RU2502141C1 - Уран-гадолиниевое ядерное топливо и способ его получения - Google Patents
Уран-гадолиниевое ядерное топливо и способ его получения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2502141C1 RU2502141C1 RU2012148156/07A RU2012148156A RU2502141C1 RU 2502141 C1 RU2502141 C1 RU 2502141C1 RU 2012148156/07 A RU2012148156/07 A RU 2012148156/07A RU 2012148156 A RU2012148156 A RU 2012148156A RU 2502141 C1 RU2502141 C1 RU 2502141C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- uranium dioxide
- uranium
- gadolinium
- powder
- Prior art date
Links
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
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к атомной промышленности, в частности к изготовлению таблетированного топлива из диоксида урана для тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов включает приготовление легирующей композиции, содержащей 5…10% Al(ОН)3+30…40% Gd(OH)3, остальное UO2, смешение порошка диоксида урана с пластификатором и легирующей композиции в количествах, обеспечивающих в конечной смеси (пресс-порошке) содержание Al(ОН)3 и Gd(OH)3 соответственно от 0,5 до 2,0 мас.% и от 3,0 до 8,0 мас.%, прессование таблеток из полученного пресс-порошка и их спекание. Технический результат - получение таблетированного топлива с размером зерна диоксида урана 30-50 мкм и с долей открытых пор менее 0,3%. 2 н.п. ф-лы.
Description
Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для получения ядерного уран-гадолиниевого оксидного топлива, предназначенного для изготовления тепловыделяющих сборок атомных реакторов на тепловых нейтронах.
К ядерному топливу современных атомных реакторов предъявляют высокие требования, в частности по повышению эффективности топливоиспользования, что может быть достигнуто за счет увеличения глубины его выгорания при эксплуатации до 70-100 МВт·сут/кг U.
Повышение глубины выгорания топлива (более 60 МВт·сут/кг U) приводит к образованию специфической микроструктуры с образованием субзерен (уменьшается эффективный размер зерна) и образованием укрупненных газовых пузырьков по границам зерен (так называемая «rim»-структура), что приводит к повышенному выходу газообразных продуктов деления (ГПД), тем самым ухудшая работоспособность ТВЭЛов.
Возможным путем решения этой проблемы является использование топлива с повышенным размером зерна и оптимизированной структурой пористости.
Существующие требования для уран-гадолиниевого оксидного топлива предполагают средний размер зерна 10-20 мкм, объемную долю открытых пор (ОДОП) менее 1%, кислородный коэффициент (атомное отношение кислорода к урану) 2,000-2,01. Перспективные требования: средний размер зерна 35-45 мкм и более, ОДОП менее 0,5%, кислородный коэффициент 2,000-2,005. Увеличение размера зерна приведет к эффективному уменьшению выхода ГПД, а при правильно выбранных добавках и их количествах к корректировке пористости и кислородного коэффициента к снижению взаимодействия между таблеткой ядерного топлива и оболочкой, и в результате обеспечит надежную работу ТВЭЛа при повышенных выгораниях. Таким образом, увеличивая размер зерна таблеток, необходимо оптимизировать и пористость для обеспечения требуемых прочностных характеристик таблеток. Кроме того, введение легирующих добавок должно нивелировать отрицательное влияние оксида гадолиния (большая хрупкость и гигроскопичность, по сравнению с топливом из диоксида урана без оксида гадолиния). В последнее время ведутся работы по оптимизации состава и структуры материала.
Известна таблетка ядерного топлива (патент США 4869866), структура которой включает в себя кристаллические зерна на основе диоксида урана размером 30-80 мкм и аморфную стекловидную алюмосиликатную фазу, покрывающую большинство зерен диоксида урана, причем количество стекловидной фазы составляет от 0,1 до 0,8% масс, а содержание Al2O3 в ней от 10 до 20% масс, остальное SiO2. Атомное отношение кислорода к урану составляет от 1,7 до 2,25, а пористость от 2 до 10%.
