RU2672256C1 - Таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах - Google Patents

Таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах Download PDF

Info

Publication number
RU2672256C1
RU2672256C1 RU2018101369A RU2018101369A RU2672256C1 RU 2672256 C1 RU2672256 C1 RU 2672256C1 RU 2018101369 A RU2018101369 A RU 2018101369A RU 2018101369 A RU2018101369 A RU 2018101369A RU 2672256 C1 RU2672256 C1 RU 2672256C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
plutonium
tablet
manufacturing
nuclear
Prior art date
Application number
RU2018101369A
Other languages
English (en)
Inventor
Валерий Николаевич Лашков
Аркадий Аркадьевич Юхимчук
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
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 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2018101369A priority Critical patent/RU2672256C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2672256C1 publication Critical patent/RU2672256C1/ru

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
    • G21C3/60Metallic fuel; Intermetallic dispersions
    • 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

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к ядерному горючему и способам изготовления дисперсионных топливных таблеток тепловыделяющих элементов. Таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах содержит равномерно распределенные по объему твердое соединение урана и металлический плутоний. При этом плутоний находится в виде произвольно ориентированного элемента, выполненного из проволоки толщиной не более 0,5 мм. Технический результат – обеспечение экологической безопасности технологического процесса изготовления топливной таблетки за счет исключения пылеобразования соединений плутония, повышение прочности, теплопроводности и реактивности таблетки.

Description

Изобретение относится к ядерной технике, в частности, к ядерному горючему и способам изготовления дисперсионных топливных сердечников (таблеток) тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ).
В настоящее время одним из основных инновационных направлений в атомной энергетике является разработка ядерных реакторов на быстрых нейтронах. В рамках данной разработки решаются следующие проблемы:
- создание «замкнутого топливного цикла», в котором в процессе выгорания исходного топлива (расходования исходного плутония), из присутствующего в топливе урана 238, нарабатывается плутоний, использующийся в следующей «кампании» после его выделения из отработанного топлива предыдущей «кампании»;
- расходование («сжигание») излишнего плутония, наработанного за годы гонки вооружений в соответствии с обязательствами правительств России и США.
Одним из основных элементов технологии быстрых реакторов является выбор вида и технологии тепловыделяющих элементов, в частности, смеси порошков, т.е. дисперсионной системы, в которую входят радиоактивные компоненты.
Известна дисперсионная система, предназначенная для изготовления таблеток тепловыделяющих элементов, содержащая крупку оксида урана в алюминиевой матрице (см. Займовский А.С. Тепловыделяющие элементы атомных реакторов. М.: Атомиздат, 1966 г., стр. 387)
Известна также дисперсионная система, содержащая смесь порошков окислов урана и алюминиевого порошка, используемая для изготовления металлокерамических сердечников ТВЭЛ. (Скоров Д.М. и др. Реакторное материаловедение. М.: Атомиздат, 1979 г., с. 177; Самойлов А.Г. и др. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М: Энергоатомиздат, 1996).
Введение в состав топливной композиции металлического компонента обеспечивает повышение прочности и теплопроводности таблетки, это улучшает эксплуатационные параметры тепловыделяющей сборки.
Известно изобретение GB 2023111A. опубл. 28.12.1979, МПК C01G 43/02, предлагающее смесь для изготовления топливной таблетки для тепловыделяющей сборки ядерных реакторов, в том числе для реакторов на быстрых нейтронах, т.е. содержащих порошки радиоактивных элементов-актинидов. В данном изобретении провозглашается уменьшение пыления ("dust"), отмечается необходимость исключения пылящих операций, полученные таблетки называют экологически чистыми за счет того, что исходная система «прекурсор, шихта», представляет собой не пылящие элементы («green»). Для этого смешанный раствор соединений урана и плутония (допускаются металлы) превращают в гель (типа силикагеля) с использованием органического гелеобразователя. Из геля методом каплепадения готовят шарики диаметром 3 мм. Из шариков в потоке углекислого газа при 600°С отгоняют органику, при этом гранулы соединений актинидов (или металлы) сохраняют сферическую форму. Шарики актинидов измельчают в шаровых или вибрационных мельницах в течение длительного времени (до 18 часов), затем прессуют и спекают при 1600°С.
Недостатком аналога является то, что при изготовлении таблеток обращение с пылью радиоактивных актинидов не устранено па заключительных технологических операциях, т.е. при выгрузке из смесителей и при дозировке в прессформы, кроме того, отгонка органики горячим газом также может привести к уносу дисперсной фазы соединений плутония, т.е. "green” - более чем сомнительна.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления таблетированного уран-плутониевого топлива, патент RU 2068202. опубл. 20.10.96, МПК G21C 3/62, который выбран в качестве прототипа.
Таблетки, изготовленные заявленным способом, содержат гранулы, полученные из шихты, обработанной специальным способом, а именно: путем проведения окислительно-восстановительной обработки гранул с последующим прессованием таблеток и их спеканием. В зависимости от содержания плутония в смеси проводят один или несколько циклов окисления - восстановления. Данный способ позволяет получать гранулы с оптимальными характеристиками и обеспечить на стадии прессования и спекания условия для получения однородной структуры таблеток. Кроме того, способ, по утверждению авторов, обеспечивает снижение экологической опасности производства за счет уменьшения пылеобразования.
На самом деле, как и в британском изобретении GB 2023111 A, в технологии присутствуют все операции, связанные с пылением, а именно, дозирование, смешивание порошков, дозирование в прессформы, прессование, выгрузка и полировка таблеток перед спеканием, т.е. это операции технологического процесса приготовления нерадиоактивного порошка окиси урана.
Это является существенным недостатком способа, так как порошки соединений плутония являются исключительно опасными веществами для человека и окружающей среды. Следует особенно отметить несколько факторов, внушающих опасение:
- опыта работы персонала с оружейным металлическим плутонием недостаточно для работы с порошкообразным плутонием;
- объемы радиоактивного материала в технологии ТВЭЛ несравненно значительнее, чем при работе с оружейным плутонием, для одной тепловыделяющей сборки требуется около ста тысяч таблеток, а сборок десятки;
- несмотря на го, что все операции с порошками проводят в герметичных боксах, при массовых потоках пылящих порошков (содержащих микронные и субмикронные фракции) неизбежно загрязняются большие площади смесительного и дозирующего оборудования, боксы, перчатки, фильтры, что требует создания гораздо более мощной технологии дезактивации по сравнению с работами с оружейным плутонием.
- в случае аварийной ситуации (разгерметизация оборудования и т.п.) возникнет экологическая катастрофа, более значительная, чем даже диспергирование плутония при аварии ядерного заряда, например, при пожаре.
Задачей изобретения является разработка таблетированного уран-плутониевого топлива для реакторов на быстрых нейтронах, при изготовлении которого снижается экологическая опасность производства путем ликвидации пылеобразования соединений плутония, а также сохранение или увеличение прочности и реактивности топливных таблеток.
Технический результат при использовании изобретения заключается в следующем:
- обеспечивается повышенная экологическая безопасность технологического процесса изготовления топливной таблетки;
- исключается пылеобразование соединений плутония:
- повышаются прочность, теплопроводность, реактивность таблетки.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах. которая содержит равномерно распределенные по объему соединения урана (окись, нитрид и т.п.) и металлический плутоний, при этом плутоний находится в виде произвольно ориентированного элемента, выполненного из проволоки толщиной не более 0.5 мм.
Применение плутония в виде проволоки исключает процесс пылеобразования. Следует учитывать при этом, что в процессе спекания возможно перераспределение кислорода (особенно с использованием окислов урана с высокой валентностью), т.е. часть кислорода окислов урана перейдет в поверхностные слои плутония. Поскольку при прессовании образуются очень тонкие слои металла (вплоть до субмикронных), при прогреве будут возникать межчастичные мостики промежуточных окислов, прочность и теплопроводность элементов будет выше, чем при спекании твердых компонентов.
Аналогичные процессы будут происходить при спекании «проволочного» варианта при проведении спекания выше температуры плавления плутония. Режимы спекания должны быть оптимизированы с учетом перечисленных выше процессов.
Кроме увеличения прочности и теплопроводности возникает еще одно исключительно полезное свойство: увеличивается плотность элемента, как за счет уменьшения пористости, гак и за счет более высокой плотности металла по сравнению с плотностью окисла (19,9 и 11,4 г/см3 соответственно).
Тонкая проволока может дозироваться в виде беспорядочно спутанного объемного элемента (комка «путанки») или в виде витых протяженных элементов (типа пружин). В случае применения проволочных элементов для получения равномерного распределения металла в объеме элемента применяют два подхода:
- в предварительно подпрессованный проволочный элемент максимальной пористости порошок окиси урана дозируют с использованием вибрации;
- применяют также фильтрационное прессование. Для этого предварительно формуют в прессформе пористый образец из проволочного элемента определенною размера и массы. При этом оптимальная пористость элемента определяется свойствами фильтруемого порошка. Готовят суспензию из порошка в летучем растворителе, не взаимодействующим с веществом порошка. Суспензию дозируют в прессформу в необходимом количестве и прессуют с использованием прессформы, оборудованной ложным дном с металлическим фильтром. Элемент сушат и спекают.
Примеры конкретного исполнения.
Пример 1. В качестве примера конкретного исполнения приведен элемент-имитатор на основе композиции порошка окиси свинца (имитатор порошка соединения урана) и вольфрамовой проволоки (имитатор плутония) толщиной 0.2 мм 40% по объему (армирующий элемент). Из проволоки предварительно изготавливали витые элементы (пружинки) диаметром 2.0 мм длиной, обеспечивающей необходимый объем металла. Витые элементы укладывали в преесформу диаметром 11 мм, обеспечивая начальную пористость 0,2…03. Дозировку порошка производили при слабой вибрации преесформы. Прессование производили при давлении 600 МПа. В итоге получали прочные таблетки с проволочным каркасом, равномерно распределенным по объему таблетки.
Пример 2. Имитатор плутония - проволока из никеля диаметром 40 мкм в виде путанки, имитатор порошка соединения урана - порошок молекулярного органического вещества в виде спиртовой суспензии. Проволоку дозировали в прессформу диаметром 11 мм до 40% по объему. Прессформа оборудована ложным дном и фильтром (несколько слоев металлических и бумажных фильтров). В прессформу заливали суспензию порошка из расчета полного заполнения пор частицами порошка, прессовали при давлении 500 МПа, сушили на воздухе при 70°С до постоянной массы, при этом пористость не превышала 5%.
Предложенные в приведенных примерах лабораторные технологии, потребуют существенной переработки существующих промышленных технологических процессов. Однако, поскольку в соответствии с физикой работы реакторов на быстрых нейтронах не требуется высокая гомогенность ТВЭЛ (длина свободного пробега нейтронов существенно больше характерного размера таблетки), поэтому возможен вариант технологического процесса, в котором толщина проволоки составляет 0,2…0,5 мм и проволока рассекается на куски длиной 1-3 диаметра. Поток, состоящий из кусков проволоки и порошка соединения урана дозируют в прессформу (экструдер-секатор и дозатор порошка могут быть совмещены).
Заявляемое изобретение позволит повысить экологическую безопасность работ при изготовлении топливной таблетки за счет исключения пылеобразование соединений плутония, а также уменьшения влияния человеческого фактора при работе с радиоактивными порошками. Следует отметить, что при этом повышаются физико-механические параметры топливной таблетки.

Claims (1)

  1. Таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах, содержащая равномерно распределенные по объему твердое соединение урана и металлический плутоний, при этом плутоний находится в виде произвольно ориентированного элемента, выполненного из проволоки толщиной не более 0,5 мм.
RU2018101369A 2018-01-15 2018-01-15 Таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах RU2672256C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018101369A RU2672256C1 (ru) 2018-01-15 2018-01-15 Таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018101369A RU2672256C1 (ru) 2018-01-15 2018-01-15 Таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2672256C1 true RU2672256C1 (ru) 2018-11-13

Family

ID=64327862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018101369A RU2672256C1 (ru) 2018-01-15 2018-01-15 Таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2672256C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2819594C2 (ru) * 2020-12-21 2024-05-21 Акционерное Общество "Наука И Инновации" Способ корректировки изотопного состава плутония с использованием быстрого ядерного реактора с натриевым теплоносителем

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3275525A (en) * 1965-07-20 1966-09-27 Clarence H Bloomster Nuclear fuel element incorporating helical fissionable wire
RU2170956C1 (ru) * 2000-07-31 2001-07-20 Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара Твэл ядерного реактора
US20070284766A1 (en) * 2003-10-29 2007-12-13 Andre Feugier Method for the Production of Nuclear Fuel Pellets
RU2572568C2 (ru) * 2010-06-16 2016-01-20 Коммиссариата А Л'Энержи Атомик Э О Энержи Альтернатив Твердое прослоечное соединение с открытыми порами для топливного стержня

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3275525A (en) * 1965-07-20 1966-09-27 Clarence H Bloomster Nuclear fuel element incorporating helical fissionable wire
RU2170956C1 (ru) * 2000-07-31 2001-07-20 Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара Твэл ядерного реактора
US20070284766A1 (en) * 2003-10-29 2007-12-13 Andre Feugier Method for the Production of Nuclear Fuel Pellets
RU2572568C2 (ru) * 2010-06-16 2016-01-20 Коммиссариата А Л'Энержи Атомик Э О Энержи Альтернатив Твердое прослоечное соединение с открытыми порами для топливного стержня

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2819594C2 (ru) * 2020-12-21 2024-05-21 Акционерное Общество "Наука И Инновации" Способ корректировки изотопного состава плутония с использованием быстрого ядерного реактора с натриевым теплоносителем

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3087881A (en) Boiling water reactor with feed water injection nozzles
Delahaye et al. Application of the UMACS process to highly dense U1− xAmxO2±δ MABB fuel fabrication for the DIAMINO irradiation
KR910009192B1 (ko) 가연성 중성자 흡수체의 제조방법
US3263004A (en) Process of making a sintered, homogeneous dispersion of nuclear fuel and burnable poison
JP6275643B2 (ja) 多孔性核燃料の製造方法
Phillips et al. Fabrication of uranium oxycarbide kernels and compacts for HTR fuel
KR20180121788A (ko) SiC 및 흑연 매트릭스 TRISO-포함 페블 연료의 신속한 처리를 위한 공정
JP7258853B2 (ja) 酸化ウランUO2、任意の酸化プルトニウムPuO2、並びに任意の酸化アメリシウムAmO2及び/又は別のマイナーアクチニドの酸化物を含む粉末の製造方法
CA1107054A (en) Process for the production of ceramic plutonium uranium nuclear fuel in the form of sintered pellets
La Lumia et al. Dense and homogeneous MOX fuel pellets manufactured using the freeze granulation route
Remy et al. Fabrication of uranium dioxide ceramic pellets with controlled porosity from oxide microspheres
RU2672256C1 (ru) Таблетка для изготовления тепловыделяющего элемента ядерного реактора на быстрых нейтронах
Khot et al. Development of Impregnated Agglomerate Pelletization (IAP) process for fabrication of (Th, U) O2 mixed oxide pellets
RU2522744C2 (ru) Композиционный топливный модельный материал с инертной пористой металлической матрицей и способ его изготовления
JP2021521416A (ja) 顆粒の被覆を有する粗い粒子の粉末の製造
Burkes et al. A US perspective on fast reactor fuel fabrication technology and experience. Part II: Ceramic fuels
US6783706B1 (en) Method for dry process recycling of mixed (U,Pu)O2 oxide nuclear fuel waste
Lahr Fabrication, properties, and irradiation behavior of U/Pu particle fuel for light water reactors
MacLeod et al. Development of mixed-oxide fuel manufacture in the United Kingdom and the influence of fuel characteristics on irradiation performance
Mukerjee et al. Fabrication technologies for ThO2-based fuel
WO2019114315A1 (zh) 掺杂碳化硼的燃料芯块及其制造方法
Gündüz et al. Effects of Different Parameters on the Densities of Uranium Dioxide and Uranium Dioxide–Gadolinium Oxide Fuels Produced by the Sol-Gel Technique
KR100812952B1 (ko) 지르코니아가 첨가된 중성자 흡수 소결체 및 이의 제조방법
WO2019050701A1 (en) COMPOSITE FUEL WITH INCREASED OXIDATION RESISTANCE
Mishra et al. Fabrication of Nuclear Fuel Elements