RU2765863C1 - Способ изготовления таблетированного ядерного топлива - Google Patents
Способ изготовления таблетированного ядерного топлива Download PDFInfo
- Publication number
- RU2765863C1 RU2765863C1 RU2021113067A RU2021113067A RU2765863C1 RU 2765863 C1 RU2765863 C1 RU 2765863C1 RU 2021113067 A RU2021113067 A RU 2021113067A RU 2021113067 A RU2021113067 A RU 2021113067A RU 2765863 C1 RU2765863 C1 RU 2765863C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nuclear fuel
- powder
- sintering
- charge
- nickel
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
- G21C3/62—Ceramic fuel
-
- 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
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для получения таблеток ядерного топлива на основе СНУП (керамический тип ядерного топлива, представляющий собой смесь нитрида урана и плутония (U, Pu)N). Способ изготовления таблетированного ядерного топлива включает формирование шихты в виде однородной смеси, состоящей из дисперсного порошка и легирующих добавок, прессование и спекание шихты. Легирующие добавки – порошок никеля или сплава никель-хром в количестве 0,05-1 масс. %. Электроимпульсное прессование проводят путем пропускания короткого импульса тока под статическим давлением, при этом процесс ведут в закрытом герметичном перчаточном боксе со шлюзовой камерой. Изобретение позволяет улучшить технологичность способа. 4 пр.
Description
Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для получения таблеток ядерного топлива на основе СНУП (керамический тип ядерного топлива, представляющий собой смесь нитрида урана и плутония (U, Pu)N).
Это топливо имеет ряд неоспоримых эксплуатационных преимуществ перед другими разрабатываемыми типами топлива, таких как большая плотность ядерного делящегося материала и связанный с ней коэффициент воспроизводства, на порядок большая, чем у оксидного топлива, а также теплопроводность. Кроме того, это топливо позволяет еще утилизировать долгоживущие актитиниды.
Проблема спекания СНУП топлива с добавками AmN и другие, заключается в том, что необходимо уменьшить время спекания и температуру, так как нитрид америция (AmN) диссоциирует и испаряется при высоких температурах, выше 1800 К, поэтому необходимо снижать время и температуру спекания. Один из путей снижения температуры спекания является процесс легирования малыми добавками топливных таблеток.
Известен способ изготовления таблеток ядерного топлива с использованием легирования (патент RU № 2630898 опубликовано 14.09.2017). Изобретение относится к способам изготовления керамического ядерного топлива с использованием легирования. Способ легирования порошков UO2, включает дозирование в UO2 порошкового легирующего соединения (добавки), операцию приготовления порции смеси из UO2 с порошковым легирующим соединением, изготовление пресс-порошка, формование прессовок и их термообработку. В качестве легирующего соединения используются алюминий- или(и) кремнийсодержащее вещество с температурой плавления до 200°С, температуры плавления и испарения которого лежат ниже температуры его разложения. Способ обеспечивает эффективное воздействие на микроструктуру таблеток, улучшение качества топлива и снижение затрат на производство таблеток. Легирование используется как способ улучшения свойств самой керамики и для совершенствования процесса ее спекания.
Недостатками является то, что указанные легирующие добавки применяются только для улучшения свойств таблеток из UO2 и не распространяются на СНУП топливо.
Известен способ изготовления таблеток ядерного топлива с коротким временем спекания (патент RU № 2664738, опубликован 22.08.2018). Этот способ заключается в таблетировании ядерного топлива из диоксида урана для тепловыделяющих элементов легководных энергетических ядерных реакторов, а также энергетических реакторов с газовым охлаждением. Он включает в себя формирование шихты, состоящей из дисперсного порошка диоксида урана с легирующими добавками оксидов алюминия и кремния в виде наночастиц, процесса одновременного прессования и спекания путем сжатия шихты давлением до 150 МПа между штампами пресса, являющимися электродами и пропускания постоянного и импульсного тока от высоковольтного источника электропитания. В шихте происходит совмещенное прессование и спекание с использованием плазмы искрового разряда. Продолжительность процесса совмещенного прессования и спекания порядка 10 мин. Этот способ позволяет сократить время и трудозатраты на получение таблетированного ядерного топлива из порошка UO2. Недостатками является то, что спекание нитридного ядерного топлива для реакторов IV поколения на основе СНУП такого как (U, Pu, Am)N, невозможно проводить при помощи традиционных способов, так как нитрид америция (AmN) диссоциирует и испаряется из-за температуры спекания выше 1800 К, при давлении азота 1 бар. Испарение младших актинидов, таких как Am, является проблемой в области получения топлива. Испарение зависит от температуры и, таким образом, необходимо снижать температуру спекания.
Известен способ изготовления таблеток ядерного топлива (патент US №4059539, опубликован 22.11.1977). Этот способ заключается в получении высокотемпературного топлива на основе стабилизированного нитрида урана, который достигается за счет легирования мононитрида урана (плутония) мононитридами Zr, Τi, Υ в количестве до 10 мольных % при сохранении однофазной структуры. Указанные составы нитрида могут эксплуатироваться при температурах поверхности топлива до 1700°С.
Недостатками является то, что данные добавки не улучшают спекаемость таблеток ядерного топлива.
Наиболее близким является способ изготовления таблетированного ядерного топлива (патент на изобретение RU № 2627682, опубликовано 10.09.2010). Это изобретение в целом относится к нитридным ядерным топливам и к способу получения нитридных топлив, применяемых в качестве ядерного топлива в ядерных реакторах. Веществами, рассматриваемыми в качестве указанного топлива, являются (U, Pu, Am)N, (U, Pu, Am, Cm)N, (U, Pu, Am, Zr)N и (U, Pu, Am, Cm, Zr)N. Способ изготовления таблетированного ядерного топлива включает формирование шихты в виде однородной смеси, состоящей из дисперсного порошка и легирующих добавок, прессование и спекание шихты и представляет собой комбинацию стадий плазменно-искрового спекания с применением электрического тока и термической обработки. Этот способ позволяет достигнуть плотности таблеток чуть выше 85% от теоретической. Для достижения плотности 85-95% приходится проводить спекание при температурах ~ 1800-2100°С и длительностью нескольких часов.
Недостатками прототипа являются не технологичность способа, связанная с использованием повышенных температуры и длительности спекания, которые приводят к усложнению конструкции печей, а в случае спекания (U,Pu)N или (U,Pu,Am)N наблюдается испарение плутония и америция (доходящее до 15% от введенного).
Задачей является разработка нового, технологичного способа изготовления таблетированного ядерного топлива на основе СНУП (U, Pu)N, позволяющего уменьшить значения напряжения заряда батареи конденсаторов и, соответственно температуру спекания для получения таблеток.
Техническим результатом заявленного способа, является улучшение технологичности способа, обеспечивающего получение таблетированного ядерного топлива с необходимыми характеристиками, с помощью электроимпульсного прессования путем микролегирования никелем или сплавом никель-хром.
Указанный технический результат достигается в способе изготовления таблетированного ядерного топлива, включающем формирование шихты в виде однородной смеси, состоящей из дисперсного порошка и легирующих добавок, прессование и спекание шихты, отличающемся тем, что дисперсный порошок представляет собой смесь порошков на основе нитрида урана или нитрида урана и плутония, а легирующие добавки - порошок никеля или сплава никель-хром в количестве 0,05-1 масс. %, причем электроимпульсное прессование проводят путем пропускания короткого импульса тока под статическим давлением, при этом процесс ведут в закрытом герметичном перчаточном боксе со шлюзовой камерой.
Микролегирование указанного топлива добавками, образующими сегрегации или вторые фазы на границах зерен позволяет получить более текучую керамику при повышенной температуре. При этом введение добавок в количестве менее 0,05 масс. % не приводит к значительному улучшению спекаемости, а введение добавок в количестве более 1 масс. % не целесообразно, так как снижаются характеристики ядерного топлива.
Сущность изобретения изготовления таблеток ядерного топлива путем спекания порошков с использованием короткого импульса тока сводится к следующему. Шихту порошка на основе нитрида урана или смешанного мононитрида урана и плутония (СНУП) в виде однородной смеси с порошком никеля или сплава никель-хром в количестве 0,05-1 масс. %. загружают в керамическую матрицу, зажатую в металлическую обойму и прессуют ее пуансонами, на которые подают напряжение от импульсного источника тока. Давление к пуансонам прикладывается от пневмопресса. Включается импульсный источник энергии и в нем накапливается необходимое количество энергии, которое определяется видом и массой уплотняемого радионуклидного порошка. После этого пропускают импульс тока от импульсного источника через поджатый порошок, который разогревает его, происходит процесс спекания. В результате получается плотный образец.
Пример осуществления способа
Пример 1. Засыпка порошка состояла из смесей нитрида урана (имитатор СНУП топлива) и порошка никеля в количестве 0,05 масс. %. Для изготовления таблетки использовали импульсный источник тока с максимальной запасаемой энергией до 50 кДж, давление подпрессовки 2,1 т/см2, напряжение на батарее конденсаторов 5,1 кВ. Диаметр таблетки 9,2 мм плотность 13,3, что составило 93% от теоретической.
Пример 2. Засыпка порошка состояла из смесей нитрида урана (имитатор СНУП топлива) и порошка никеля в количестве 1,0 масс. %. Для изготовления таблетки использовали импульсный источник тока с максимальной запасаемой энергией до 50 кДж, давление подпрессовки 2,1 т/см2, напряжение на батарее конденсаторов 5,0 кВ. Диаметр таблетки 9,2 мм плотность 13,4 г/см3.
Пример 3. Засыпка порошка состояла из смесей нитрида урана (имитатор СНУП топлива) и нихрома (промышленный сплав ЭИ931) в количестве 0,05 масс. %. Для изготовления таблетки использовали импульсный источник тока с максимальной запасаемой энергией до 50 кДж, давление подпрессовки 2,1 т/см2, напряжение на батарее конденсаторов 5,2 кВ. Диаметр таблетки 9,2 мм плотность 13,1 г/см3.
Пример 4. Засыпка порошка состояла из смесей нитрида урана (имитатор СНУП топлива) и нихрома (промышленный сплав ЭИ931) в количестве 0,05 масс. %. Для изготовления таблетки использовали импульсный источник тока с максимальной запасаемой энергией до 50 кДж, давление подпрессовки 2,1 т/см2, напряжение на батарее конденсаторов 5,5 кВ. Диаметр таблетки 9,2 мм плотность 13,7 г/см3.
Повышение спекаемости таблеток СНУП топлива, легированных никелем или сплавом никель-хром позволяет снизить максимальную температуру спекания и, соответственно напряжение заряда батареи конденсаторов электроимпульсной установки, необходимые для достижения требуемой плотности.
Claims (1)
- Способ изготовления таблетированного ядерного топлива, включающий формирование шихты в виде однородной смеси, состоящей из дисперсного порошка и легирующих добавок, прессование и спекание шихты, отличающийся тем, что дисперсный порошок представляет собой смесь порошков на основе нитрида урана или нитрида урана и плутония, а легирующие добавки – порошок никеля или сплава никель-хром в количестве 0,05-1 масс. %, причем электроимпульсное прессование проводят путем пропускания короткого импульса тока под статическим давлением, при этом процесс ведут в закрытом герметичном перчаточном боксе со шлюзовой камерой.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021113067A RU2765863C1 (ru) | 2021-05-04 | 2021-05-04 | Способ изготовления таблетированного ядерного топлива |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021113067A RU2765863C1 (ru) | 2021-05-04 | 2021-05-04 | Способ изготовления таблетированного ядерного топлива |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2765863C1 true RU2765863C1 (ru) | 2022-02-03 |
Family
ID=80214821
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021113067A RU2765863C1 (ru) | 2021-05-04 | 2021-05-04 | Способ изготовления таблетированного ядерного топлива |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2765863C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797576C1 (ru) * | 2022-09-05 | 2023-06-07 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Установка спекания таблеток, содержащая транспортный канал |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB933552A (en) * | 1958-12-31 | 1963-08-08 | Atomic Energy Commission | Method of making fuel bodies |
KR20110089801A (ko) * | 2010-02-01 | 2011-08-09 | 한전원자력연료 주식회사 | 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체 및 그 제조방법 |
RU2504029C2 (ru) * | 2012-02-17 | 2014-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ изготовления таблетки ядерного керамического топлива |
RU2627682C2 (ru) * | 2010-09-27 | 2017-08-10 | Диаморф Аб | Нитридное ядерное топливо и способ его получения |
RU2701542C1 (ru) * | 2019-02-04 | 2019-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Горно-химический комбинат" (ФГУП "ГХК") | Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов |
-
2021
- 2021-05-04 RU RU2021113067A patent/RU2765863C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB933552A (en) * | 1958-12-31 | 1963-08-08 | Atomic Energy Commission | Method of making fuel bodies |
KR20110089801A (ko) * | 2010-02-01 | 2011-08-09 | 한전원자력연료 주식회사 | 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체 및 그 제조방법 |
RU2627682C2 (ru) * | 2010-09-27 | 2017-08-10 | Диаморф Аб | Нитридное ядерное топливо и способ его получения |
RU2504029C2 (ru) * | 2012-02-17 | 2014-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ изготовления таблетки ядерного керамического топлива |
RU2701542C1 (ru) * | 2019-02-04 | 2019-09-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Горно-химический комбинат" (ФГУП "ГХК") | Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2797576C1 (ru) * | 2022-09-05 | 2023-06-07 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Установка спекания таблеток, содержащая транспортный канал |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101638351B1 (ko) | 열전도성 금속을 포함하는 핵연료 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 핵연료 소결체 | |
O’Brien et al. | Spark Plasma Sintering of simulated radioisotope materials within tungsten cermets | |
US11551822B2 (en) | Grain boundary enhanced UN and U3Si2 pellets with improved oxidation resistance | |
US20130264726A1 (en) | Nitride Nuclear Fuel and Method for Its Production | |
US3000072A (en) | Process of containing and fixing fission products | |
RU2765863C1 (ru) | Способ изготовления таблетированного ядерного топлива | |
KR101673315B1 (ko) | 열전 재료 및 그 제조 방법 | |
US3281273A (en) | Fuel cell | |
US3194852A (en) | Production of uranium oxide bodies | |
US3372213A (en) | Method of manufacturing oxide nuclear fuel containing a boride | |
RU2713619C1 (ru) | Таблетка ядерного топлива и способ её получения | |
KR20210116677A (ko) | 가연성 흡수제를 갖거나 갖지 않는 sps/fast 우라늄 연료를 사용한 소결 | |
US3213032A (en) | Process for sintering uranium nitride with a sintering aid depressant | |
US3342562A (en) | High density urania fuel elements | |
CN114195486B (zh) | 一种一步法制备MgO-Nd2Zr2O7型复相陶瓷惰性燃料基材的方法 | |
US3258317A (en) | Preparation of dense uranium oxide | |
US3510545A (en) | Method of manufacturing nuclear fuel rods | |
US3327027A (en) | Process for the production of plutonium oxide-containing nuclear fuel powders | |
JP2009053156A (ja) | 核燃料ペレットの製造方法および核燃料ペレット | |
Horlait et al. | Dilatometric Study of U 1− x Am x O 2±δ Sintering: Determination of Activation Energy | |
RU2664738C1 (ru) | Способ изготовления таблетированного ядерного топлива | |
Zhong et al. | Spark plasma sintering of fuel cermets for nuclear reactor applications | |
US3230278A (en) | Method of manufacture of uranium dioxide having a high density | |
US3213161A (en) | Process for forming a uranium mononitride-uranium dioxide nuclear fuel | |
KR100982665B1 (ko) | 초소성 우라늄산화물 핵연료 소결체 및 이의 제조방법 |