Недостатком известной таблетки является наличие большого количества аморфной алюминосиликатной фазы по границам зерен UO2, что повышает суммарный борный эквивалент и, соответственно, увеличивает паразитное поглощение нейтронов в ядерном топливе. Кроме того, аморфная стекловидная фаза алюминосиликата из-за градиента температур в топливе при эксплуатации может перераспределяться по объему таблетки, что приводит к образованию пустот и трещин и повышению выхода ГПД под оболочку ТВЭЛа.
Известна таблетка ядерного топлива, содержащая диоксид урана с добавками оксида гадолиния или оксида эрбия и алюмосиликатов в стекловидном или кристаллическом состоянии (патент США 5257298). Количество алюмосиликатной фазы в таблетках составляет от 0,001 до 0,05% масс, при содержании SiO2 от 40 до 80% масс, остальное Al2O3. Оксид гадолиния или оксид эрбия в виде твердого раствора с диоксидом урана равномерно распределен по всему объему таблетки, причем содержание Gd2O3 составляет от 0,3 до 10,0% от массы диоксида урана, а содержание оксида эрбия, который также в виде твердого раствора с диоксидом урана равномерно распределен по всему объему таблетки, составляет от 0,3 до 0,8% от массы диоксида урана.
Недостатком данной таблетки является невысокая эксплуатационная надежность ТВЭЛов при работе тепловыделяющих сборок как в штатном, так и в переходных режимах работы. Это, в частности, связано с тем, что наличие алюмосиликатной добавки в топливе не позволяет уменьшить механическое взаимодействие топлива и оболочки ТВЭЛов
Этот способ является наиболее близким к предлагаемому в настоящей заявке способу.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение глубины выгорания ядерного топлива при его эксплуатации до 80-100 МВт·сут/кг U за счет введения в топливо добавок, повышающих размер зерна, корректирующих пористость и кислородный коэффициент, что позволит существенно повысить эффективность топливоиспользования современных АЭС.
Поставленная задача решается за счет легирования диоксида урана гидроксидом алюминия и гидроксидом гадолиния, равномерно распределенных по всему объему таблетки, без образования легкоплавкой эвтектики, причем по отношению к диоксиду урану содержание гидроксида алюминия составляет от 0,5 до 2,0% масс, а и гидроксида гадолиния - соответственно от 3,0 до 8,0% масс. Для обеспечения равномерности распределения легирующие добавки вводятся в диоксид урана в виде легирующей композиции UO2+(5…10)% Al(OH)3+(30…40)%Gd(OH)3, что обеспечивает примерно одинаковые объемные содержания указанных веществ в порошковой смеси.
Наноразмерные порошки гидроксидов алюминия и гадолиния получают методом химического осаждения (химического диспергирования) из предельно разбавленных хлоридных (азотнокислых) растворов. Полученные осадки промывают до полной отмывки ионов растворенной соли, сушат при комнатной температуре в течение 48 часов
В соответствии со способом полученные наноразмерные порошки направляют на операцию предварительного смешивания с порошком диоксида урана для получения легирующей композиции.
Далее готовят однородную смесь порошков диоксида урана, легирующей композиции с сухой смазкой в виде стеарата цинка, выполняющего дополнительно функцию связки, проводят прессование таблеток из пресс-порошка и их высокотемпературное спекание.
Как следует из изложенного выше, сущность изобретения заключается в том, что найдены комбинации легирующих композиций, определены концентрации входящих в них компонентов, введение которых в топливные таблетки позволяет существенно повысить размер зерна диоксида урана как за счет активации диффузионных процессов в материале таблетки при спекании, так и за счет повышенного массопереноса ураносодержащих компонентов по механизму "испарение-конденсация".
Техническим результатом заявляемого изобретения является:
- размер зерна диоксида урана: 30-50 мкм;
- доля открытых пор: менее 0,3%.
Пример 1.
