измельчения фракции более 630 мкмParameters of uranium dioxide after receiving and after grinding fractions of more than 630 microns ПараметрParameter Насыпная плотность с утряской, г/см3 Bulk density with shaking, g / cm 3 Полная удельная поверхность, м2Full specific surface, m 2 / g Доля частиц порошка >630 мкм %The proportion of powder particles> 630 μm% Средний диаметр частиц, мкмThe average particle diameter, microns Двухстадийное осаждениеTwo-stage deposition До измельчения 2,9Before chopping 2.9 До измельчения 3,9Before chopping 3.9 До измельчения 48%Before grinding 48% До измельчения 580 (до 1250) Before grinding 580 (up to 1250) После измельчения 3,1After grinding 3.1 После измельчения 0After grinding 0 После измельчения 200 (до 630)After grinding 200 (up to 630) Одностадийное осаждениеSingle stage precipitation До измельчения 2,4Before chopping 2.4 До измельчения 4,1Before grinding 4.1 До измельчения 10Before chopping 10 До измельчения 300Before chopping 300 После измельчения 2,6After grinding 2.6 После измельчения 4,2After grinding 4.2 После измельчения 0After grinding 0 После измельчения 200After grinding 200

Однако при двухстадийном осаждении сделать это затруднительно из-за сложности поиска оптимума среди множества факторов и их неоднозначного влияния на конечный результат. Выдерживать найденные режимы стабильными сложно. Порошок имеет широкий фракционный состав от микрон до 1500 мкм, крупные частицы более 1250 мкм на кольцевом помольно-рассеивающем устройстве измельчаются. Для снижения размера частиц измельчением пришлось бы измельчать практически весь объем порошка. Его возврат в исходный порошок привел бы к нарушению свободной текучести партии. Таблетки, изготовленные из такого порошка с использованием сухой связки, стеарата цинка или ДИСЭДа, имеют несплошности матрицы в виде разрывов, каверн, треугольных пор между крупными частицами. Добавки оборотной закиси-окиси скапливается между частицами, образуя соединенную пористость. Чтобы таблетки имели открытую пористость не более 0,5%, приходится ограничивать ее содержание несколькими процентами. Брак по сколам спеченных таблеток, изготовленных из данного порошка, составляет 10-18%.However, with two-stage deposition, this is difficult to do because of the complexity of finding the optimum among many factors and their ambiguous influence on the final result. Maintaining the found modes stable is difficult. The powder has a wide fractional composition from microns to 1500 microns, large particles of more than 1250 microns are crushed on an annular grinding and scattering device. To reduce particle size by grinding, it would be necessary to grind almost the entire volume of powder. Its return to the original powder would lead to a violation of the free flow of the party. Tablets made from such a powder using a dry binder, zinc stearate or DISEDA have matrix discontinuities in the form of discontinuities, caverns, triangular pores between large particles. Reactive oxide-oxide additives accumulate between particles, forming joint porosity. In order for the tablets to have an open porosity of not more than 0.5%, it is necessary to limit its content to a few percent. Rejection by chips of sintered tablets made from this powder is 10-18%.

Известен также способ с измельчением двуокиси урана в шаровых молотковых мельницах (см. патент РФ №2165651 от 2000.02.18). Измельченный порошок не содержит крупных агломератов, которые создают в спеченных таблетках неоднородности в виде скопления пор, позволяет добавлять оборотную закись-окись до 10-20%, что благоприятно сказывается на структуру таблеток - однородность и сплошность. Но в таких случаях используют предварительное уплотнение порошка, грануляцию, скатывание, как, например, по патенту РФ №2001109717 от 2001.04.12 или по патенту США 4637900 от 20.01.87, что значительно удорожает процесс, приводит к дополнительным возвратным и безвозвратным потерям.There is also known a method with grinding uranium dioxide in ball mills (see RF patent No. 2165651 from 2000.02.18). The crushed powder does not contain large agglomerates, which create inhomogeneities in the form of pore clusters in sintered tablets, which makes it possible to add reverse nitrous oxide up to 10–20%, which favorably affects the tablet structure — uniformity and continuity. But in such cases, pre-compaction of the powder, granulation, rolling, such as, for example, according to RF patent No. 2001109717 of 2001.04.12 or US patent 4637900 of 01.20.87, which significantly increases the cost of the process, leads to additional return and irrecoverable losses, are used.

