RU2584837C2 - Порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, пригодный для изготовления ядерного топлива и мишеней, предназначенных для изготовления радиоизотопов - Google Patents

Порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, пригодный для изготовления ядерного топлива и мишеней, предназначенных для изготовления радиоизотопов Download PDF

Info

Publication number
RU2584837C2
RU2584837C2 RU2013135239/02A RU2013135239A RU2584837C2 RU 2584837 C2 RU2584837 C2 RU 2584837C2 RU 2013135239/02 A RU2013135239/02 A RU 2013135239/02A RU 2013135239 A RU2013135239 A RU 2013135239A RU 2584837 C2 RU2584837 C2 RU 2584837C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
powder
uranium
molybdenum
reagent
alloy
Prior art date
Application number
RU2013135239/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2013135239A (ru
Inventor
Жером АЛЛЕНУ
Франсуа ШАРОЛЛЕ
Мерил БРОТЬЕР
Ксавье ИЛТИ
Оливье ТУГЭ
Матье ПАСТЮРЕЛЬ
Анри НОЭЛЬ
Original Assignee
Коммиссариат А Л'Энержи Атомик Э Оз Энержи Альтернатив
Юниверсите Де Ренн 1
Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьентифик
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 Коммиссариат А Л'Энержи Атомик Э Оз Энержи Альтернатив, Юниверсите Де Ренн 1, Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьентифик filed Critical Коммиссариат А Л'Энержи Атомик Э Оз Энержи Альтернатив
Publication of RU2013135239A publication Critical patent/RU2013135239A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2584837C2 publication Critical patent/RU2584837C2/ru

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C43/00—Alloys containing radioactive materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/06—Metallic powder characterised by the shape of the particles
    • B22F1/068—Flake-like particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B60/00—Obtaining metals of atomic number 87 or higher, i.e. radioactive metals
    • C22B60/02—Obtaining thorium, uranium, or other actinides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42—Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58—Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
    • G21C3/60—Metallic fuel; Intermetallic dispersions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
    • B22F9/18—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
    • B22F9/20—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds starting from solid metal compounds
    • 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