Порошки порошки гидроксидов гадолиния и алюминия и диоксида урана взвешивают с точностью до 0,01 г и засыпаются в рабочую емкость смесителя в массовом соотношении UO2+5…10%Al(OH)3+30…40% Gd(OH)3, после чего проводят смешивание в течение 1-1,5 ч при скорости вращения рабочей емкости 30-70 об/мин.
Полученную легирующую композицию направляют на смешивание со стеаратом цинка и порообразователем, предварительно просеянным через сетку соответственно 0,63-0,8 мм и 0,04-0,063 мм. Смешивание проводят в двухконусном смесителе или смесителе типа "пьяная бочка" в течение 0,5-1,0 ч при скорости вращения 30-70 об/мин. Количества UO2 и легирующей композиции должно обеспечить содержание в пресс-порошке Al(OH)3 от 0,5 до 2,0% масс, a Gd(OH)3 - соответственно от 3,0 до 8,0% масс.Полученную смесь (пресс-порошок) рассевают на сетке 0,63-0,8 мм для удаления крупных агломератов.
Пресс-порошок прессуют при давлении 60-300 МПа на роторном или механическом автоматическом прессе.
Предварительное спекание таблеток проводят в атмосфере водорода при температуре 450-650°C.
Окончательное спекание таблеток осуществляют в печи с температурой зоны предварительного прогрева 400-900°C и температурой рабочей зоны 1700-1770°C.
Claims (2)
1. Состав исходной шихты для получения топливной таблетки на основе UO2, содержащей от 0,5 до 2,0 мас.% гидроксида алюминия и от 3 до 8 мас.% гидроксида гадолиния.
2. Способ получения топливной таблетки на основе диоксида урана, включающий приготовление легирующей композиции, содержащей гидроксид алюминия в количестве 5-10 мас.%, гидроксид гадолиния в количестве 30-40 мас.%, остальное UO2, смешивание легирующей композиции с твердой инертной смазкой и UO2, прессование смеси и спекание таблеток.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012148156/07A RU2502141C1 (ru) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Уран-гадолиниевое ядерное топливо и способ его получения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012148156/07A RU2502141C1 (ru) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Уран-гадолиниевое ядерное топливо и способ его получения |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2502141C1 true RU2502141C1 (ru) | 2013-12-20 |
Family
ID=49785257
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012148156/07A RU2502141C1 (ru) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Уран-гадолиниевое ядерное топливо и способ его получения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2502141C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2711006C1 (ru) * | 2019-06-07 | 2020-01-14 | Публичное акционерное общество "Машиностроительный завод" | Способ изготовления керамического ядерного топлива с выгорающим поглотителем |
EP3961652A4 (en) * | 2020-04-27 | 2023-11-08 | Joint-Stock Company "TVEL" | NUCLEAR FUEL PELLET |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005045848A2 (fr) * | 2003-10-29 | 2005-05-19 | Societe Franco-Belge De Fabrication De Combustibles - Fbfc | Procede de fabrication de pastilles de combustible nucleaire |
RU2362223C1 (ru) * | 2007-10-11 | 2009-07-20 | Открытое акционерное общество "Высокотехнический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Ядерное уран-гадолиниевое топливо высокого выгорания на основе диоксида урана и способ его получения (варианты) |
RU2428757C1 (ru) * | 2010-07-16 | 2011-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки Российской Федерации (Минобрнауки России) | Способ изготовления таблеток ядерного оксидного топлива |
