Таблетка ядерного уран-эрбиевого керамического топлива

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям твэлов для энергетических канальных уран-графитовых реакторов типа РБМК, в которых используется ядерное уран-эрбиевое керамическое топливо. Таблетка ядерного уран-эрбиевого керамического топлива содержит спрессованный и спеченный порошок диоксида урана (UO₂). В состав таблетки входит эрбий в смеси с порошком диоксида урана (UO₂) в виде растворимого в диоксиде урана (UO₂) азотнокислого раствора в количестве от 0,36 до 0,64 вес.% по эрбию совместно с добавкой из порошка оксида алюминия (Al₂О₃) с порошком одного из оксидов следующего ряда: TiO₂, Nb₂O₅, SiO₂, CaO, MgO либо только одна добавка минеральных алюмосиликатов: каолин, метакаолин, галлаузит, монтмориллонит, вермикулит. Таблетка содержит добавки в количестве 0.0020÷0.10 вес.% каждого элемента по отношению к урану при соотношении: 40÷85% Al - для оксида алюминия, остальное - оксидообразующий элемент из указанного ряда оксидов. В зависимости от выбора вида оксидной или минеральной алюмосиликатной добавки из указанных рядов размер зерна таблетки составляет - 25÷50 мкм. Плотность таблетки составляет от 10,0 до 10,8 г/см³, сохранение термической стабильности геометрических размеров - в пределах 0,1÷0,3%. Эрбий в виде азотнокислого раствора гомогенно распределен по объему таблетки без образования нерастворяющихся частиц оксида эрбия. Изобретение позволяет создать таблетку ядерного уран-эрбиевого керамического топлива, имеющую гомогенное распределение эрбия в таблетке и размер зерна в диапазоне 25÷50 мкм. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к ядерной технике, в частности к конструкциям твэлов для энергетических канальных уран-графитовых реакторов типа РБМК, в которых используется ядерное уран-эрбиевое керамическое топливо.

Известно, что одним из основных направлений исследований, проводимых с целью улучшения характеристик топлива и оптимизации его микроструктуры, становится обеспечение среднего условного размера зерна на уровне ˜25÷50 мкм путем введения добавок некоторых оксидов к исходному порошку диоксида урана (см. Ю.Б.Бибилашвили, А.В.Медведев, О.В.Милованов «Взаимосвязь исходных параметров топливных таблеток с их свойствами и с основными эксплуатационными характеристиками ТВЭЛа. Разработка перспективных требований к топливным таблеткам», ВНИИНМ, М., 1997). Перспективные требования потребителя к размеру зерна таблеток ядерного топлива обусловлены необходимостью повышения радиационной стабильности топлива с одновременным повышением степени его выгорания, что может быть обеспечено увеличением среднего размера зерна до уровня 25-50 мкм.

Другой не менее важной проблемой для уран-эрбиевого керамического топлива является обеспечение гомогенного распределения выгорающего поглотителя по объему таблетки. Гомогенное распределение эрбия по объему таблетки обуславливает равномерное выгорание поглотителя, уменьшает вероятность появления локальных участков деструкции материала при облучении.

Таким образом, комплексное решение проблемы обеспечения гомогенного распределения выгорающего поглотителя по объему таблетки с обеспечением размера зерна на уровне ˜25÷50 мкм является перспективной задачей. Решение данной задачи позволит внедрить в эксплуатацию на АЭС тепловыделяющие сборки нового поколения, обеспечивающие повышение эксплуатационного ресурса, глубины выгорания и эксплуатационной надежности, что позволит реализовать безопасные, экономически эффективные и гибкие, с точки зрения потребностей АЭС, топливные циклы.

Введение эрбия в топливные таблетки в виде оксида эрбия (Er₂О₃), как это реализуется в существующих мировых технологиях изготовления уран-эрбиевого топлива, не может обеспечить в спеченных таблетках гомогенное распределение эрбия, так как термическая диссоциация оксида эрбия проходит при температуре около 2000°С, то есть при температуре спекания топливных таблеток (1750°С) частицы оксида эрбия в материале таблеток не растворяются. Более того, нерастворившиеся частицы оксида эрбия подавляют рост зерна в таблетке даже при добавлении в нее оксидов, обуславливающих при спекании активный рост зерна в таблетках (Яшин С.А. и др. Развитие технологий изготовления ядерного топлива на ОАО «УМЗ». Материалы Международной научно-технической конференции "Атомная энергия и топливные циклы", Москва - Димитровград, 1-5 декабря 2003 г., с.94).

В связи с этим обеспечение роста зерна до уровня ˜25÷50 мкм в таких таблетках ядерного уран-эрбиевого керамического топлива затруднено.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является таблетка ядерного топлива, содержащая спрессованный и спеченный порошок смеси диоксида урана (UO₂) с добавкой оксида эрбия (Er₂O₃) (см. патент RU №2157568 от 10.10.2000 г., МПК 21 С 3/62).

В известной таблетке ядерного топлива содержание оксида эрбия в ядерном топливе составляет от 0,46 до 0,64 вес.% по эрбию. Оксид эрбия (Er₂О₃) входит в состав таблетки в виде порошка, который на этапе подготовки пресс-порошка смешивается с порошком диоксида урана (UO₂) совместно со стандартным пластификатором. Готовую смесь с пластификатором подвергают двукратной грануляции, полученный пресс-порошок прессуют в «сырые» таблетки, «сырые» таблетки спекают при температуре 1720°С в течение 4 часов. При этом получают таблетки с размером зерен в диапазоне 10÷20 мкм.

Недостатком таблетки является размер зерна на уровне 10÷20 мкм, не соответствующий перспективным требованиям. Введение в состав таблетки оксида эрбия в виде порошка не может обеспечить гомогенное распределение эрбия по объему топливной таблетки, в связи с чем рост зерна в такой таблетке до уровня перспективного (25÷50 мкм) не может обеспечить и легирование диоксида урана оксидными добавками, так как нерастворившиеся частицы оксида эрбия препятствуют росту зерна в топливных таблетках при спекании.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание таблетки ядерного уран-эрбиевого керамического топлива, имеющей гомогенное распределение эрбия в таблетке и размер зерна в диапазоне 25÷50 мкм.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в том, что повышается выгорание топлива, уменьшается расход ядерного топлива на единицу выработанной энергии и сокращается объем отработавшего ядерного топлива.

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известной уран-эрбиевой таблетки в предлагаемой таблетке эрбий входит в ее состав не в виде оксида эрбия, а в виде растворимого в диоксиде урана (UO₂) азотнокислого раствора эрбия в количестве от 0,36 до 0,64 вес.% по эрбию совместно с добавкой из порошка оксида алюминия (Al₂O₃) с порошком одного из оксидов следующего ряда: TiO₂, Nb₂O₅, SiO₂, CaO, MgO либо только с одной из добавок минеральных алюмосиликатов: каолином, метакаолином, галлаузитом, монтмориллонитом, вермикулитом. Количество добавки оксида алюминия (Al₂O₃)и одного из оксидов указанного ряда либо только одной добавки из минеральных алюмосиликатов составляет 0,0020÷0,10 вес.% каждого элемента по отношению к урану при соотношении: 40-85% Al - для оксида алюминия, остальное - оксидообразующий элемент из указанного ряда оксидов.

При спекании таблетки предлагаемого состава обеспечивается рост зерна в диапазоне 25÷50 мкм. Плотность таблетки при этом может регулироваться от 10,00 до 10,80 г/см³ при гарантированной открытой пористости не более 0,3% и термической стабильности ее геометрических размеров в диапазоне 0,1÷0,3%.

Введение эрбия в виде растворимого в диоксиде урана (UO₂) азотнокислого раствора эрбия обеспечивает гомогенное распределение эрбия в таблетке при спекании. Данный результат достигается в результате того, что термическая диссоциация азотнокислого раствора при спекании топливной таблетки начинается при температуре 250°С и выше, при этом обеспечивается гомогенное распределение эрбия по объему таблетки без образования частиц оксида эрбия.

Применение предлагаемой таблетки ядерного уран-эрбиевого керамического топлива позволит уменьшить выход газообразных продуктов деления под оболочку твэла, повысить выгорание топлива, уменьшить расход ядерного топлива на единицу выработанной энергии и сократить объем отработавшего ядерного топлива, т.е. достичь названных технических результатов.

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в следующем. Таблетка содержит в составе эрбий не в виде оксида эрбия (Er₂О₃), а в виде азотнокислого раствора, что обеспечивается введением в порошок диоксида урана (UO₂) на стадии приготовления пресс-порошка азотнокислого раствора эрбия, растворимого в диоксиде урана (UO₂). Кроме этого, в состав таблетки также на стадии приготовления пресс-порошка вводятся активизирующие рост зерна добавки из порошка оксида алюминия (Al₂O₃) с порошком одного из оксидов следующего ряда: TiO₂, Nb₂O₅, SiO₂, СаО, MgO либо вводится только одна добавка минерального алюмосиликата (каолин, метакаолин, галлаузит, монтмориллонит, вермикулит). Данный способ приготовления таблетки обеспечивает получение таблеток с содержанием по Er 0,36-0,64 вес.%. Таким образом, без введения эрбия в виде азотнокислого раствора в состав предлагаемой таблетки совместно с оксидными добавками или минеральными алюмосиликатами указанные выше технические результаты не могут быть реализованы из-за отсутствия условий гомогенного распределения эрбия по объему таблетки.

Пример осуществления

Пример 1. Необходимо получить таблетки ядерного топлива с добавкой эрбия. Заданное содержание добавки по эрбию составляет 0,36±0,03%. Средний размер зерна в спеченной таблетке необходимо получить на уровне 25±1 мкм, открытую пористость на уровне 0,2±0,1%, плотность таблетки 10,57÷10,65 г/см³. Для этой цели на стадии приготовления пресс-порошка готовили в вибромельнице смесь порошка диоксида урана (UO₂) и необходимого количества азотнокислого раствора эрбия, растворимого в диоксиде урана (UO₂), совместно со стандартным пластификатором и минеральной алюмосиликатной добавкой в виде каолина [Al₂(OH)₄(Si₂O₅)]. Количество каолина рассчитывается из необходимого содержания в таблетке алюминия (0,0020 вес.%) и кремния (0,0020 вес.%) по отношению к урану.

Приготовление пресс-порошка из полученной смеси массой 750 г (по UO₂) осуществляли путем уплотнения с мелющими телами и грануляции без мелющих тел в вибромельнице в течение 30 минут.

Приготовленный пресс-порошок формовали в «сырые» таблетки, которые спекали в высокотемпературной печи при температуре 1750°С в течение 4 часов и подвергали штатным доводочным и контрольным операциям. При этом получали таблетки со средним размером зерна 25,5±0,5 мкм, открытой пористостью 0,15±0,05%, плотность таблеток составила 10,60±0,03 г/см³, термическая стабильность геометрических размеров - 0,15±0,05%.

Пример 2. Необходимо получить таблетки ядерного топлива с добавкой эрбия. Заданное содержание добавки по эрбию составляет 0,39±0,03%. Средний размер зерна в спеченной таблетке необходимо получить на уровне 30±2 мкм, открытую пористость на уровне 0,2±0,1%, плотность таблетки 10,00÷10,15 г/см³. Для этой цели на стадии приготовления пресс-порошка готовили в вибромельнице смесь порошка диоксида урана (UO₂) и необходимого количества азотнокислого раствора эрбия, растворимого в диоксиде урана (UO₂) совместно с порошками оксида алюминия (Al₂O₃) и оксида титана (TiO₂), после чего в полученную смесь вводили стандартный пластификатор.

Количество диоксида урана (UO₂) составляло 750 г, добавки оксида алюминия (Al₂О₃) и оксида титана (TiO₂) рассчитывали из необходимого содержания в таблетке алюминия (0,0110 вес.%) и титана (0,0020 вес.%) по отношению к урану.

Приготовленный аналогично примеру 1 пресс-порошок формовали в «сырые» таблетки, которые спекали в высокотемпературной печи при температуре 1750°С в течение 4 часов и подвергали штатным доводочным и контрольным операциям. При этом получали таблетки со средним размером зерна 30±0,5 мкм, открытой пористостью 0,20±0,05%, плотность таблеток составила 10,10±0,03 г/см³, термическая стабильность геометрических размеров - 0,20±0,05%.

Пример 3. Необходимо получить таблетки ядерного топлива с добавкой эрбия. Заданное содержание добавки по эрбию составляет 0,41±0,03%. Средний размер зерна в спеченной таблетке необходимо получить на уровне 40±3 мкм, открытую пористость на уровне 0,2±0,1%, плотность таблеток в пределах 10,65÷10,75 г/см³. Для этой цели на стадии приготовления пресс-порошка готовили в вибромельнице смесь порошка диоксида урана (UO₂) и необходимого количества азотнокислого раствора эрбия, растворимого в диоксиде урана (UO₂) совместно с порошками оксида алюминия (Al₂O₃) и оксида ниобия (Nb₂O₅), после чего в полученную смесь вводили стандартный пластификатор.

Количество диоксида урана (UO₂) составляло 750 г, добавки оксида алюминия (Al₂O₃) и оксида ниобия (Nb₂O₅) рассчитывали из необходимого содержания в таблетке алюминия (0,0250 вес.%) и ниобия (0,020 вес.%) по отношению к урану.

Операции приготовления пресс-порошка, прессования и спекания таблеток идентичны представленным в предыдущих примерах. При этом получали таблетки со средним размером зерна 40±0,5 мкм, открытой пористостью 0,20±0,02%, плотность таблеток составила 10,68±0,03 г/см³, термическая стабильность геометрических размеров - 0,25±0,05%.

Пример 4. Необходимо получить таблетки ядерного топлива с добавкой эрбия. Заданное содержание добавки по эрбию составляет 0,64±0,03%. Средний размер зерна в спеченной таблетке необходимо получить на уровне 50±1 мкм, открытую пористость на уровне 0,2±0,1%, плотность таблетки в пределах 10,70÷10,80 г/см³. Для этой цели на стадии приготовления пресс-порошка готовили в вибромельнице смесь порошка диоксида урана (UO₂) и необходимого количества азотнокислого раствора эрбия, растворимого в диоксиде урана (UO₂) совместно с порошками оксида алюминия (Al₂O₃) и оксида кальция (СаО), после чего в полученную смесь вводили стандартный пластификатор.

Количество диоксида урана (UO₂) составляло 750 г, добавки оксида алюминия (Al₂О₃) и оксида кальция (СаО) рассчитывали из необходимого содержания в таблетке алюминия (0,040 вес.%) и кальция (0,060 вес.%) по отношению к урану.

Операции приготовления пресс-порошка, прессования и спекания таблеток идентичны представленным в предыдущих примерах. При этом получали таблетки со средним размером зерна 50±0,5 мкм, открытой пористостью 0,24±0,02%, плотность таблеток составила 10,77±0,03 г/см³, термическая стабильность геометрических размеров - 0,15±0,05%.

1. Таблетка ядерного уран-эрбиевого керамического топлива, содержащая спрессованный и спеченный порошок диоксида урана (UO₂), отличающаяся тем, что эрбий входит в состав таблетки в смеси с порошком диоксида урана (UO₂) в виде растворимого в диоксиде урана (UO₂) азотно-кислого раствора в количестве от 0,36 до 0,64 вес.% по эрбию совместно с добавкой из порошка оксида алюминия (Al₂O₃) с порошком одного из оксидов следующего ряда: TiO₂, Nb₂O₅, SiO₂, CaO, MgO, либо только одна добавка минеральных алюмосиликатов: каолин, метакаолин, галлаузит, монтмориллонит, вермикулит.

2. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что содержит добавку оксида алюминия и одного из оксидов указанного ряда, либо минеральной алюмосиликатной добавки в количестве 0.0020÷0.10 вес.% каждого элемента по отношению к урану при соотношении: 40÷85% Al - для оксида алюминия, остальное - оксидообразующий элемент из указанного ряда оксидов.

3. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что в зависимости от выбора вида оксидной или минеральной алюмосиликатной добавки из указанных рядов, размер зерна таблетки составляет - 25÷50 мкм, при плотности таблетки от 10,0 до 10,8 г/см³ и сохранении термической стабильности ее геометрических размеров в пределах 0,1÷0,3%.

4. Таблетка по п.1, отличающаяся тем, что эрбий, входящий в состав таблетки в виде азотно-кислого раствора, гомогенно распределен по объему таблетки без образования не растворяющихся частиц оксида эрбия.