Уран-гадолиниевое ядерное топливо и способ его получения

Изобретение относится к атомной промышленности, в частности к изготовлению таблетированного топлива из диоксида урана для тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов включает приготовление легирующей композиции, содержащей 5…10% Al(ОН)₃+30…40% Gd(OH)₃, остальное UO₂, смешение порошка диоксида урана с пластификатором и легирующей композиции в количествах, обеспечивающих в конечной смеси (пресс-порошке) содержание Al(ОН)₃ и Gd(OH)₃ соответственно от 0,5 до 2,0 мас.% и от 3,0 до 8,0 мас.%, прессование таблеток из полученного пресс-порошка и их спекание. Технический результат - получение таблетированного топлива с размером зерна диоксида урана 30-50 мкм и с долей открытых пор менее 0,3%. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано для получения ядерного уран-гадолиниевого оксидного топлива, предназначенного для изготовления тепловыделяющих сборок атомных реакторов на тепловых нейтронах.

К ядерному топливу современных атомных реакторов предъявляют высокие требования, в частности по повышению эффективности топливоиспользования, что может быть достигнуто за счет увеличения глубины его выгорания при эксплуатации до 70-100 МВт·сут/кг U.

Повышение глубины выгорания топлива (более 60 МВт·сут/кг U) приводит к образованию специфической микроструктуры с образованием субзерен (уменьшается эффективный размер зерна) и образованием укрупненных газовых пузырьков по границам зерен (так называемая «rim»-структура), что приводит к повышенному выходу газообразных продуктов деления (ГПД), тем самым ухудшая работоспособность ТВЭЛов.

Возможным путем решения этой проблемы является использование топлива с повышенным размером зерна и оптимизированной структурой пористости.

Существующие требования для уран-гадолиниевого оксидного топлива предполагают средний размер зерна 10-20 мкм, объемную долю открытых пор (ОДОП) менее 1%, кислородный коэффициент (атомное отношение кислорода к урану) 2,000-2,01. Перспективные требования: средний размер зерна 35-45 мкм и более, ОДОП менее 0,5%, кислородный коэффициент 2,000-2,005. Увеличение размера зерна приведет к эффективному уменьшению выхода ГПД, а при правильно выбранных добавках и их количествах к корректировке пористости и кислородного коэффициента к снижению взаимодействия между таблеткой ядерного топлива и оболочкой, и в результате обеспечит надежную работу ТВЭЛа при повышенных выгораниях. Таким образом, увеличивая размер зерна таблеток, необходимо оптимизировать и пористость для обеспечения требуемых прочностных характеристик таблеток. Кроме того, введение легирующих добавок должно нивелировать отрицательное влияние оксида гадолиния (большая хрупкость и гигроскопичность, по сравнению с топливом из диоксида урана без оксида гадолиния). В последнее время ведутся работы по оптимизации состава и структуры материала.

Известна таблетка ядерного топлива (патент США 4869866), структура которой включает в себя кристаллические зерна на основе диоксида урана размером 30-80 мкм и аморфную стекловидную алюмосиликатную фазу, покрывающую большинство зерен диоксида урана, причем количество стекловидной фазы составляет от 0,1 до 0,8% масс, а содержание Al₂O₃ в ней от 10 до 20% масс, остальное SiO₂. Атомное отношение кислорода к урану составляет от 1,7 до 2,25, а пористость от 2 до 10%.

Недостатком известной таблетки является наличие большого количества аморфной алюминосиликатной фазы по границам зерен UO2, что повышает суммарный борный эквивалент и, соответственно, увеличивает паразитное поглощение нейтронов в ядерном топливе. Кроме того, аморфная стекловидная фаза алюминосиликата из-за градиента температур в топливе при эксплуатации может перераспределяться по объему таблетки, что приводит к образованию пустот и трещин и повышению выхода ГПД под оболочку ТВЭЛа.

Известна таблетка ядерного топлива, содержащая диоксид урана с добавками оксида гадолиния или оксида эрбия и алюмосиликатов в стекловидном или кристаллическом состоянии (патент США 5257298). Количество алюмосиликатной фазы в таблетках составляет от 0,001 до 0,05% масс, при содержании SiO₂ от 40 до 80% масс, остальное Al₂O₃. Оксид гадолиния или оксид эрбия в виде твердого раствора с диоксидом урана равномерно распределен по всему объему таблетки, причем содержание Gd₂O₃ составляет от 0,3 до 10,0% от массы диоксида урана, а содержание оксида эрбия, который также в виде твердого раствора с диоксидом урана равномерно распределен по всему объему таблетки, составляет от 0,3 до 0,8% от массы диоксида урана.

Недостатком данной таблетки является невысокая эксплуатационная надежность ТВЭЛов при работе тепловыделяющих сборок как в штатном, так и в переходных режимах работы. Это, в частности, связано с тем, что наличие алюмосиликатной добавки в топливе не позволяет уменьшить механическое взаимодействие топлива и оболочки ТВЭЛов

Этот способ является наиболее близким к предлагаемому в настоящей заявке способу.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение глубины выгорания ядерного топлива при его эксплуатации до 80-100 МВт·сут/кг U за счет введения в топливо добавок, повышающих размер зерна, корректирующих пористость и кислородный коэффициент, что позволит существенно повысить эффективность топливоиспользования современных АЭС.

Поставленная задача решается за счет легирования диоксида урана гидроксидом алюминия и гидроксидом гадолиния, равномерно распределенных по всему объему таблетки, без образования легкоплавкой эвтектики, причем по отношению к диоксиду урану содержание гидроксида алюминия составляет от 0,5 до 2,0% масс, а и гидроксида гадолиния - соответственно от 3,0 до 8,0% масс. Для обеспечения равномерности распределения легирующие добавки вводятся в диоксид урана в виде легирующей композиции UO₂+(5…10)% Al(OH)₃+(30…40)%Gd(OH)₃, что обеспечивает примерно одинаковые объемные содержания указанных веществ в порошковой смеси.

Наноразмерные порошки гидроксидов алюминия и гадолиния получают методом химического осаждения (химического диспергирования) из предельно разбавленных хлоридных (азотнокислых) растворов. Полученные осадки промывают до полной отмывки ионов растворенной соли, сушат при комнатной температуре в течение 48 часов

В соответствии со способом полученные наноразмерные порошки направляют на операцию предварительного смешивания с порошком диоксида урана для получения легирующей композиции.

Далее готовят однородную смесь порошков диоксида урана, легирующей композиции с сухой смазкой в виде стеарата цинка, выполняющего дополнительно функцию связки, проводят прессование таблеток из пресс-порошка и их высокотемпературное спекание.

Как следует из изложенного выше, сущность изобретения заключается в том, что найдены комбинации легирующих композиций, определены концентрации входящих в них компонентов, введение которых в топливные таблетки позволяет существенно повысить размер зерна диоксида урана как за счет активации диффузионных процессов в материале таблетки при спекании, так и за счет повышенного массопереноса ураносодержащих компонентов по механизму "испарение-конденсация".

Техническим результатом заявляемого изобретения является:

- размер зерна диоксида урана: 30-50 мкм;

- доля открытых пор: менее 0,3%.

Пример 1.

Порошки порошки гидроксидов гадолиния и алюминия и диоксида урана взвешивают с точностью до 0,01 г и засыпаются в рабочую емкость смесителя в массовом соотношении UO₂+5…10%Al(OH)₃+30…40% Gd(OH)₃, после чего проводят смешивание в течение 1-1,5 ч при скорости вращения рабочей емкости 30-70 об/мин.

Полученную легирующую композицию направляют на смешивание со стеаратом цинка и порообразователем, предварительно просеянным через сетку соответственно 0,63-0,8 мм и 0,04-0,063 мм. Смешивание проводят в двухконусном смесителе или смесителе типа "пьяная бочка" в течение 0,5-1,0 ч при скорости вращения 30-70 об/мин. Количества UO₂ и легирующей композиции должно обеспечить содержание в пресс-порошке Al(OH)₃ от 0,5 до 2,0% масс, a Gd(OH)₃ - соответственно от 3,0 до 8,0% масс.Полученную смесь (пресс-порошок) рассевают на сетке 0,63-0,8 мм для удаления крупных агломератов.

Пресс-порошок прессуют при давлении 60-300 МПа на роторном или механическом автоматическом прессе.

Предварительное спекание таблеток проводят в атмосфере водорода при температуре 450-650°C.

Окончательное спекание таблеток осуществляют в печи с температурой зоны предварительного прогрева 400-900°C и температурой рабочей зоны 1700-1770°C.

1. Состав исходной шихты для получения топливной таблетки на основе UO₂, содержащей от 0,5 до 2,0 мас.% гидроксида алюминия и от 3 до 8 мас.% гидроксида гадолиния.

2. Способ получения топливной таблетки на основе диоксида урана, включающий приготовление легирующей композиции, содержащей гидроксид алюминия в количестве 5-10 мас.%, гидроксид гадолиния в количестве 30-40 мас.%, остальное UO₂, смешивание легирующей композиции с твердой инертной смазкой и UO₂, прессование смеси и спекание таблеток.