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошку сплава на основе урана, и может быть использовано при производстве топлива экспериментальных ядерных реакторов. Порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой образован из частиц с коэффициентом вытянутости от по меньшей мере 1,1 до не более 2, значением закрытой пористости от более 0 до не более 5% (об./об.), причем он образован из зерен, в которых изменение содержания молибдена в пределах одного зерна составляет не более чем 1 мас. %. Способ получения порошка сплава на основе урана включает приведение в контакт по меньшей мере одного первого реагента, выбранного из оксидов урана и их смесей, фторидов урана и их смесей, со вторым реагентом из молибдена или сплава молибдена и третьим реагентом из металла-восстановителя; взаимодействие реагентов с образованием сплава в виде порошка, частицы которого покрыты слоем оксида или фторида металла-восстановителя; охлаждение порошка и удаление слоя оксида или фторида металла-восстановителя. Облегчается производство ядерного топлива из порошка и оптимизируется поведение топлива при облучении, в частности увеличивается способность удерживать газообразные продукты деления. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл., 2 пр.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу получения порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой и, в частности, бинарного сплава UMo или тройного сплава UMoX, где X представляет собой металл, отличный от урана и молибдена.
Оно также относится к способу получения этого порошка сплава, а также к применению этого порошка.
Такой порошок сплава на самом деле может быть использован в производстве ядерного топлива и, в частности, топлива для экспериментальных ядерных реакторов, более известных под буквенным обозначением MTR ("реактор для испытания материалов"), такие как реактор Jules Horowitz (JHR) СБА в Cadarache (Кадараш), высокопоточный реактор (HFR) в институте Laue-Langevin Лауэ Ланжевена или, кроме того, реактор с высокой плотностью потока нейтронов BR-2 на площадке Mol (Мол) в Бельгии.
Он также может входить в структуру мишеней для производства радиоизотопов, в частности, для медицинской промышленности.
Уровень техники
До 1950-х годов топливо для MTR в основном состояло из сплавов урана и алюминия, с массовым содержанием урана-235 93% с удельной загрузкой 1,2 г урана на см3.
Программа, направленная на снижение риска распространения ядерного оружия, и, следовательно, на снижение уровня обогащения урана в топливе MTR, принята на международном уровне с 1977 года и возглавляется Соединенными Штатами Америки. Это программа RERTR ("ограниченное обогащение для исследовательских и испытательных реакторов").
И поэтому разработка новых сплавов урана, которые могут быть использованы в качестве ядерного топлива в MTR, с массовым содержанием урана-235 не более 20% вызвало большое число исследований.
Так, в частности, изучены сплавы на основе урана и кремния и сплавы на основе урана и молибдена. Последний тип сплавов является единственным, который имеет наиболее интересные свойства, поскольку он дает возможность достижения удельной загрузки 8,5 г урана на см3 топливного сердечника при этом загрузка для силицидов урана в лучшем случае составляет 4,8 г урана на см3.
По сей день были предложены три типа порошков сплавов урана и молибдена с метастабильной γ фазой, то есть: порошки, полученные "распылением расплава", порошки, полученные "механическим измельчением расплава", и порошки, полученные "химическим измельчением расплава".
Порошки, полученные "распылением расплава", приготовление которых описано, в частности, в FR 2777688 [1], US 5978432 [2] и JP 55-054508 [3] состоят из сферических или квазисферических частиц (то есть отношение между их максимальным размером (Dmax) и их минимальным размером (Dmin) составляет менее 1,1) и без внутригранулярной пористости (за исключением производственных дефектов).
В настоящий момент нежелательно, чтобы частицы порошка сплава уран - молибден, предназначенного для введения в структуру ядерного топлива, были сферическими или квазисферическими, так как это может вызвать сегрегацию делящихся частиц в процессе прокатки, которой подвергаются топливные элементы при их изготовлении, так же, как нежелательно, чтобы эти частицы не имели пористости, поскольку такая пористость действительно является необходимой для обеспечения присутствия в топливе буферного объема для газообразных продуктов деления, способного повысить возможность этих видов топлива аккумулировать эти газы при облучении и соответственно задерживать появление распухания указанного топлива.
Кроме того, частицы этих порошков состоят из зерна, содержание молибдена в котором меняется от центра к периферии этого зерна (J.S. Lee et al., Journal of Nuclear Materials, 306, 147-152, 2002 [4]), и покрыты тонким слоем оксида, для которых адгезия является низкой ((J.M. Park et al., Journal of Nuclear Materials, 397, 27-30, 2010 [5]).
Порошки, полученные "механическим измельчением расплава", состоят из частиц, форма и размеры которых не определены и не контролируются, и которые подобно частицам предыдущего порошка не имеют внутригранулярной пористости (опять же, за исключением производственных дефектов). Кроме того, эти частицы имеют зернистую микроструктуру со значительным деформационным упрочнением. Кроме того, такая микроструктура a priori является нестабильной и может значительно видоизменяться при облучении.
Что касается порошков, полученных "химическим измельчением расплава", они также состоят из частиц, форма и размеры которых не определены и не контролируются и в которых также отсутствует внутригранулярная пористость. Кроме того, эти порошки могут быть только порошками бинарных сплавов UMo, т.е. строго состоящими из урана и молибдена, так как методы "химического измельчения расплава" не дают возможности получения порошков тройных сплавов UMoX, в которых гомогенно распределен элемент X.
Поэтому с учетом вышеизложенного авторы настоящего изобретения задались целью получить порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, который в основном свободен от всех недостатков порошков сплавов на основе урана, содержащих молибден, предложенных на настоящий момент.
Более конкретно, изобретатели поставили цель получения порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой с характеристиками, в частности, формы, внутригранулярной пористости и гомогенного распределения молибдена, способными облегчить производство ядерного топлива из этого порошка и оптимизировать поведение этих видов топлива при облучении и, в частности, их способность удерживать газообразные продукты деления.
Также была поставлена цель, чтобы этот порошок сплава мог бы представлять собой и порошок тройного сплава UMoX или даже сплава, состоящего из числа металлов более 3, и порошок бинарного сплава UMo.
Кроме того, поставлена цель, чтобы этот порошок сплава мог бы быть изготовлен способом, который относительно прост в применении и со стоимостью, совместимой с использованием в промышленных масштабах.
Раскрытие изобретения
Эти и другие цели достигаются настоящим изобретением, которое в первом аспекте предлагает порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, который образован из частиц, имеющих коэффициент вытянутости, равный от по меньшей мере 1,1 до не более 2, значение закрытой пористости от более 0 до не более 5% (об./об.), и который образован из зерен, в которых изменение содержания молибдена в пределах одного зерна составляет не более 1 мас. %.
В вышеприведенном и в далее под "коэффициентом вытянутости" частицы, называемым также параметром вытянутости, подразумевается отношение максимального диаметра Фере
Figure 00000001
к минимальному диаметру Фере этой частицы.
В этом отношении следует напомнить, что максимальный диаметр Фере частицы, обозначенный как DFmax, соответствует расстоянию, существующему между двумя касательными, параллельными противоположным сторонам этой частицы, а минимальный диаметр Фере частицы, обозначенный как DFmin, таким образом соответствует минимальному расстоянию, существующему между двумя параллельными касательными к противоположным сторонам этой частицы.
Максимальный и минимальный диаметр Фере и, следовательно, коэффициент вытянутости частиц порошка сплава в соответствии с изобретением может быть, в частности, определен из изображения, полученного электронной и оптической микроскопией в соответствии с методологией, описанной С. Souchier ыв "Analyse d′images", (Image Analysis), in Techniques de
Figure 00000002
,
Figure 00000003
Analyse Chimique et
Figure 00000004
, P 855, 1-18, 1998 [6].
Кроме того, "закрытая пористость" частицы, также называемая окклюдированной пористостью, означает все поры, которые включает эта частица и которые окклюдированы в сплав, образующего частицы, т.е. они не выходят на поверхность частицы.
Величина закрытой пористости частиц порошка сплава в соответствии с изобретением может быть определена, в частности, из изображений, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа, на шлифах, в соответствии со стандартом ASTM Е1245-03.
Что касается изменения содержания молибдена (или любого другого металлического элемента) в пределах зерна, оно может быть, в частности, определено анализом этого зерна сканирующей электронной микроскопией в сочетании с энергодисперсионной спектрометрией.
В соответствии с изобретением коэффициент вытянутости частиц порошка сплава равен не больше 2, изобретатели установили, что на самом деле коэффициент вытянутости в диапазоне 1,1-2 дает возможность получения топлива, которое получено в пластинчатой форме из этого порошка сплава, со значительной межчастичной пористостью порядка 3-10% (об./об.), и при этом однако без влияния на поведение при прокатке порошка сплава.
Такая межчастичная пористость является чрезвычайно интересной, поскольку она будет, как и внутричастичная пористость (т.е. закрытая пористость частиц), обеспечивать роль буферной емкости для газообразных продуктов деления при облучении и таким образом будет увеличивать способность топлива удерживать газообразные продукты деления.
В соответствии с изобретением величина закрытой пористости частиц порошка сплава составляет не более 5% (об./об.), и эта пористость предпочтительно состоит из закрытых пор, размер которых составляет не более 3 мкм.
Как указано выше и далее, "размер" закрытых пор означает эквивалентный диаметр этих пор, определенный по изображениям, полученным электронной или оптической микроскопией по методике, описанной в вышеуказанной работе [6].
Порошок сплава предпочтительно образован из частиц, размер которых (как определено лазерной дифракцией) составляет 20-100 мкм.
Согласно изобретению порошок сплава предпочтительно представляет собой:
- порошок бинарного сплава UMo, т.е. сплава, состоящего только из урана и молибдена, в этом случае содержание молибдена предпочтительно составляет 5-15% масс. и более предпочтительно 7-10% масс. этого сплава; или
- порошок тройного сплава UMoX, где X представляет собой металл, отличающийся от урана и молибдена, способный к дополнительному улучшению поведения ядерного топлива при облучении, и в этом случае содержание молибдена предпочтительно составляет 5-15% масс. и более предпочтительно 7-10% масс. этого сплава, тогда как содержание X, который может быть, в частности, титаном, цирконием, хромом, кремнием, ниобием, платиной, оловом, висмутом, рутением или палладием обычно составляет не более 6% от массы сплава и более предпочтительно не более 4% масс. указанного сплава.
Порошок сплава согласно изобретению может быть получен, в частности, способом, который включает:
a) приведение в контакт по меньшей мере одного первого реагента, выбранного из оксидов урана и их смесей, фторидов урана и их смесей, в контакт со вторым реагентом, состоящим из молибдена или сплава молибдена, и третьим реагентом, состоящим из металла-восстановителя, при этом первый, второй и третий реагенты находятся в измельченном виде;
b) взаимодействие приведенных в контакт реагентов в инертной атмосфере при температуре, по меньшей мере равной температуре плавления третьего реагента, с образованием сплава на основе урана, содержащего молибден, в виде порошка, частицы которого покрыты слоем оксида или фторида металла-восстановителя;
c) охлаждение полученного порошка со скоростью, по меньшей мере, равной 450°С/час; и
d) удаление слоя оксида или фторида металла восстановителя, который покрывает частицы порошка сплава.
Следовательно, объектом настоящего изобретения также является способ, как определено выше.
В этом способе первый реагент предпочтительно представляет собой оксид урана, в котором степень окисления урана составляет 4-6, т.е. диоксид урана (UO2), триоксид урана (UO3), полуторный оксид урана (U3O8), тетраоксид урана (U4O9) или их смесь, которые используют в виде порошка.
Однако он также может представлять собой фторид урана, такой как тетрафторид урана или смесь фторидов урана, также в форме порошка.
Зная, что размер частиц первого реагента оказывают влияние на размер зерна порошка сплава, который образуется на стадии b) и, что предпочтительно, чтобы размер частиц этого порошка сплава составлял (по определению лазерной дифракцией) 20-100 мкм, предпочтительно используют порошок оксида урана, размер частиц которого составляет (по определению лазерной дифракцией) 1-100 мкм, более предпочтительно 5-50 мкм.
Для этого порошок оксида урана перед его использованием может быть однократно или несколько раз просеян, создавая возможность удаления частиц слишком малого или слишком большого размера.
Кроме того, порошок оксида урана перед его использованием также может быть подвергнут обработке типа высушивания, предназначенной для удаления возможных химических соединений (вода, оксигидраты и т.д.), которые могут находиться на поверхности частиц этого порошка и/или термической обработке, например, при температуре 600-1000°С в восстановительной атмосфере, такой как атмосфера смеси аргона и водорода, для приведения содержания кислорода в этом порошке до стехиометрического по урану.
Более предпочтительно первый реагент представляет собой порошок диоксида урана, в котором содержание урана-235 предпочтительно составляет 1-20% ат. От общего содержания урана в этом порошке, который необязательно предварительно обработан так, что его стехиометрическое отношение U/O равно 2 или по существу равно 2.
Второй реагент, т.е. молибден или сплав молибдена, также предпочтительно используют в виде порошка.
Опять же, поскольку размер частиц этого порошка оказывает воздействие на размер зерна порошка сплава, который образуется на стадии b), порошок молибдена предпочтительно образован частицами, размер которых (по определению лазерной дифракцией) составляет не более 250 мкм, предпочтительно 5-150 мкм.
Что касается третьего реагента, т.е. металла восстановителя, он предпочтительно выбран из щелочных металлов (литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций) и щелочноземельных металлов (бериллий, кальций, магний, стронций, барий и радий).
Более конкретно третий реагент предпочтительно представляет собой щелочноземельный металл и, в частности, магний или кальций, который используют, или в виде порошка, или в виде опилок, или стружки.
Согласно изобретению, стадия а) может быть осуществлена проведением простого смешивания первого, второго и третьего реагентов и последующим введением этой смеси в реактор, который предназначен для выполнения стадии b). В этом случае смешивание трех реагентов предпочтительно проводят в смесителе типа Turbula™, что позволяет тщательно смешивать порошки различной плотности и размера зерна, не вызывая агломерации частиц, образующих эти порошки, и соответственно модификацию размера зерна.
Альтернативно, стадия а) также может осуществляться размещением в реакторе, по меньшей мере, одного слоя гранул, состоящих из гомогенной смеси первого и второго реагентов (которые были подготовлены заранее, например, смешиванием обоих этих реагентов в порошковом смесителе типа Turbula™ и затем одноосным сжатием полученной смеси) и, по меньшей мере, двух слоев третьего реагента, при этом слой гранул размещается между двумя слоями третьего реагента.
В любом случае, первый, второй и третий реагенты предпочтительно приводят в контакт в пропорциях, которые позволяют получать в конце стадии b), порошок сплава, с искомым содержанием молибдена, но в котором отсутствует уран в форме оксида или фторида.
Так, например, в случае, когда первый реагент представляет собой диоксид урана, а третий реагент представляет собой магний, реакция, которая проходит на стадии b), может быть записана в соответствии со следующей упрощенной схемой:
UO2+2Mg+Mo→UMo+2MgO.
Для получения порошка сплава с содержанием молибдена 10% масс. будет использовано 1,22 г диоксида урана и 0,12 г молибдена и количество магния, по меньшей мере, эквивалентное теоретическому количеству магния, которое требуется для восстановления всего диоксида урана (т.е. в случае вышеуказанной реакции, 2 моля магния на 1 моль диоксида урана).
Для надежности и обеспечения полного восстановления диоксида урана можно использовать избыток магния, соответствующий не более двойного теоретического количества требуемого магния. В предыдущем примере, масса магния, который может быть использован, составляет 0,4391 г магния.
Согласно изобретению стадию b) предпочтительно проводят в молибденовом реакторе, чтобы избежать загрязнения элементами получаемого порошка сплава, в частности металлическими элементами, выделяющимися из этого материала корпуса.
Как указывалось выше, стадию b) осуществляют при температуре, равной или больше, чем температура плавления третьего реагента, что означает, что эта температура будет, например, по меньшей мере, 650°С, если третий реагент представляет собой магний и, по меньшей мере, 842°С, если третий реагент представляет собой кальций.
Фактически, в пределах объема притязаний настоящего изобретения предпочтительно стадию b) проводить при температуре, равной или превышающей 900°С, но ниже температуры плавления получаемого сплава, содержащего уран и молибден.
Обычно температура, используемая на стадии b), составляет 950-1150°С, оптимальной температурой является, например, 1100°С.
Кроме того, предпочтительно, чтобы эта температура достигалась постепенно. Кроме того, стадия b) включает повышение температуры предпочтительно 50-200°С/час.
Кроме того, предпочтительно стадию b) проводят при давлении не выше 1 бар инертного газа или смеси инертных газов, таких как, например, аргон или смесь азота и аргона.
Продолжительность стадии b) зависит от температуры, используемой на этой стадии, и от скорости, с которой эта температура достигается. Так, например, при эквивалентном повышении температуры, 48 часов будут необходимы для реакции, проводимой при 950°С, тогда как 24 ч будет достаточно для реакции, проводимой при 1100°С.
Как указывалось ранее, стадия с), которая предназначена для получения метастабильной γ фазы сплава, осуществляется со скоростью охлаждения, равной или более 450°С/час.
Для этого реактор предпочтительно охлаждают погружением в жидкий теплоноситель, например в водяную или в масляную баню с силиконовым маслом, выдержанную при комнатной температуре или при температуре ниже комнатной.
Что касается стадии d), ее, например, осуществляют растворением слоя оксида или фторида металла восстановителя, который покрывает частицы порошка сплава (а также избыток металла восстановителя, если последний был использован в избытке), например, обработкой порошка сплава кислой водной фазой, такой как водный раствор хлористоводородной кислоты, или органической фазой, содержащей один или несколько растворителей, включающих гидрированные группы.
Следует отметить, что для получения порошка тройного сплава UMoX или даже сплава, состоящего из более чем трех металлов, способом, который только что был описан, достаточно добавить металл X, и, если необходимо другой дополнительный металл(ы), в измельченной форме, к реагентам, используемым на стадии а), это добавление может быть, в частности, достигнуто с помощью этого(этих) металла(ов) в форме, в которой он(они) является(ются) уже сплавленными с молибденом.
С учетом характеристик частиц порошка сплава в соответствии с изобретением этот порошок существенно облегчает изготовление ядерного топлива, в частности, за счет минимизации риска дестабилизации сплава и сегрегации при изготовлении этого вида топлива, и оптимизирует поведение топлива при облучении, в частности, за счет увеличения его способности удерживать газообразные продукты деления, что дает возможность замедлить его распухание.
Следовательно, объектом настоящего изобретения также является применение порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, как определено выше, для изготовления ядерного топлива и, в частности, топлива, предназначенного для MTR.