KR20120040894A (ko) * | 2010-10-20 | 2012-04-30 | 한국원자력연구원 | 이종 첨가 원소의 결정립계 및 결정립계 주변의 고용 농도 조절 방법 및 이를 이용한 결정립이 큰 핵연료 소결체의 제조방법. |
-
2012
- 2012-11-13 RU RU2012148156/07A patent/RU2502141C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005045848A2 (fr) * | 2003-10-29 | 2005-05-19 | Societe Franco-Belge De Fabrication De Combustibles - Fbfc | Procede de fabrication de pastilles de combustible nucleaire |
RU2362223C1 (ru) * | 2007-10-11 | 2009-07-20 | Открытое акционерное общество "Высокотехнический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Ядерное уран-гадолиниевое топливо высокого выгорания на основе диоксида урана и способ его получения (варианты) |
RU2428757C1 (ru) * | 2010-07-16 | 2011-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство образования и науки Российской Федерации (Минобрнауки России) | Способ изготовления таблеток ядерного оксидного топлива |
KR20120040894A (ko) * | 2010-10-20 | 2012-04-30 | 한국원자력연구원 | 이종 첨가 원소의 결정립계 및 결정립계 주변의 고용 농도 조절 방법 및 이를 이용한 결정립이 큰 핵연료 소결체의 제조방법. |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2711006C1 (ru) * | 2019-06-07 | 2020-01-14 | Публичное акционерное общество "Машиностроительный завод" | Способ изготовления керамического ядерного топлива с выгорающим поглотителем |
EP3961652A4 (en) * | 2020-04-27 | 2023-11-08 | Joint-Stock Company "TVEL" | NUCLEAR FUEL PELLET |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2376665C2 (ru) | Таблетка ядерного топлива высокого выгорания и способ ее изготовления (варианты) | |
RU2735243C2 (ru) | Полностью керамическое микроинкапсулированное топливо, изготовленное с выгорающим поглотителем в качестве интенсификатора спекания | |
US9966156B2 (en) | Process for manufacturing a pellet of at least one metal oxide | |
CN111933310B (zh) | 一种高热导的二氧化铀单晶复合燃料芯块及其制备方法 | |
RU2362223C1 (ru) | Ядерное уран-гадолиниевое топливо высокого выгорания на основе диоксида урана и способ его получения (варианты) | |
RU2502141C1 (ru) | Уран-гадолиниевое ядерное топливо и способ его получения | |
US9653188B2 (en) | Fabrication method of burnable absorber nuclear fuel pellets and burnable absorber nuclear fuel pellets fabricated by the same | |
KR20140087897A (ko) | 세라믹 미소셀이 배치된 핵분열생성물 포획 소결체 및 이의 제조방법 | |
RU2713619C1 (ru) | Таблетка ядерного топлива и способ её получения | |
RU89904U1 (ru) | Твэл ядерного реактора | |
JP4674312B2 (ja) | 核燃料ペレットの製造方法および核燃料ペレット | |
KR101436499B1 (ko) | 급속소결을 통한 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체 | |
RU2428757C1 (ru) | Способ изготовления таблеток ядерного оксидного топлива | |
RU2193242C2 (ru) | Таблетка ядерного топлива | |
CN105039815A (zh) | 一种Mg-Li固溶体储氢材料的制备方法 | |
CN115108828B (zh) | 一种稀土铪酸盐陶瓷材料及其制备方法和应用 | |
US9847145B2 (en) | Method for fabrication of oxide fuel pellets and the oxide fuel pellets thereby | |
KR100812952B1 (ko) | 지르코니아가 첨가된 중성자 흡수 소결체 및 이의 제조방법 | |
RU2477198C1 (ru) | Способ формования топливных таблеток на основе диоксида урана с малой легирующей добавкой | |
RU2651799C1 (ru) | Способ изготовления ядерного топлива | |
KR101564744B1 (ko) | 보론 함유 가연성 흡수 핵연료 소결체 및 이의 제조방법 | |
JP2655908B2 (ja) | 大結晶粒径を有する酸化ガトリニウム入り核燃料ペレットの製造方法 | |
CN111710443B (zh) | 一种金刚石复合核燃料芯块及其制备方法 | |
KR101474153B1 (ko) | 금속 미소셀이 배치된 핵분열생성물 포획 소결체 및 이의 제조방법 | |
RU2814275C1 (ru) | Способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива |