RU2803469C1 - Способ изготовления таблетированного топлива из порошка дисилицида триурана для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении топливных таблеток из порошков дисилицида триурана, обогащенных ураном-235 до 7% для тепловыделяющих элементов (твэл) ядерных реакторов. Способ изготовления топливных таблеток из порошка дисилицида триурана заключается в подготовке пресс-порошка (обогащение по урану-235 до 7%), прессовании таблеток в матрице. После прессования таблеток в матрице таблетки загружают в печь и проводят двухкратное вакуумирование печи, спекание таблеток в инертной среде аргона или в вакууме. Затем проводят мокрое шлифование, сушку и отбраковку таблеток. При подготовке пресс-порошка в качестве связующего используют 0,1-0,2 мас. % дистеарилэтилендиамина (ДИСЭД) или стеарат цинка, допускается подготовка пресс-порошка без использования связующего. Изобретение позволяет повысить ураноемкость и теплопроводность топлива путем увеличения плотности топлива. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении топливных таблеток из порошков дисилицида триурана обогащенных ураном-235 до 7% для тепловыделяющих элементов (твэл) ядерных реакторов.

Известная стандартная технология получения топливных таблеток при производстве керамического топлива из диоксида урана (обогащенного по урану-235 до 5% включительно) включает: получение и подготовку пресспорошка (в смеси с жидким или сухим связующим), прессование таблеток в матрице, спекание таблеток в газообразной среде, сухое или мокрое шлифование, сушку и контроль таблеток на соответствие требованиям технических условий (спецификаций) и чертежа, упаковку годной продукции, передачу ее на снаряжение твэлов ядерных реакторов (например, Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Под Ф.Г. Решетникова - М.: Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1, с. 93-106).

Известен способ получения таблеток дисилицида триурана по стандартной схеме, аналогичной используемой при изготовлении таблеток из диоксида урана, включающей размол в молотковой мельнице раздробленных вручную кусков слитка дисилицида триурана, дробление в шаровой планетарной мельнице полученного порошка дисилицида триурана для получения частиц заданного размера, смешивание порошка дисилицида триурана с пластификатором типа полиэтиленгликоль (ПЭГ) или олеиновой кислотой, прессование в матрице диаметром 9,525 мм при усилии до 248 МПа, спекание в среде аргона с 40 ppm кислорода в течение от 2 до 8 часов, шлифование на бесцентровом станке до размера 8,19 мм (Harp J.M., Lessing Р.A., Hoggan R.E. Uranium silicide pellet fabrication by powder metallurgy for accident tolerant fuel evaluation and irradiation // Journal of Nuclear Materials, 2015 - v. 46, p.p. 728-738).

Недостатком описанного метода является то, что при плотности таблеток до 11,5 г/куб. см нет достаточного количества дисилицида триурана. Фазовый анализ показал наличие фазы U₃Si₂ на уровне 84-88%, фазы USi в количестве 8-13% и фазы UO₂ на уровне 2-4%. Это связано с достаточно большим количеством кислорода на этапах изготовления. Указанный недостаток приводит к снижению температуры плавления и теплопроводности топливных таблеток от заявленных величин для U₃Si₂. Также наличие других фаз силицидов урана увеличивает радиационное распухание топлива.

Известен патент США US 2021319919 МПК С04В 35/51; С04В 35/515; G21C 3/62. В данном патенте описывается способ получения композитного уран-силицидного топлива, у которого матрица содержит хотя бы один силицид урана с высокой теплопроводностью, а смесь силицидов урана окружена диоксидом урана.

Недостатком данного способа является относительно небольшое объемное содержание фазы дисилицида триурана - заявлено содержание от 51% по объему. Наличие других фаз силицидов урана и значительного количества диоксида урана в таблетке, приводит к увеличению радиационного распухания, снижению плотности и теплопроводности композиции.

Наиболее близким является способ изготовления керамических топливных таблеток из порошка дисилицида триурана (патент США US 2016372221 А1 МПК С04В 35/515; G21C 21/02; G21C 3/04). В данном патенте описан способ формирования структуры дисилицида триурана включающий формирование смеси, содержащей частицы урана и частицы кремния, уплотнение смеси и дуговую плавку брикета, дробление сплава, процесс подготовки и изготовления пресспорошка с сухим связующим - полиэтиленгликолем ПЭГ-3350, прессование, спекание в вакууме или инертной среде при температуре 1200-1550°С и шлифование.

Недостатками указанного способа являются применение в качестве связующего ПЭГ-3350, а также недостаточное удаление кислорода при спекании (количество кислорода в атмосфере спекания - 40 ppm). Наличие кислорода в среде спекания на уровне 40 ppm приводит к образованию отличных от U₃Si₂ фаз, таких как USi и UO₂. Все эти факторы приводят к увеличению радиационного распухания топлива. Наличие других фаз и пор также приведут к снижению теплопроводности и температуры плавления таблеток, что снижает безопасность работы твэлов.

Использование жидкого связующего смеси олеиновой кислоты с полиэтиленгликолем в количестве до 10 мас. % приводит к формоизменению (отклонению от цилиндричности) таблетки во время спекания («бочка» или «катушка»), что требует большего съема при шлифовании, а значит к появлению отклонений по внешнему виду таблеток (сколы и трещины), снижающих работоспособность топлива за счет увеличения внутренних напряжений в таблетке. Помимо этого, термическое удаление большого количества (более 1 мас. %) связующего приводит к появлению значительного количества крупных пор (300-500 мкм) внутри таблетки. Тем самым, происходит снижение плотности таблетки, а, следовательно, и снижение ураноемкости твэла.

Задачей изобретения является разработка способа изготовления таблетированного топлива из порошка дисилицида триурана, при осуществлении которого повышается безопасность условий эксплуатации ядерного реактора. Эффективность работы ядерного реактора с топливом из дисилицида триурана увеличивается вследствие его повышенной теплопроводности по сравнению с применяемым топливом из диоксида урана. Кроме этого, более высокая плотность и ураноемкость дисилицидного топлива (на 10-20% выше, чем у диоксида урана) позволяет увеличить количество эффективных суток эксплуатации твэлов. Более высокая по сравнению с металлическим топливом коррозионная и радиационная стойкость дисилицидного топлива позволяет снизить аварийные риски.

Технический результат предлагаемого изобретения направлен на повышение ураноемкости и теплопроводности топлива, полученного заявляемым способом, путем увеличения плотности топлива за счет увеличения количества фазы дисилицида триурана, что обеспечивается спеканием таблеток при содержании кислорода в атмосфере печи не более 15 ppm. В свою очередь увеличение теплопроводности обеспечит уменьшение количества тепла, накопленного в активной зоне ядерного реактора и снижение энерговыделения в случае нарушения нормальных условий эксплуатации ядерного реактора, что позволит повысить его безопасность и аварийную устойчивость.

Технический результат по первому варианту достигается в способе изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, включающем подготовку порошка, смешение со связующим с получением пресспорошка, прессование таблеток в матрице, термическое удаление связующего, спекание таблеток, мокрое шлифование, сушку, отбраковку таблеток, при этом в качестве исходного порошка используют порошок дисилицида триурана с обогащением по урану-235 до 7%, а в качестве связующего для пресспорошка используют дистеарилэтилендиамид (ДИСЭД) или стеарат цинка, причем после прессования таблеток в матрице таблетки загружают в печь и проводят двухкратное вакуумирование печи, а спекание таблеток осуществляют или в инертной газовой атмосфере, или в вакууме, или в две стадии, причем на первой стадии спекание таблеток проводят в вакууме, а на второй в инертной газовой атмосфере.

Связующее берут в количестве 0,1-0,2 мас. %

Спекание таблеток в инертной атмосфере аргона осуществляют при температуре 1500-1540°С в течение 4-12 ч.

Спекание таблеток в вакууме проводят при температуре 1500-1540°С в течение 4-12 ч. и остаточном давлении не более 0,1 Па.

При спекании таблеток в две стадии спекание в вакууме осуществляют при температуре 1175-1225°С в течение 0,5-1,0 ч, а затем в среде аргона при температуре 1500-1540°С и продолжительности выдержки 4-12 ч.

Технический результат по второму варианту достигается в способе изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, включающем подготовку порошка, прессование таблеток в матрице, спекание их в газообразной среде, мокрое шлифование, сушку, отбраковку таблеток, при этом в качестве исходного порошка используют порошок дисилицида триурана с обогащением по урану-235 до 7%, причем после прессования таблеток в матрице таблетки загружают в печь и проводят двухкратное вакуумирование печи, а спекание таблеток осуществляют или в инертной газовой атмосфере, или в вакууме, или в две стадии, причем на первой стадии спекание таблеток проводят в вакууме, а на второй в инертной газовой атмосфере.

Спекание таблеток в инертной атмосфере аргона осуществляют при температуре 1500-1540°С в течение 4-12 ч.

Спекание таблеток в вакууме проводят при температуре 1500-1540°С в течение 4-12 ч. и остаточном давлении не более 0,1 Па.

При спекании таблеток в две стадии спекание в вакууме осуществляют при температуре 1175-1225°С в течение 0,5-1,0 ч, а затем в среде аргона при температуре 1500-1540°С и продолжительности выдержки 4-12 ч.

Использование сухого связующего дистеарилэтилендиамида (ДИСЭД) или стеарата цинка для пресспорошка и спекание таблеток или в инертной газовой атмосфере, или в вакууме, или в две стадии сначала в вакууме, а затем в инертной газовой атмосфере по первому варианту исполнения позволяет избежать значительного изменения формы таблеток, а именно отклонения от цилиндричности, значительного количества крупных пор внутри таблетки, а также отклонений по внешнему виду таблеток (сколы и трещины), что обеспечивает плотность таблеток 91-94% и повышает работоспособность топлива.

По второму варианту исполнения без связующего плотность таблеток увеличивается до значений 92-95%.

Использование в качестве исходного порошка дисилицида триурана с обогащением по урану-235 до 7% позволяет изготавливать топливные таблетки по заявленным способам для всех типов легководных реакторов.

Спекание таблеток по двум вариантам исполнения осуществляют при содержании кислорода в печи не более 15 ppm.

Снижение (или минимизация) содержания кислорода в атмосфере печи обеспечивается тем, что после загрузки таблеток, печь вакуумируют до остаточного давления не более 50 Па и заполняют аргоном не менее двух раз. Снижение (или минимизация) содержания кислорода в атмосфере печи необходимо для обеспечения получения дисилицида триурана (теоретическая плотность 12,2 г/куб. см) требуемой чистоты. Это обусловлено тем, что наличие кислорода при спекании приводит к образованию фазы диоксида урана (теоретическая плотность 10,96 г/куб. см), а значит и к избытку кремния, что приводит к образованию фазы силицид урана (теоретическая плотность 10,4 г/куб. см). В результате полученная таблетка будет состоять из нескольких фаз, что снижает ураноемкость, плотность и теплопроводность таблетки.

Все работы по изготовлению порошка и «сырых» таблеток необходимо проводить в герметичном перчаточном боксе в очищенной инертной среде аргона при значении влажности 1 ppm и содержании кислорода не более 15 ppm. Допускается не проводить дополнительную очистку среды и контроль содержания влаги и кислорода в инертной атмосфере бокса, при этом необходимо поддерживать проток аргона через бокс во время проведения работ с U₃Si₂.

Исходный порошок дисилицида триурана получают дроблением слитков U₃Si₂ до состояния крупки с размером частиц ~1 мм вручную в агатовой ступке или с использованием любого молоткового устройства, например, мельница «Pulverisette 2» фирмы «Fritsch».

Помол крупки и порошка осуществляют в мельнице-ступке, последовательно увеличивая усилие истирания от 0 до 50 Н. Суммарное время истирания - не менее 12 мин. Для получения фракции с размером частиц менее 100 мкм просеивать порошок через сито 01Н.

Во избежание окисления не рекомендуется хранение порошка U₃Si₂, в том числе в инертной среде бокса. В случае использования связки (связующего ДИСЭД или другого сухого связующего в том же количестве, например, стеарата цинка) ее количество составляет до 0,2 мас. %. Допускается прессование без связующего, т.к. плотность «сырых» таблеток как со связкой, так и без связки практически одинакова и составляет 67-71% ТП (теоретической плотности) и зависит только от усилия прессования.

Прессование таблеток производят при усилии (2,5±0,5) т/кв. см с использованием гидравлического пресса, например, пресс Retsch РР25. Для предотвращения разрушения таблеток при выпрессовке матрицу прессформы и пуансоны смазывают олеиновой кислотой.

Для изготовления таблеток с отверстием возможно применение пресс-инструмента, позволяющего сформировать отверстие. Также допускается высверливание отверстий в спеченных таблетках.

«Сырые» таблетки рекомендуется хранить в плотно закрытых бюксах либо другой аналогичной таре в боксе в инертной среде не более 3 дней.

Спекание таблеток осуществляют в тиглях, лодочках, контейнерах из ВеО или ZrO₂. Допускается спекание таблеток в металлических (молибден, тантал) контейнерах и лодочках с использованием подложек из оксидов бериллия, циркония, алюминия, а также карбидной и нитридной керамики при условии ее стабильности при температуре спекания. Возможно использование в качестве подложки танталовой крупки.

После загрузки таблеток необходимо вакуумировать печь до остаточного давления не более 50 Па и заполнить аргоном печь не менее двух раз для уменьшения содержания кислорода в исходной среде спекания.

Спекание таблеток проводят в инертной атмосфере аргона марки 6.0 или в вакууме, или в две стадии, причем на первой стадии спекание таблеток проводят в вакууме, а на второй в инертной газовой атмосфере аргона марки 6.0.

При спекании в вакууме вакуумируют печь до остаточного давления не более 0,1 Па.

При спекании в атмосфере аргона заполняют печь аргоном до избыточного давления 10-15 кПа и выдерживают избыточное давление газа в печи в течение всего режима термообработки на указанном уровне 10-15 кПа.

Режимы спекания таблеток при использовании связующего:

медленный разогрев печи до 600°С (для удаления связующего) в потоке аргона. Затем разогревать печь до температуры спекания (1500-1540)°С с большей скоростью нагрева в потоке аргона. Выдержку в течение (4-12) ч осуществлять в статической атмосфере аргона, после чего охлаждать печь до комнатной температуры в статической атмосфере аргона, по мере необходимости добавляя аргон при падении давления в печи;

медленный разогрев печи до 600°С (для удаления связующего) в вакууме. Затем разогревать печь до температуры спекания (1500-1540)°С с большей скоростью нагрева в вакууме. Выдержку в течение (4-12) ч осуществлять в вакууме, после чего охлаждать печь до комнатной температуры в вакууме;

медленный разогрев печи (для удаления связующего) до (1175-1225)°С с выдержкой при данной температуре в течение 0,5-1,0 ч в вакууме, после чего охлаждать печь до комнатной температуры в вакууме. Затем разогревать печь до температуры спекания (1500-1540)°С с большей скоростью нагрева в потоке аргона. Выдержку в течение (4-12) ч осуществлять в статической атмосфере аргона, после чего охлаждать печь до комнатной температуры в статической атмосфере аргона, по мере необходимости добавляя аргон при падении давления в печи.

Режимы спекания таблеток без использования связующего:

разогрев печи до температуры спекания (1500-1540)°С в статической атмосфере аргона, стравливая при необходимости избыточное давление. Выдержку в течение (4-12) ч осуществлять в статической атмосфере аргона, после чего охлаждать печь до комнатной температуры в статической атмосфере аргона, по мере необходимости добавляя аргон при падении давления в печи;

разогрев печи до температуры спекания (1500-1540)°С в вакууме. Выдержку в течение (4-12) ч осуществлять в вакууме, после чего охлаждать печь до комнатной температуры в вакууме;

разогрев печи до (1175-1225)°С в течение 0,5-1,0 ч в вакууме, после чего охлаждать печь до комнатной температуры в вакууме. Затем разогревать печь до температуры спекания (1500-1540)°С в потоке аргона. Выдержку в течение (4-12) ч осуществлять в статической атмосфере аргона, после чего охлаждать печь до комнатной температуры в статической атмосфере аргона, по мере необходимости добавляя аргон при падении давления в печи.

Ввиду того, что в качестве примеси (не более 10 мас. %) в таблетках может присутствовать фаза USi, имеющая температуру плавления 1580°С, а также температуру эвтектики с фазой U₃Si₂ 1540°С, спекание необходимо проводить при температуре не выше 1500-1540°С из-за наличия градиента температурного поля в печи, что может привести к частичному или полному плавлению таблеток.

Спекание таблеток осуществлять в тиглях, лодочках, контейнерах из ВеО или ZrO₂. Допускается спекание таблеток в металлических (молибден, тантал) контейнерах и лодочках с использованием подложек из оксидов бериллия, циркония, алюминия, а также карбидной и нитридной керамики при условии ее стабильности при температуре спекания. Возможно использование в качестве подложки танталовой крупки.

Мокрое шлифование таблеток осуществлять в боксе с инертной атмосферой, не допуская разогрев таблеток выше 50°С. Сушку таблеток после мокрого шлифования осуществлять в сушильном шкафу под вакуумом.

Для создания инертной атмосферы в боксе и печи спекания допускается использование аргона марки 4.8 и выше.

На фигуре 1 представлен внешний вид спеченных таблеток U₃Si₂.

Пример 1.

Для изготовления таблеток был использован кусок слитка. Кусок измельчали вручную в агатовой ступке до состояния крупки с размером частиц 1 мм и менее. После измельчения всего куска крупку просеивали через сито с сеткой 01Н. Непросеянную часть далее измельчали в мельнице-ступке, последовательно увеличивая усилие нажима песта мельницы: 0, 25, 50 Н. При каждом усилии измельчали крупку в течение 4 мин следующим образом. Устанавливали усилие истирания. После истирания в течение 1 мин мельницу открывали, очищали пест и стенки ступки от порошка и перемешивали порошок, после чего истирали его еще 1 мин. После истирания в течение 2 мин суммарно порошок просеивали через сито и возвращали непросеянную часть в мельницу. Далее повторяли перечисленные процедуры еще один раз, после чего повышали усилие. Таким образом, порошок суммарно истирался в мельнице-ступке при разных усилиях в течение 12 мин. Оставшееся количество непросеянного порошка истирали вручную в агатовой ступке, т.к. при малом количестве эффективность истирания в мельнице-ступке очень низкая из-за налипания порошка на стенки ступки. В итоге был получен порошок с размером частиц менее 100 мкм.

Полученный порошок методом удвоения смешали вручную в агатовой ступке со связующим ДИСЭД в количестве 0,2 мас. %. После этого с использованием гидравлического пресса Retsch РР25 были спрессованы таблетки при усилии 2 т/кв. см. Для предотвращения разрушения таблеток при выпрессовке матрицу пресс-формы и пуансоны смазывали олеиновой кислотой.

«Сырые» таблетки до извлечения из бокса хранили в плотно закрытых бюксах. Перед загрузкой таблеток в печь для спекания измеряли их геометрические размеры и массу. Данные операции выполнялись на воздухе, однако время выполнения было минимально возможным для предотвращения излишнего окисления «сырых» таблеток. Таблетки помещали в тигель из ВеО на подложку из ВеО. Печь вакуумировали до остаточного давления 50 Па, заполняли аргоном и вакуумировали еще раз до остаточного давления 0,1 Па, после чего заполняли аргоном до избыточного давления 10-15 кПа.

Спекание таблеток проводили по следующему режиму. Разогрев печи до 600°С проводили (для удаления связующего) в потоке аргона. Затем разогревали печь до температуры спекания 1500°С в потоке аргона. Выдержку в течение 4 ч осуществляли в статической атмосфере аргона, после чего печь охлаждали до комнатной температуры также в статической атмосфере аргона, по мере необходимости добавляя аргон при падении давления в печи.

На фигуре 1 представлен внешний вид спеченных таблеток. Видно, что таблетки сохранили исходную форму, включая наличие лунки и фаски на торцах. Следов плавления на таблетках обнаружено не было.

На фигуре 2 - график: коэффициент теплопроводности дисилицида триурана в сравнении с коэффициентом теплопроводности диоксида урана [1] [1] J.K. Fink Thermophysical properties of uranium dioxide / J. Nucl. Mater. 279 (2000) 1-18.

После спекания определяли гидростатическим методом плотность спеченных таблеток. Получено, что при изготовлении таблеток U₃Si₂ плотность спеченных таблеток, изготовленных как со связующим, так и без него практически одинакова и составляет 91% от теоретической плотности.

Пример 2.

Для изготовления таблеток был использован кусок слитка. Кусок измельчали вручную в агатовой ступке и с использованием мельницы-ступки аналогично процедуре, описанной выше. При приготовлении порошка связующее не использовали.

Из полученного порошка с использованием гидравлического пресса Retsch РР25 были спрессованы таблетки при усилии 2 т/кв. см. Для предотвращения разрушения таблеток при выпрессовке матрицу пресс-формы и пуансоны смазывали олеиновой кислотой.

Таблетки помещали в молибденовый контейнер с перфорацией на подложку из ВеО. Печь дважды «промывали» (вакуумировали до остаточного давления 50 Па и заполняли аргоном) для уменьшения содержания кислорода в исходной среде спекания. Далее печь вакууумировали до остаточного давления 0,1 Па, после чего заполняли аргоном до избыточного давления 10-15 кПа.

Спекание таблеток проводили по следующему режиму. Разогрев печи до температуры спекания 1525°С проводили в статической атмосфере аргона, стравливая при необходимости избыточное давление. Выдержку в течение 8 ч осуществляли в статической атмосфере аргона, после чего печь охлаждали до комнатной температуры также в статической атмосфере аргона, по мере необходимости добавляя аргон при падении давления в печи.

Анализ внешнего вида спеченных таблеток показал, что, как и в предыдущем примере, таблетки в целом сохранили исходную форму, включая наличие лунки и фаски на торцах.

Исследования плотности спеченных таблеток показали, что температура спекания 1525°С и продолжительность выдержки 8 ч позволяют достичь значений плотности 91-94% от теоретической плотности.

Пример 3.

Для изготовления таблеток был использован кусок слитка. Кусок измельчали вручную в агатовой ступке и с использованием мельницы-ступки аналогично процедуре, описанной выше в примере 1. Полученный порошок методом удвоения смешали вручную в агатовой ступке со связующим ДИСЭД в количестве 0,2 мас. %.

Из полученного порошка с использованием гидравлического пресса Retsch РР25 по аналогичной процедуре, описанной выше, были спрессованы таблетки при усилии 2 т/кв. см.

Таблетки помещали в молибденовый контейнер с перфорацией на подложку из ВеО. Печь дважды «промывали» (вакуумировали до остаточного давления 50 Па и заполняли аргоном) для уменьшения содержания кислорода в исходной среде спекания. Далее печь вакуумировали до остаточного давления 0,1 Па.

Спекание таблеток проводили по следующему режиму. Разогрев печи до температуры спекания 1525°С проводили в вакууме с остаточным давлением 0,1 Па. Выдержку в течение 8 ч осуществляли в вакууме, после чего печь охлаждали до комнатной температуры также в вакууме.

Анализ внешнего вида спеченных таблеток показал, что, как и в предыдущих примерах, таблетки в целом сохранили исходную форму, включая наличие лунки и фаски на торцах.

Исследования плотности спеченных таблеток показали, что температура спекания 1525°С и продолжительность выдержки 8 ч позволяют достичь значений плотности 91-92% от теоретической плотности.

Пример 4.

Для изготовления таблеток был использован кусок слитка. Кусок измельчали вручную в агатовой ступке и с использованием мельницы-ступки аналогично процедуре, описанной выше в примере 2. При приготовлении порошка связующее не использовали.

Из полученного порошка с использованием гидравлического пресса Retsch РР25 по аналогичной процедуре, описанной выше, были спрессованы таблетки при усилии 2 т/кв. см.

Таблетки помещали в молибденовый контейнер с перфорацией на подложку из ВеО. Печь дважды «промывали» (вакуумировали до остаточного давления 50 Па и заполняли аргоном) для уменьшения содержания кислорода в исходной среде спекания. Далее печь вакуумировали до остаточного давления 0,1 Па.

Спекание таблеток проводили по следующему режиму. Разогрев печи до температуры спекания 1525°С проводили в вакууме с остаточным давлением 0,1 Па. Выдержку в течение 8 ч осуществляли в вакууме, после чего печь охлаждали до комнатной температуры также в вакууме.

Анализ внешнего вида спеченных таблеток показал, что, как и в предыдущих примерах, таблетки в целом сохранили исходную форму, включая наличие лунки и фаски на торцах.

Исследования плотности спеченных таблеток показали, что температура спекания 1525°С и продолжительность выдержки 8 ч позволяют достичь значений плотности 91-95% от теоретической плотности.

Пример 5.

Для изготовления таблеток был использован кусок слитка. Кусок измельчали вручную в агатовой ступке и с использованием мельницы-ступки аналогично процедуре, описанной выше в примере 1. Полученный порошок методом удвоения смешали вручную в агатовой ступке со связующим ДИСЭД в количестве 0,15 мас. %.

Из полученного порошка с использованием гидравлического пресса Retsch РР25 по аналогичной процедуре, описанной выше, были спрессованы таблетки при усилии 2,1 т/кв. см.

Таблетки помещали в молибденовый контейнер с перфорацией на подложку из ВеО. Печь дважды «промывали» (вакуумировали до остаточного давления 50 Па и заполняли аргоном) для уменьшения содержания кислорода в исходной среде спекания. Далее печь вакуумировали до остаточного давления 0,1 Па.

Спекание таблеток проводили по следующему режиму. Разогрев печи до температуры спекания 1210°С проводили в вакууме с остаточным давлением 0,1 Па. Выдержку в течение 1 ч осуществляли в вакууме, после чего печь охлаждали до комнатной температуры также в вакууме. Затем печь вакуумировали до остаточного давления 0,1 Па и заполняли аргоном до избыточного давления 10-15 кПа.

Спекание таблеток проводили по следующему режиму. Разогрев печи до температуры спекания 1525°С проводили в статической атмосфере аргона, стравливая при необходимости избыточное давление. Выдержку в течение 8 ч осуществляли в статической атмосфере аргона, после чего печь охлаждали до комнатной температуры также в статической атмосфере аргона, по мере необходимости добавляя аргон при падении давления в печи.

Анализ внешнего вида спеченных таблеток показал, что, как и в предыдущих примерах, таблетки в целом сохранили исходную форму, включая наличие лунки и фаски на торцах.

Исследования плотности спеченных таблеток показали, что при комбинированном спекании с дополнительной стадией предварительного спекания таблеток при температуре 1210°С в течение 1,0 ч в вакууме и последующим спекании в аргоне при температуре спекания 1525°С и продолжительности выдержки 8 ч позволяют достичь значений плотности 91-94% от теоретической плотности.

Пример 6.

Для изготовления таблеток был использован кусок слитка. Кусок измельчали вручную в агатовой ступке и с использованием мельницы-ступки аналогично процедуре, описанной выше в примере 2. При приготовлении порошка связующее не использовали.

Из полученного порошка с использованием гидравлического пресса Retsch РР25 по аналогичной процедуре, описанной выше, были спрессованы таблетки при усилии 2,1 т/кв. см.

Таблетки помещали в молибденовый контейнер с перфорацией на подложку из ВеО. Печь дважды «промывали» (вакуумировали до остаточного давления 50 Па и заполняли аргоном) для уменьшения содержания кислорода в исходной среде спекания. Далее печь вакуумировали до остаточного давления 0,1 Па.

Спекание таблеток проводили по следующему режиму. Разогрев печи до температуры спекания 1210°С проводили в вакууме с остаточным давлением 0,1 Па. Выдержку в течение 1 ч осуществляли в вакууме, после чего печь охлаждали до комнатной температуры также в вакууме. Затем печь вакуумировали до остаточного давления 0,1 Па и заполняли аргоном до избыточного давления 10-15 кПа.

Спекание таблеток проводили по следующему режиму. Разогрев печи до температуры спекания 1525°С проводили в статической атмосфере аргона, стравливая при необходимости избыточное давление. Выдержку в течение 8 ч осуществляли в статической атмосфере аргона, после чего печь охлаждали до комнатной температуры также в статической атмосфере аргона, по мере необходимости добавляя аргон при падении давления в печи.

Анализ внешнего вида спеченных таблеток показал, что, как и в предыдущих примерах, таблетки в целом сохранили исходную форму, включая наличие лунки и фаски на торцах.

Исследования плотности спеченных таблеток показали, что при комбинированном спекании с дополнительной стадией предварительного спекания таблеток при температуре 1210°С в течение 1,0 ч в вакууме и последующим спекании в аргоне при температуре спекания 1525°С и продолжительности выдержки 8 ч позволяют достичь значений плотности 92-95% от теоретической плотности.

Экспериментально показано, что осуществление способа изготовления таблетированного топлива из порошка дисилицида триурана для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов по двум вариантам исполнения при прессовании как со связующим, так и без связующего, прессованные таблетки сохраняют целостность при их выпрессовке из прессформы и транспортировки до этапа спекания и обеспечивается заданная плотность таблеток 91-95%.

Проведены исследования коррозионной стойкости дисилицида триурана в виде таблеток в условиях близких к режимам ВВЭР. Показано, что в дистиллированной (деоинизированной) воде при давлении 150-162 бар при температурах 330-340°С и изотермической выдержке в течение 4 и 10 ч происходит незначительное поверхностное окисление таблеток, что свидетельствует об удовлетворительной коррозионной стойкости.

Исследования теплопроводности изготовленных топливных таблеток из дисилицида триурана показали, что теплопроводность дисилицида триурана (8,0-23,3 Вт/(м⋅°С) при температурах от 100 до 1400°С) заметно выше теплопроводности урана ((7,3-2,4 Вт/(м⋅°С) при температурах от 100 до 1400°С). Кроме этого, теплопроводность дисилицида триурана увеличивается с ростом температуры, в то время как, теплопроводность диоксида урана уменьшается с ростом температуры (фигура 2). Таким образом, подтверждается, что использование топливных таблеток из дисилицида триурана, изготовленных предложенным способом, позволяет обеспечить заявленный технический результат.

Claims (9)

1. Способ изготовления таблетированного топлива из порошка дисилицида триурана для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, включающий подготовку порошка, смешение со связующим с получением пресс-порошка, прессование таблеток в матрице, термическое удаление связующего, спекание таблеток, мокрое шлифование, сушку, отбраковку таблеток, отличающийся тем, что в качестве исходного порошка используют порошок дисилицида триурана с обогащением по урану-235 до 7%, а в качестве связующего для пресс-порошка используют дистеарилэтилендиамид (ДИСЭД) или стеарат цинка, причем после прессования таблеток в матрице таблетки загружают в печь и проводят двухкратное вакуумирование печи, а спекание таблеток осуществляют или в инертной газовой атмосфере, или в вакууме, или в две стадии, причем на первой стадии спекание таблеток проводят в вакууме, а на второй в инертной газовой атмосфере.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что связующее берут в количестве 0,1-0,2 мас. %.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спекание таблеток в инертной атмосфере аргона осуществляют при температуре 1500-1540°С в течение 4-12 ч.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спекание таблеток в вакууме проводят при температуре 1500-1540°С в течение 4-12 ч и остаточном давлении не более 0,1 Па.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при спекании таблеток в две стадии спекание в вакууме осуществляют при температуре 1175-1225°С в течение 0,5-1,0 ч, а затем в среде аргона при температуре 1500-1540°С и продолжительности выдержки 4-12 ч.

6. Способ изготовления таблетированного топлива из порошка дисилицида триурана для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, включающий подготовку порошка, прессование таблеток в матрице, спекание их в газообразной среде, мокрое шлифование, сушку, отбраковку таблеток, отличающийся тем, в качестве исходного порошка используют порошок дисилицида триурана с обогащением по урану-235 до 7%, причем после прессования таблеток в матрице таблетки загружают в печь и проводят двухкратное вакуумирование печи, а спекание таблеток осуществляют или в инертной газовой атмосфере, или в вакууме, или в две стадии, причем на первой стадии спекание таблеток проводят в вакууме, а на второй в инертной газовой атмосфере.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что спекание таблеток в инертной атмосфере аргона осуществляют при температуре 1500-1540°С в течение 4-12 ч.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что спекание таблеток в вакууме проводят при температуре 1500-1540°С в течение 4-12 ч и остаточном давлении не более 0,1 Па.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что при спекании таблеток в две стадии спекание в вакууме осуществляют при температуре 1175-1225°С в течение 0,5-1,0 ч, а затем в среде аргона при температуре 1500-1540°С и продолжительности выдержки 4-12 ч.