Обычно в рамках этого получения, как это хорошо известно в современном уровне техники, порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой смешивают с порошком алюминия или сплава на основе алюминия для формирования топливного стержня и эту смесь затем подвергают прокатке, что позволяет его формование в пластинки и его плакирование.
Объектом изобретения также является применение порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, как определено выше, для изготовления мишеней, предназначенных для производства радиоизотопов.
Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из дополнительного последующего описания, которое относится к примерам приготовления порошков бинарного сплава UMo и тройного сплава UMoTi в соответствии с изобретением, и к которым относятся прилагаемые чертежи.
Очевидно, что эти примеры даны только в качестве иллюстрации объекта изобретения и они никоим образом не ограничивают этот объект.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет рентгеновскую дифрактограмму порошка бинарного сплава UMo в соответствии с изобретением (кривая А), а также сравнительного порошка сплава бинарного UMo с метастабильной γ фазой (данные JCPDS - кривая В).
Фиг. 2 представляет изображение шлифа, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа с увеличением 313, порошка бинарного сплава UMo в соответствии с изобретением, дифрактограмма которого представлена на фиг. 1.
Фиг. 3А, 3В и 3С представляют изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, с увеличением 2500 (фиг. 3А), 4000 (фиг. 3В) и 6322 (фиг. 3С), соответственно, частиц порошка бинарного сплава UMo, как показано на фиг. 2, и на которых закрытые поры, которые включают эти частицы, обозначены черными стрелками.
Фиг. 4 представляет изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, с увеличением 5000, частиц порошка бинарного сплава UMo, представленных на фиг. 2, и в котором указаны различно отмеченные точки (обозначенные от 1 до 10), в которых проведен анализ энергодисперсионной спектрометрией (элементарный объем отмеченной точки: 1 мкм3).
Фиг. 5 представляет изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа с увеличением 100, порошка тройного сплава UMoTi в соответствии с изобретением.
Фиг. 6 представляет изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, с увеличением 5000 частиц порошка тройного сплава UMoTi, представленного на фиг. 5, и на котором указаны различно отмеченные точки (обозначенные от 1 до 3), в которых проведен анализ энергодисперсионной спектрометрией (элементарный объем отмеченной точки: 1 мкм3).
Осуществление изобретения
Пример 1. Получение порошка бинарного сплава UMo в соответствии с изобретением.
100 г порошка бинарного сплава UMo с 10% масс. молибдена получают следующим образом.
Прежде всего, готовят гранулы размером 12 мм, диаметром и толщиной 2 мм, гомогенной смеси U/Mo.
Для этого 102,1 г порошка UO2 (U/O ~2) с размером частиц (по определению лазерной дифракцией) 1-50 мкм смешивают с 10 г порошка молибдена с размером частиц (по определению лазерной дифракцией) 1-150 мкм, в смесителе Turbula™ в течение 20 мин и со скоростью 45 циклов/минуту. Затем эту смесь подвергают одноосному сжатию с усилием 100 МПа.
После чего слои гранул UO2/Mo и слои магниевой стружки, наибольший размер которой составляет 1-3 мм, закладывают в молибденовый тигель так, чтобы сформировать стопку, в которой каждый слой UO2/Mo гранул расположен между двумя слоями магниевой стружки.
Этот тигель герметизируют под небольшим давлением, менее 1 бар аргона. Затем его помещают в печь, которую нагревают со скоростью 150°С/час, пока она не достигает температуры 1100°С. Затем тигель оставляют в печи при этой температуре, так что время выдержки тигля в печи в общей сложности составляет 24 часа.
В конце этой обработки тигель охлаждают со скоростью 1000°С/час путем погружения его в водяную баню при комнатной температуре.
Порошок, содержащийся в тигле, извлекают и обрабатывают водным раствором 3,7% хлористоводородной кислоты в количестве 50 мл раствора на грамм порошка. После декантации порошок собирают фильтрованием, его промывают дистиллированной водой и сушат. Эта же операция выполняется три раза в течение 30 минут.
Получают таким образом 100 г порошка сплава UMo, частицы которого полностью очищены от магния и оксида магния.
Анализ рентгеновской дифрактометрией и сканирующей электронной микроскопией (СЭМ) показывает, что частицы этого порошка характеризуются тем, что:
- сплав на 100% является центрированной кубической фазой, т.е. метастабильной γ фазой с параметром 3,417
Figure 00000005
(см. дифрактограммы, представленные на фиг. 1);
- их размер составляет 20-100 мкм (см. фиг. 2, 3А, 3В и 3С);
- коэффициент или параметр вытянутости которых (по определению на основе изображений SEM, таких как показаны на фиг. 2, 3А, 3В и 3С, по методике, описанной в вышеуказанной работе [6]), составляет 1,1-2;
- присутствуют закрытые поры, размер которых (т.е. эквивалентный диаметр, по определению на основе изображений SEM, таких как показаны на фиг. 3А, 3В и 3С, по методике, описанной в вышеуказанной работе [6]), не превышает 3 мкм; и
- закрытая пористость которых (по определению на основе изображений SEM, таких, как показаны на фиг. 3А, 3В и 3С, в соответствии со стандартом ASTM Е1245-03) не составляет более 5% общего объема этих частиц.
Кроме того, анализ одной частицы SEM в сочетании с анализом энергодисперсионной спектрометрии (EDS) дает для 10 отмеченных точек (обозначенных от 1 до 10 - элементарный объем отмеченной точки: 1 мкм3), представленных на фиг. 4, массовое содержание урана и молибдена, представленное в таблице 1 ниже.
Figure 00000006
Figure 00000007
Как показано в этой таблице, изменение содержание молибдена составляет менее 1% масс.
Пример 2: Получение порошка тройного сплава UMoTi в соответствии с изобретением.
100 г порошка тройного сплава UMoTi готовят из 9% масс. молибдена и 1% масс. титана по методике, описанной в примере 1 выше, за исключением того, что используют 9 г молибдена и 1 г титана, количество используемого магния может быть как ранее около 37 г.
Фиг. 5 показывает изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, приготовленного таким образом порошка сплава UMoTi.
Анализ частиц этого порошка анализом SEM совместно с EDS дает 3 отмеченных точки (обозначенных от 1 до 3 - элементарный объем отмеченной точкой: 1 мкм3), показанных на фиг. 6, массовое содержание урана, молибдена и титана приведено в таблице 2 ниже.
Figure 00000008
Эта таблица показывает, что не только распределение молибдена очень гомогенное, но и распределение титана также очень гомогенное.
Источники информации
1. FR 2777688.
2. US 5978432.
3. JP 55-054508.
4. J.S. Lee et al., Journal of Nuclear Materials, 306, 147-152, 2002.
5. J.M. Park et al., Journal of Nuclear Materials, 397, 27-30, 2010.
6. C. Souchier, «Analyse d′images », in Techniques de
Figure 00000009
,
Figure 00000010
Analyse Chimique et
Figure 00000011
, P. 855, 1-18, 1998.