Поскольку применение измельчения порошка требуется при неблагоприятных колебаниях свойств порошка, известен способ селективной технологии, например, по заявке ОАО «НЗХК» на патент РФ №2005117546 с приоритетом от 07.06.05, в котором вначале осуществляют испытания и диагностику технологических свойств порошка, запускаемого на производство, а потом корректируют технологическую схему изготовления таблеток в зависимости от результатов испытаний. Этот способ позволяет повысить выход в годное, но ограничен по применению, не решает вопрос стабилизации производства, не всегда позволяет скорректировать свойства полученного порошка, требует набора оборудования, которое не всегда будет задействовано. Поэтому необходим способ, дающий максимальную стабильность свойств диоксида урана, даже если при этом не достигаются максимальные показатели технологичности.Since the use of powder grinding is required in case of adverse fluctuations in the properties of the powder, a method of selective technology is known, for example, according to the application of OAO NPKhK for RF patent No. 2005117546 with priority dated June 7, 2005, in which tests and diagnostics of the technological properties of the powder launched into production , and then adjust the technological scheme for the manufacture of tablets depending on the test results. This method allows to increase the yield, but is limited in application, does not solve the issue of stabilization of production, does not always allow you to adjust the properties of the obtained powder, requires a set of equipment that will not always be involved. Therefore, a method is needed that gives maximum stability of the properties of uranium dioxide, even if at the same time maximum processability is not achieved.

Известно (см. W.Timmermans, A. Van Heck-Hennen. J. of Nuc.Mat. 71 (1978), Sintered characterization of U02 powder), что повышение давления прессования снижает размер пустотных образований в прессованной таблетке, однако при этом повышается износ пресс-инструмента, повышается вероятность образования поперечных трещин и появление эффектов перепрессовки, которые увеличивают брак спеченных таблеток, снижают прямой выход в годное.It is known (see W. Timmermans, A. Van Heck-Hennen. J. of Nuc. Mat. 71 (1978), Sintered characterization of U02 powder) that an increase in compression pressure reduces the size of the voids in a compressed tablet, but increases wear of the press tool, the likelihood of the formation of transverse cracks and the appearance of re-pressing effects, which increase the rejection of sintered tablets, reduce direct yield.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ (см. патент РФ №2158030 - прототип), по которому в порошок диоксида урана, полученный двухстадийной схемой осаждения по ADU-процессу, с размером частиц не более 1250 мкм, добавляют оборотную закись-окись, полученную при сжигании брака таблеток при температуре 500-600°С и размером частиц до 100 мкм, и сухую связку - стеарат цинка. Далее порошок самотеком подают в пресс роторного типа, где прессуют таблетки до плотности 4,9-5,1 г/см3, которые потом в печи нагревают по температурному режиму, обеспечивающему термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде. Спеченные таблетки подвергают мокрому шлифованию алмазным кругом, сушат и отбраковывают те из них, которые имеют отклонения по внешнему виду в объеме 10-18% от партии. Недостатком данного способа является невозможность достижения высокого качества топливной таблетки из-за неоднородности прессования, а значит неоднородности ее спекания, и, как следствие, уязвимость в отношении сколов, пор и прочих дефектов, снижающих выход в годное.The closest in technical essence and the achieved effect is the method (see RF patent No. 2158030 - prototype), in which reverse oxide-oxide is added to the uranium dioxide powder obtained by the two-stage deposition scheme by the ADU process, with a particle size of not more than 1250 μm obtained by burning the marriage of tablets at a temperature of 500-600 ° C and a particle size of up to 100 microns, and a dry binder - zinc stearate. Next, the powder is fed by gravity to a rotary press, where tablets are pressed to a density of 4.9-5.1 g / cm 3 , which are then heated in a furnace at a temperature that provides thermal removal of the binder, sintering of the tablets in a gaseous reducing medium. Sintered tablets are subjected to wet grinding with a diamond wheel, dried and discarded those that have deviations in appearance in the amount of 10-18% of the batch. The disadvantage of this method is the inability to achieve high quality fuel pellets due to the heterogeneity of the pressing, and hence the heterogeneity of its sintering, and, as a result, vulnerability to chips, pores and other defects that reduce yield.

Технической задачей данного изобретения является разработка такой технологической схемы, в которой использован максимальный набор средств, повышающий технологические свойства порошка и качество спеченных таблеток, но в таком наборе и при таких «мягких» режимах, для которых не требуется коренная перестройка линии, усложнение и удорожание нового способа, то есть использование принципа «максимум выгоды при минимуме затрат», а именно осаждение порошка в режиме, дающем стабильные свойства порошка, снижение размера частиц, повышение содержания добавок оборотной закиси-окиси, повышение давление прессования с одновременным принятием мер для снижения отрицательных последствий каждой используемой операции.The technical task of this invention is the development of such a technological scheme in which the maximum set of tools is used that increases the technological properties of the powder and the quality of sintered tablets, but in such a set and in such "soft" modes, which do not require a radical restructuring of the line, complicating and increasing the cost of a new of the method, that is, the use of the principle of "maximum benefit at minimum cost", namely the deposition of the powder in a mode that gives stable properties of the powder, reducing particle size, increasing the content anija reverse additives mixed oxide, increased compaction pressure while taking measures to reduce the negative effects of each used operations.

Поставленная задача решается путем использования всех известных способов повышения прочности и однородности таблеток на всех этапах изготовления порошков и таблеток, но в той степени и форме, которая не требует повышенных затрат материалов, оборудования и времени. При этом за счет всех достигнутых, хотя и частично, эффектов получается не только суммарный результат, но и интегральный. Каждое использованное усовершенствование технологии компенсировало недостатки других усовершенствований, а именно в способе изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающем получение порошка диоксида урана по ADU-процессу, смешение его со связующим и с порошком закиси-окиси урана, полученной окислением спеченных таблеток, прессование, термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, шлифование таблеток алмазным кругом, согласно изобретению операцию осаждение полиураната аммония ADU-процесса проводят за одну стадию, предварительно перед операцией смешения порошок диоксида урана пропускают через сито с размером ячейки не более 630 мкм с одновременным измельчением и просеиванием через то же сито плюсовой фракции, операцию смешения проводят со связующим органической сухой связкой 1,2-дистеарилэтилендиамин - ДИСЭД с формулой С38Н76О2N2 и с порошком закиси-окиси урана, имеющим полную удельную поверхность не более 1,2 м2/г и размер частиц менее 40 мкм, операцию прессования проводят в плотность прессовок, равную 5,4-5,6 г/см3.The problem is solved by using all known methods for increasing the strength and uniformity of tablets at all stages of the manufacture of powders and tablets, but to the extent and form that does not require increased costs of materials, equipment and time. Moreover, due to all the effects achieved, albeit partially, not only the total result, but also the integral result is obtained. Each technological improvement used compensated for the shortcomings of other improvements, namely, in the method for producing pelletized fuel for fuel elements of a nuclear reactor, including the production of uranium dioxide powder by the ADU process, mixing it with a binder and uranium oxide powder obtained by oxidizing sintered tablets, pressing thermal binder removal, sintering of tablets in a gaseous reducing medium, grinding of tablets with a diamond wheel, according to the invention the precipitation operation of the ammonium polyuranate of the ADU process is carried out in one step, before the mixing operation, uranium dioxide powder is passed through a sieve with a mesh size of not more than 630 μm with simultaneous grinding and sifting of the plus fraction through the same sieve, the mixing operation is carried out with a binder organic dry binder 1 , 2-distearylethylenediamine - DISED with the formula C 38 N 76 O 2 N 2 and with uranium oxide oxide powder having a total specific surface of not more than 1.2 m 2 / g and a particle size of less than 40 microns, the pressing operation is carried out in the density of the compacts equal to 5.4-5.6 g / cm 3 .

Также поставленная задача решается тем, что в способе операцию осаждения полиураната аммония производят при концентрации раствора диураната аммония, равной 50-80 г/л, рН 6,4-7,0, скорости подачи 200-400 л/час, порошок закиси-окиси урана получают окислением в печи предварительно измельченных до размера частиц не более 5 мм спеченных таблеток в течение 3-4 часов при температуре печи 360-380°С и расходом воздуха 100 л/час на килограмм диоксида урана.The problem is also solved by the fact that in the method the precipitation operation of ammonium polyuranate is carried out at a concentration of ammonium diuranate solution equal to 50-80 g / l, pH 6.4-7.0, flow rates 200-400 l / h, nitrous oxide powder Uranium is obtained by oxidation in a furnace of pre-crushed to a particle size of not more than 5 mm sintered tablets for 3-4 hours at a furnace temperature of 360-380 ° C and an air flow rate of 100 l / h per kilogram of uranium dioxide.

Предлагаемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем, так как были использованы следующие меры повышения сплошности и однородности таблеток:The proposed solution is new and has an inventive step, since the following measures have been used to increase the continuity and uniformity of the tablets:

- снижен максимальный размер частиц получаемого диоксида урана;- reduced maximum particle size of the resulting uranium dioxide;

- увеличено содержание оборотной закиси-окиси;- increased content of working oxide-oxide;

- повышено давление прессования, которые реализованы следующим образом.- increased pressing pressure, which are implemented as follows.

Снижение размера частиц порошка достигалось двумя последовательными способами. Первый - изменение режима осаждения полиуранатов таким образом, чтобы агломераты диоксида урана получались меньших размеров. Это удалось сделать, используя режим одностадийного осаждения. Второй - снижение размера сита на установке отсева и измельчения получаемого порошка диоксида урана. Сито выбирали с наименьшим размером ячеек из тех, при использовании которых дробленая часть еще не нарушала текучести порошка. Указанные способы позволяют снизить средний размер частиц вдвое.The reduction in particle size of the powder was achieved in two successive ways. The first is a change in the deposition mode of polyuranates so that the agglomerates of uranium dioxide are smaller. This was done using the single-stage deposition mode. The second is the reduction in the size of the sieve at the screening and grinding plant of the resulting uranium dioxide powder. The sieve was selected with the smallest mesh size from those with which the crushed portion did not yet violate the fluidity of the powder. These methods can reduce the average particle size by half.

Однако он остается еще на высоком уровне - сотни микрон, тогда как желательно его иметь на уровне десятков микрон. Хотя эффект сегрегации частиц диоксида и добавляемой закиси-окиси урана ослаблен, он еще остается. Для повышения степени перемешивания оборотной закиси-окиси с двуокисью урана и вследствие этого увеличения ее содержания в шихте нужно получать ее как можно мельче окислением спеченных таблеток при минимально возможной, с практической точки зрения, температуре, при которой процесс окисления идет уже достаточно быстро, но упругие свойства матрицы диоксида еще низкие. Тогда напряжения разрушения из-за снижения плотности окисляющегося диоксида в спеченных таблетках возникают при небольших объемах окисления и размер образующихся фрагментов мал - микроны-десятки микрон. Степень однородности смеси может быть повышена при дополнительной обработке на молотковой мельнице, при которой происходит не столько измельчение крупных частиц, сколько внедрение мелкой закиси-окиси в поры оставшихся крупных агломератов.However, it remains at a high level - hundreds of microns, while it is desirable to have it at the level of tens of microns. Although the effect of segregation of dioxide particles and added uranium oxide is weakened, it still remains. To increase the degree of mixing of working oxide-oxide with uranium dioxide and, as a result, increasing its content in the charge, it is necessary to obtain it as finely as possible by oxidizing the sintered tablets at the lowest possible, from a practical point of view, temperature at which the oxidation process is already quite fast, but elastic the properties of the dioxide matrix are still low. Then, fracture stresses due to a decrease in the density of oxidizing dioxide in sintered tablets occur at small volumes of oxidation and the size of the resulting fragments is small - microns to tens of microns. The degree of homogeneity of the mixture can be increased by additional processing in a hammer mill, in which not so much grinding of large particles occurs, as the introduction of small nitrous oxide in the pores of the remaining large agglomerates.

Для снижения порообразующей способности закиси-окиси и уменьшения размеров большинства остаточных пор ниже диффузионной длины ионов при спекании следовало повысить плотность прессовок и давление их прессования, но таким образом, чтобы избежать явления перепрессовки - перепрессовочных трещин. Он определяется при проведении испытаний диоксида урана на спекаемость путем прессования таблеток при разных давлениях прессования. Определяют граничное значение давления прессования Ргр, при котором наблюдается отслоение торца. Рабочее давление определяют по формуле Р=0,8Ргр.To reduce the pore-forming ability of nitrous oxide and to reduce the size of most residual pores below the diffusion length of ions during sintering, it was necessary to increase the density of the compacts and the pressure of their pressing, but in such a way as to avoid the phenomenon of repressing - repressive cracks. It is determined during testing of uranium dioxide for sintering by pressing tablets at different pressing pressures. The limiting value of the pressing pressure P gr is determined at which the delamination of the end is observed. Working pressure is determined by the formula P = 0.8P gr .

Чтобы свести к минимуму механическое воздействие на таблетку, толщину удаляемого слоя при шлифовании, диаметр пресс-инструмента подбирают в соответствие с выбранным давлением прессования таким образом, чтобы минимальный диаметр таблеток после спекания соответствовал номинальному диаметру готовых таблеток.To minimize the mechanical effect on the tablet, the thickness of the layer to be removed during grinding, the diameter of the press tool is selected in accordance with the selected pressing pressure so that the minimum diameter of the tablets after sintering corresponds to the nominal diameter of the finished tablets.

Для исключения повышенного износа пресс-инструмента при увеличении давления прессования необходимо было подобрать сухую связку, более эффективно снижающую внутреннее трение при прессовании. Исследования показали (отчет о НИР ОАО «НЗХК» №39-42-01/290 от 21.04.03), что ДИСЭД - дистеарилэтилендиамин, органическое вещество с формулой С38Н76О2N2, в этом отношении более эффективен, чем стеарат цинка, используемый по прототипу. К тому же он не образует твердых осадков в печи спекания. Дополнительно пластифицирующее действие на шихту и прессованную таблетку оказывает мелкая закись-окись при содержании в шихте 5% и более.To exclude increased wear of the press tool with increasing pressing pressure, it was necessary to choose a dry binder that more effectively reduces internal friction during pressing. Studies have shown (report on the research work of JSC NZHK No. 39-42-01 / 290 of 04/21/03) that DIESED is distearylethylenediamine, an organic substance with the formula C 38 H 76 O 2 N 2 , in this respect more effective than stearate zinc used in the prototype. Moreover, it does not form solid deposits in the sintering furnace. In addition, the plasticizing effect on the mixture and the pressed tablet is exerted by small nitrous oxide when the content in the mixture is 5% or more.

Одностадийное осаждение, кроме снижения размеров частиц порошка, дополнительно дает экономию расходных материалов (аммиака), стабилизирует свойства диоксида урана, что позволяет дополнительно снижать допуски на шлифование, уменьшать объем контрольных операций.Single-stage deposition, in addition to reducing the particle size of the powder, additionally saves consumables (ammonia), stabilizes the properties of uranium dioxide, which further reduces grinding tolerances and reduces the volume of control operations.

Применение более тонкой оборотной закиси-окиси урана в увеличенном количестве (более 5%) придает пластичные свойства шихте и прессованным таблеткам, дополнительно повышая их однородность и снижая их скалываемость.The use of a thinner working oxide of uranium oxide in an increased amount (more than 5%) gives the plastic properties of the mixture and pressed tablets, further increasing their uniformity and reducing their chipping.

Повышение давления прессования также упрочняет прессованную таблетку, уменьшает потери продукта на прессовании, уменьшает усадку при спекании, что позволяет точнее регулировать припуск на шлифование. Для этого нужно подобрать соответствующим образом диаметр пресс-инструмента.Increasing the pressing pressure also strengthens the pressed tablet, reduces the loss of product on pressing, reduces shrinkage during sintering, which allows more precise control of the grinding allowance. To do this, select the diameter of the press tool accordingly.

Использование ДИСЭДа в качестве сухой связки и смазки, снижающей усилие прессованияThe use of DISEDA as a dry binder and lubricant that reduces the pressing force

Совокупный эффект от использования предлагаемого способа позволяет получить увеличение выхода таблеток в годное на 5-10%.The combined effect of using the proposed method allows to obtain an increase in tablet yield by 5-10%.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Пример 1. Осаждение полиуранатов аммония проводили по одностадийной схеме при температуре азотнокислого уранила 65°С и концентрации 57 г/л, рН 6,5, скорость подачи реэкстракта 250 л/час. Затем порошок полиураната прокаливали при температурах по зонам печи 615-650°С и восстанавливали в атмосфере водорода при температуре по зонам печи 615-670°С. Полученный порошок двуокиси урана был текучим, с полной удельной поверхностью 4,19 м2/г и насыпным весом 2,24 г/см3. Порошок содержал фракцию <71 мкм - 42%, фракцию >630 мкм - 8%.Example 1. The deposition of ammonium polyuranates was carried out according to a one-stage scheme at a temperature of uranyl nitrate of 65 ° C and a concentration of 57 g / l, pH 6.5, the feed rate of the reextract 250 l / h. Then the polyuranate powder was calcined at temperatures in the zones of the furnace 615-650 ° C and reduced in a hydrogen atmosphere at a temperature in the zones of the furnace 615-670 ° C. The resulting uranium dioxide powder was flowable, with a total specific surface area of 4.19 m 2 / g and a bulk density of 2.24 g / cm 3 . The powder contained a fraction <71 μm - 42%, a fraction> 630 μm - 8%.

После восстановления и стабилизации порошок диоксида урана пропускали через кольцевое помольно-рассеивающее устройство с установленным ситом 630 мкм и вся плюсовая фракция измельчалась и просеивалась сквозь это сито, возвращаясь в общий поток порошка. После помола порошок тек без задержек по технологическому тракту.After reduction and stabilization, the uranium dioxide powder was passed through an annular grinding and scattering device with a 630 micron sieve installed and the entire plus fraction was crushed and sieved through this sieve, returning to the general powder flow. After grinding, the powder flowed without delay along the technological path.

Была подготовлена оборотная закись-окись урана путем окисления предварительно измельченных до размера кусков менее 5 мм спеченных таблеток в печи неподвижным слоем засыпки толщиной 10-20 мм при температуре 360-380°С с подачей в печь воздуха с расходом не менее 100 л/час на каждый килограмм диоксида. Полученная закись-окись имела крупность зерна 1,6 мкм, полную удельную поверхность - 1,1 м2/г, содержание урана 84,8%. Частицы, все размером менее 100 мкм, имели развитую структуру, легко разрушались на более мелкие частицы, обеспечивая всему порошку закиси-окиси и смесям с диоксидом урана пластические свойства. Закись-окись урана добавляли в двуокись в количестве 8% и проводили смешение в биконусе со скоростью 2 об/мин в течение 40 мин. Затем добавляли 0,2-0,3% ДИСЭДа.Recycled uranium oxide was prepared by oxidizing pre-crushed to a size of pieces of less than 5 mm sintered tablets in an oven with a fixed layer of filling with a thickness of 10-20 mm at a temperature of 360-380 ° C with air supply to the furnace with a flow rate of at least 100 l / h for every kilogram of dioxide. The obtained nitrous oxide had a grain size of 1.6 μm, the total specific surface area was 1.1 m 2 / g, and the uranium content was 84.8%. Particles, all smaller than 100 microns in size, had a developed structure, were easily destroyed into smaller particles, providing plastic properties to the whole oxide-oxide powder and mixtures with uranium dioxide. Uranium oxide was added to the dioxide in an amount of 8% and mixed in bicone at a speed of 2 rpm for 40 minutes. Then, 0.2-0.3% of DISEDA was added.

Затем смесь самотеком подавали на роторный пресс, где производили прессование таблеток. Процесс прессования производили до плотности 5,4 г/см3 при давлении прессования 2 т/см и диаметре матрицы прессования 9,58 мм. Спекание производили в атмосфере водорода с выдержкой 4 часа при температуре 1740°С. Плотность спеченных таблеток составляла 10,62 г/см3, открытая пористость <0,3%. Спеченные таблетки шлифовали на бесцентровом шлифовальном станке со скоростью 80 таблеток в минуту. Выход в годное составил 92,1%.Then the mixture was gravity fed to the rotary press, where the tablets were pressed. The pressing process was carried out to a density of 5.4 g / cm 3 with a pressing pressure of 2 t / cm and a diameter of the pressing matrix of 9.58 mm. Sintering was carried out in a hydrogen atmosphere with a holding time of 4 hours at a temperature of 1740 ° C. The density of the sintered tablets was 10.62 g / cm 3 , open porosity <0.3%. Sintered tablets were ground on a centerless grinding machine at a speed of 80 tablets per minute. The yield was 92.1%.

Пример 2. Изготавливались таблетки по режимам, как в примере 1, со следующими отличиями.Example 2. Made tablets according to the modes, as in example 1, with the following differences.

После смешения порошков диоксида и закиси-окиси урана смесь измельчали на молотковой мельнице при скорости вращения молотка 3 об/мин. В результате интенсивного перемешивания окислов и частичного измельчения крупной фракции порошка удается повысить содержание оборотов до 15% без потери качества таблеток по плотности и открытой пористости. Выход в годное составил 94,3%.After mixing the powders of dioxide and uranium oxide, the mixture was ground in a hammer mill at a speed of rotation of the hammer 3 rpm As a result of intensive mixing of oxides and partial grinding of a large fraction of the powder, it is possible to increase the content of revolutions up to 15% without loss of tablet quality in terms of density and open porosity. The yield was 94.3%.

Claims (2)

1. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающий получение порошка диоксида урана по ADU-процессу, смешение его со связующим и с порошком закиси-окиси урана, полученной окислением спеченных таблеток, прессование, термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, шлифование таблеток алмазным кругом, отличающийся тем, что операцию осаждения полиураната аммония ADU-процесса проводят за одну стадию, предварительно перед операцией смешения порошок диоксида урана пропускают через сито с размером ячейки не более 630 мкм с одновременным измельчением и просеиванием через то же сито плюсовой фракции, операцию смешения проводят со связующим органической сухой связкой 1,2-дистеарилэтилендиамин - ДИСЭД с формулой C38H76O2N2 и с порошком закиси-окиси урана, имеющим полную удельную поверхность не более 1,2 м2/г и размер частиц менее 40 мкм, операцию прессования проводят в плотность прессовок, равную 5,4-5,6 г/см3.1. A method of manufacturing pelletized fuel for fuel elements of a nuclear reactor, including obtaining a powder of uranium dioxide by the ADU process, mixing it with a binder and powder of uranium oxide obtained by oxidation of sintered tablets, pressing, thermal removal of the binder, sintering of tablets in a gaseous reduction medium, grinding the tablets with a diamond wheel, characterized in that the deposition operation of ammonium polyuranate of the ADU process is carried out in one step, previously before the mixing operation roshok uranium dioxide is passed through a sieve with mesh size less than 630 microns with simultaneous grinding and screening using the same sieve fraction above zero, the mixing operation is carried out with a binder bonded organic dry 1,2-disteariletilendiamin - DISED with the formula C 38 H 76 O 2 N 2 and with a powder of uranium oxide-uranium having a total specific surface area of not more than 1.2 m 2 / g and a particle size of less than 40 μm, the pressing operation is carried out in a density of compacts equal to 5.4-5.6 g / cm 3 . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что операцию осаждения полиураната аммония производят при концентрации раствора диураната аммония, равной 50-80 г/л, pH 6,4-7,0, скорости подачи 200-400 л/ч, порошок закиси-окиси урана получают окислением в печи предварительно измельченных до размера частиц не более 5 мм спеченных таблеток в течение 3-4 ч при температуре печи 360-380°С и расходом воздуха 100 л/ч на килограмм диоксида урана. 2. The method according to claim 1, characterized in that the precipitation operation of ammonium polyuranate is carried out at a concentration of ammonium diuranate solution equal to 50-80 g / l, pH 6.4-7.0, a flow rate of 200-400 l / h, powder uranium oxide-oxide is obtained by oxidation in a furnace of pre-crushed to a particle size of not more than 5 mm sintered tablets for 3-4 hours at a furnace temperature of 360-380 ° C and an air flow rate of 100 l / h per kilogram of uranium dioxide.
RU2007127407/06A 2007-07-17 2007-07-17 Method of fuel pellet production for nuclear fuel elements RU2360307C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007127407/06A RU2360307C2 (en) 2007-07-17 2007-07-17 Method of fuel pellet production for nuclear fuel elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007127407/06A RU2360307C2 (en) 2007-07-17 2007-07-17 Method of fuel pellet production for nuclear fuel elements

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007127407A RU2007127407A (en) 2009-01-27
RU2360307C2 true RU2360307C2 (en) 2009-06-27

Family

ID=40543550

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007127407/06A RU2360307C2 (en) 2007-07-17 2007-07-17 Method of fuel pellet production for nuclear fuel elements

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2360307C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2587093C1 (en) * 2015-02-16 2016-06-10 Акционерное общество "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" Method of preparing granulated triuranium octoxide
CN109378097A (en) * 2018-08-22 2019-02-22 清华大学 A method of preparing simulation spentnuclear fuel

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2587093C1 (en) * 2015-02-16 2016-06-10 Акционерное общество "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" Method of preparing granulated triuranium octoxide
CN109378097A (en) * 2018-08-22 2019-02-22 清华大学 A method of preparing simulation spentnuclear fuel
CN109378097B (en) * 2018-08-22 2020-09-22 清华大学 Method for preparing simulated spent fuel

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007127407A (en) 2009-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100794071B1 (en) Method of producing nuclear fuel pellet
US3051566A (en) Process for producing high density refractory bodies
US4138360A (en) Fugitive binder for nuclear fuel materials
CA1188502A (en) Burnable neutron absorbers
EP1678724B1 (en) Method for the production of nuclear fuel pellets
RU2360307C2 (en) Method of fuel pellet production for nuclear fuel elements
US3995000A (en) Ceramic nuclear fuel pellets
CN110164574B (en) Preparation method of honeycomb fuel pellet
CN103241736A (en) High-self sharpening diamond micro-powder and preparation method thereof
CN105924169A (en) Preparation method for high-density UO2 pellet by using waste UO2 powder material as raw material
EP3951799B1 (en) Method for producing ceramic nuclear fuel with a burnable absorber
JPS58180985A (en) Nuclear fuel pellet and manufacture therefor
Horlait et al. U1-xAmxO2±δ MABB fabrication in the frame of the DIAMINO irradiation experiment
Balakrishna et al. Uranium dioxide powder preparation, pressing, and sintering for optimum yield
KR102547452B1 (en) Method of preparing a multimodal cubic boron nitride powder
JPS63200094A (en) Manufacture of pellet
KR20090019938A (en) Method for manufacturing isotropic u3o8 powder using uranium oxide scraps and manufacturing sintered uo2 using the u3o8
RU2569928C2 (en) Method of producing pelleted fuel for fuel elements
CN109727696B (en) MOX pellet recycling method
RU2253913C2 (en) Mode of receiving fuel pellets for heat-generating elements out of uranium dioxide
RU2338274C2 (en) Method of pelleted fuel manufacture for fuel elements of nuclear reactor
CN108276003A (en) A method of preparing boron carbide complex phase ceramic using sapphire grinding dead meal
CN114644916B (en) High-density high-strength fracturing propping agent and preparation method thereof
CN113053550A (en) UO in AP1000 Fuel Assembly2Method for preparing core block
KR100424331B1 (en) Property control technique of the mixed oxide fuel pellet by the addition method of M3O8 scrap powder and the sintering process