Claims (23)

1. Порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой, характеризующийся тем, что он образован из частиц, имеющих коэффициент вытянутости, равный от по меньшей мере 1,1 до не более 2, значение закрытой пористости от более 0 до не более 5% (об./об.), при этом он образован из зерен, в которых изменение содержания молибдена в пределах одного зерна составляет не более чем 1 мас. %.
2. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что закрытая пористость частиц состоит из закрытых пор, размер которых составляет не более 3 мкм.
3. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что размер частиц составляет 20-100 мкм.
4. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что он представляет собой порошок бинарного сплава урана и молибдена.
5. Порошок по п. 4, отличающийся тем, что содержание молибдена составляет 5-15 мас. %.
6. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что он представляет собой порошок тройного сплава UMoX, где X представляет собой металл, отличный от урана и молибдена.
7. Порошок по п. 6, отличающийся тем, что металл X выбран из титана, циркония, хрома, кремния, ниобия, платины, олова, висмута, рутения и палладия.
8. Порошок по п. 6, отличающийся тем, что содержание молибдена составляет 5-15 мас. %, а содержание металла X составляет не более 6 мас. %.
9. Способ получения порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, с метастабильной γ фазой по любому из пп. 1-8, который включает:
a) приведение в контакт по меньшей мере одного первого реагента, выбранного из оксидов урана и их смесей, фторидов урана и их смесей, со вторым реагентом, состоящим из молибдена или сплава молибдена, и третьим реагентом, состоящим из металла-восстановителя, при этом первый, второй и третий реагенты находятся в измельченном виде;
b) взаимодействие приведенных в контакт реагентов в инертной атмосфере при температуре, по меньшей мере равной температуре плавления третьего реагента, с образованием сплава на основе урана, содержащего молибден, в виде порошка, частицы которого покрыты слоем оксида или фторида металла-восстановителя;
c) охлаждение полученного порошка со скоростью, по меньшей мере, равной 450°С/час; и
d) удаление слоя оксида или фторида металла-восстановителя, который покрывает частицы порошка сплава.
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что первый реагент представляет собой порошок оксида урана, выбранного из диоксида урана UO2, триоксида урана UO3, полуторного оксида урана U3O8, тетраоксида урана U4O9 и их смесей.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что порошок оксида урана образован из частиц, размер которых составляет 1-100 мкм.
12. Способ по п. 10, отличающийся тем, что порошок оксида урана представляет собой порошок диоксида урана со стехиометрическим отношением U/O, равным 2 или, по существу, равным 2.
13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что второй реагент представляет собой порошок, размер частиц которого составляет менее 250 мкм.
14. Способ по п. 9, отличающийся тем, что третий реагент выбран из щелочных металлов и щелочноземельных металлов.
15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что третий реагент представляет собой щелочноземельный металл в виде порошка, опилок или стружки.
16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что третий реагент представляет собой магний или кальций.
17. Способ по п. 9, отличающийся тем, что приведение в контакт реагентов осуществляют размещением в реакторе по меньшей мере одного слоя гранул, состоящих из гомогенной смеси первого и второго реагентов, и по меньшей мере двух слоев третьего реагента, при этом слой гранул находится между двумя слоями третьего реагента.
18. Способ по п. 9, отличающийся тем, что взаимодействие приведенных в контакт реагентов проводят при температуре, равной или превышающей 900°С и которая ниже температуры плавления сплава на основе урана, содержащего молибден.
19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что взаимодействие приведенных в контакт реагентов проводят при температуре 950-1150°С.
20. Способ по п. 9, отличающийся тем, что взаимодействие приведенных в контакт реагентов проводят при повышении температуры со скоростью 50-200°С/час.
21. Способ по п. 9, отличающийся тем, что удаление слоя оксида или фторида металла восстановителя проводят его растворением.
22. Применение порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, в метастабильной γ фазе по любому из пп. 1-8, для изготовления ядерного топлива, в частности для экспериментальных ядерных реакторов.
23. Применение порошка сплава на основе урана, содержащего молибден, в метастабильной γ фазе по любому из пп. 1-8, для изготовления мишеней для производства радиоизотопов.
RU2013135239/02A 2010-12-28 2011-12-23 Порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, пригодный для изготовления ядерного топлива и мишеней, предназначенных для изготовления радиоизотопов RU2584837C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1061319 2010-12-28
FR1061319A FR2969661B1 (fr) 2010-12-28 2010-12-28 Poudre d'un alliage a base d'uranium et de molybdene utile pour la fabrication de combustibles nucleaires
PCT/EP2011/073999 WO2012089684A2 (fr) 2010-12-28 2011-12-23 Poudre d'un alliage a base d'uranium et de molybdene utile pour la fabrication de combustibles nucleaires et de cibles destinees a la production de radio-isotopes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013135239A RU2013135239A (ru) 2015-02-10
RU2584837C2 true RU2584837C2 (ru) 2016-05-20

Family

ID=45422153

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013135239/02A RU2584837C2 (ru) 2010-12-28 2011-12-23 Порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, пригодный для изготовления ядерного топлива и мишеней, предназначенных для изготовления радиоизотопов

Country Status (11)

Country Link
US (1) US9574257B2 (ru)
EP (1) EP2659015B1 (ru)
JP (1) JP5923521B2 (ru)
KR (1) KR101868185B1 (ru)
CN (1) CN103608481B (ru)
CA (1) CA2822454C (ru)
FR (1) FR2969661B1 (ru)
NO (1) NO2659015T3 (ru)
PL (1) PL2659015T3 (ru)
RU (1) RU2584837C2 (ru)
WO (1) WO2012089684A2 (ru)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2969660B1 (fr) * 2010-12-28 2013-02-08 Commissariat Energie Atomique Procede de preparation d'une poudre d'un alliage a base d'uranium et de molybdene
CN103831990B (zh) * 2012-11-21 2016-01-20 中核建中核燃料元件有限公司 一种将阿克蜡添加入uo2粉末压制芯块的装置及方法
KR101555665B1 (ko) * 2013-11-25 2015-09-25 한국원자력연구원 조사 안정성이 향상된 금속 핵연료 분말 및 이를 포함하는 분산 핵연료
EP3251126B1 (en) 2015-01-29 2019-05-15 Framatome GmbH Irradiation target for radioisotope production, method for preparing and use of the irradiation target
CN106929732B (zh) * 2015-12-31 2018-11-30 中核北方核燃料元件有限公司 一种U-Mo合金的熔炼制备方法
US11014265B2 (en) 2017-03-20 2021-05-25 Battelle Energy Alliance, Llc Methods and apparatus for additively manufacturing structures using in situ formed additive manufacturing materials
CN112987117B (zh) * 2021-02-08 2022-07-29 东华理工大学 基于自然γ能谱测井多特征峰组合的铀矿定量换算系数求法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1433120A1 (de) * 1961-09-01 1969-05-14 Nukem Gmbh Uranlegierungen
US5978432A (en) * 1998-04-17 1999-11-02 Korea Atomic Energy Research Institute Dispersion fuel with spherical uranium alloy, and the fuel fabrication process
RU2317599C2 (ru) * 2005-05-29 2008-02-20 Корея Этомик Энерджи Рисерч Инститьют Пластинчатое ядерное топливо, содержащее регулярно размещенные крупные сферические частицы сплава u-mo или u-mo-x, и способ их изготовления
RU89904U1 (ru) * 2009-08-05 2009-12-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Твэл ядерного реактора

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3102848A (en) 1959-11-23 1963-09-03 Curtiss Wright Corp Nuclear fuel compositions and method of making the same
US3109730A (en) * 1961-09-19 1963-11-05 Sylvester T Zegler Ductile uranium fuel for nuclear reactors and method of making
US3778380A (en) 1966-10-31 1973-12-11 Atomic Energy Commission Method for producing uo2 loaded refractory metals
JPS5554508A (en) 1978-10-17 1980-04-21 Toyota Motor Corp Production of metal powder
US4584184A (en) 1984-05-21 1986-04-22 Allied Corporation Separation and recovery of molybdenum values from uranium process waste
JPH06258477A (ja) 1993-03-05 1994-09-16 Japan Atom Energy Res Inst 酸素ポテンシャル自己制御型核燃料化合物
JPH11118982A (ja) 1997-10-17 1999-04-30 Toshiba Corp 使用済み原子炉燃料の処理方法
GB2354256B (en) * 1999-09-15 2001-11-07 Korea Atomic Energy Res Uranium high-density dispersion fuel
FR2814097B1 (fr) * 2000-09-21 2002-12-13 Commissariat Energie Atomique Procede de preparation de particules de metal ou d'alliage de metal nucleaire
KR100643792B1 (ko) * 2005-02-16 2006-11-10 한국원자력연구소 다심 형상의 연구로용 핵연료봉 및 그 제조 방법
FR2889351A1 (fr) * 2005-12-19 2007-02-02 Korea Atomic Energy Res Combustible nucleaire de type plaque et son procede de fabrication
CN100486739C (zh) * 2007-06-20 2009-05-13 中国原子能科学研究院 γ相U-Mo合金粉末的制备工艺
JP5621102B2 (ja) * 2009-08-03 2014-11-05 独立行政法人日本原子力研究開発機構 核燃料ペレットの製造方法及び核燃料ペレット
FR2969660B1 (fr) * 2010-12-28 2013-02-08 Commissariat Energie Atomique Procede de preparation d'une poudre d'un alliage a base d'uranium et de molybdene

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1433120A1 (de) * 1961-09-01 1969-05-14 Nukem Gmbh Uranlegierungen
US5978432A (en) * 1998-04-17 1999-11-02 Korea Atomic Energy Research Institute Dispersion fuel with spherical uranium alloy, and the fuel fabrication process
RU2317599C2 (ru) * 2005-05-29 2008-02-20 Корея Этомик Энерджи Рисерч Инститьют Пластинчатое ядерное топливо, содержащее регулярно размещенные крупные сферические частицы сплава u-mo или u-mo-x, и способ их изготовления
RU89904U1 (ru) * 2009-08-05 2009-12-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Твэл ядерного реактора

Also Published As

Publication number Publication date
FR2969661A1 (fr) 2012-06-29
NO2659015T3 (ru) 2018-01-27
US20130336833A1 (en) 2013-12-19
JP2014508216A (ja) 2014-04-03
KR20140045912A (ko) 2014-04-17
PL2659015T3 (pl) 2018-01-31
KR101868185B1 (ko) 2018-06-15
RU2013135239A (ru) 2015-02-10
WO2012089684A2 (fr) 2012-07-05
CN103608481B (zh) 2015-11-25
JP5923521B2 (ja) 2016-05-24
US9574257B2 (en) 2017-02-21
CA2822454C (fr) 2019-05-07
EP2659015B1 (fr) 2017-08-30
CA2822454A1 (fr) 2012-07-05
CN103608481A (zh) 2014-02-26
WO2012089684A3 (fr) 2012-09-27
EP2659015A2 (fr) 2013-11-06
FR2969661B1 (fr) 2013-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2584837C2 (ru) Порошок сплава на основе урана, содержащего молибден, пригодный для изготовления ядерного топлива и мишеней, предназначенных для изготовления радиоизотопов
RU2586373C2 (ru) Способ изготовления порошка сплава на основе урана и молибдена
JP2645463B2 (ja) 核燃料体
US10109381B2 (en) Methods of forming triuranium disilicide structures, and related fuel rods for light water reactors
US6808656B2 (en) Method of producing a nuclear fuel sintered body
JP2014529738A (ja) 多孔性核燃料の製造方法
Herman et al. A uranium nitride doped with chromium, nickel or aluminum as an accident tolerant fuel
JP4690623B2 (ja) 廃棄物固定化用のセラミック媒質及び再処理核燃料集合体からの廃棄物を固定化する方法
KR20150027259A (ko) 특정 용융염을 함유하는 매질의 사용을 포함하는, 적어도 하나의 제2 화학원소 e2로부터 적어도 하나의 제1 화학원소 e1을 분리하는 방법
JP4674312B2 (ja) 核燃料ペレットの製造方法および核燃料ペレット
JP3916663B2 (ja) 使用済み核燃料から稀土類を除去する方法
US7309473B2 (en) Method for sulphurizing a UO2 powder and method for making nuclear fuel pellets based on UO2 or mixed oxide (U,Pu)O2 oxide with added sulphur
Garino et al. Development of iodine waste forms using low-temperature sintering glass
EP0676771A1 (en) Nuclear fuel cycle
KR100454984B1 (ko) 소모된핵연료로부터희토류원소제거방법
Garino et al. Determine Minimum Silver Flake Addition to GCM for Iodine Loaded AgZ
Stewart et al. Titanate wasteforms for Tc-99 immobilization
Vedernikov et al. Rules governing the behavior of the electrical resistivity and thermoelectric power of systems of binary continuous solid solutions of metals
Balakrishna et al. Sintering of uranium dioxide as a fuel for nucler reactors—a review
Maruya et al. ACTIVATED SINTERING OF URANIUM DIOXIDE FUEL. II. SINTERING IN WET HYDROGEN AND IN VACUUM
Johnson Development of a Laboratory-size, Fluidized-bed Reactor
Nadykto Storage of plutonium and nuclear power plant actinide waste in the form of critical-mass-free ceramics containing neutron poisons
JPS59166213A (ja) 軽水炉用高温フイルタ要素