Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов


 


Владельцы патента RU 2504032:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU)

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в технологии производства спеченных керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов. Для прессования таблеток используют смесь порошка диоксида урана, приготовленного по одной из известных технологий, с удельной поверхностью частиц 2,0-2,2 м2/г, ультрадисперсного порошка UO2 с удельной поверхностью 10,5-11 м2/г и нанокристаллических порошков оксидов Gd2O3, ТiO2, Nb2O5, Аl2О3, Сr2О3. Содержание ультрадисперсного порошка UO2 в смеси - 5-10 % масс., нанокристаллических оксидных порошков Gd2O3 - 3-5 % масс., других оксидов - 0,02-0,1 % масс. Такое топливо существенно превосходит стандартное по показателю среднего размера зерна (25-60 мкм вместо 10-20 мкм). Технический результат - увеличение глубины выгорания топлива при его эксплуатации за счет увеличения зерна топливных таблеток, улучшение его технологических и эксплуатационных свойств за счет увеличения пластичности и, как следствие, повышение надежности работы тепловыделяющих элементов. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в технологии производства спеченных керамических топливных таблеток для ядерных реакторов, содержащих делящиеся материалы.

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.

С повышением глубины выгорания топлива в периферийной области таблетки начинает образовываться специфическая микроструктура 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) даже в условиях снижения линейной нагрузки, тем самым ухудшается работоспособность тепловыделяющих элементов.

Возможным путем решения этой проблемы является использование топлива с увеличенным размером зерна.

При производстве топливных таблеток для ядерных реакторов используются такие операции как подготовка пресс-порошка диоксида урана, прессование таблеток, их спекание и шлифование.

В настоящее время существует несколько способов получения топливных таблеток, описанных в монографии [1]. Среди них известен способ получения топливных таблеток, в котором порошок диоксида урана получают через аммонийуранилтрикарбонат (АУК-процесс). К недостаткам этого способа следует отнести низкую плотность прессованных таблеток, близкую к нижнему пределу - около 10.4 г/см3, а также высокую температуру спекания полученных таблеток.

Кроме того, известен способ получения топливных таблеток, в котором порошок диоксида урана получают через полиуранат аммония (АДУ-процесс) [1]. Полученный порошок с размером частиц от 4 до 30 мкм прессуют в таблетки, спекают и шлифуют. Недостатком данного способа является неоптимальный (не более 10-20 мкм) средний размер зерен таблеток, что приводит к неполному по глубине выгоранию и неиспользованию ресурса тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) в полном объеме.

Известен способ изготовления керамических топливных таблеток ядерных реакторов [2] в котором используют особые свойства ультрадисперсного (нано-) состояния вещества, в числе которых развитая удельная поверхность и большая запасенная внутренняя энергия [3], путем добавки ультрадисперсного (нанокристаллического) порошка (УД) диоксида урана в количестве от 5-10 до 30% в смесь для прессования таблеток, что приводит к увеличению размера зерна до 30 мкм при спекании, либо к снижению температуры спекания при сохранении стандартного размера зерна.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является способ получения ядерного уран-гадолиниевого топлива высокого выгорания на основе диоксида урана [4], в котором применяют добавки микрокристаллических порошков оксидов алюминия и хрома, при производстве топливных таблеток с выгорающим поглотителем Gd2O3, что приводит к росту размера зерна и увеличению глубины выгорания топлива. Недостатком данного способа является недостаточно большой размер зерна получаемых таблеток (20-25 мкм), что приводит к неполному выгоранию топлива в процессе эксплуатации вследствие распухания и разрушения топливных таблеток.

Технический результат, на который направлено изобретение, заключается в увеличении глубины выгорания и продлении топливной кампании уран-гадолиниевых таблеток на сроки более 5 лет.

Указанный технический результат достигается за счет увеличения размера зерна топливных таблеток путем введения в исходную смесь для прессования таблеток добавок оксидных нанокристаллических порошков. В предлагаемом способе изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов, включающем прессование и спекание из порошка диоксида урана, к стандартному порошку UO2 с удельной поверхностью частиц 2,0-2,2 м /г до прессования добавляют ультрадисперсный порошок UO2 с удельной поверхностью 10,5-11,0 м2/г, в количестве 5-10% масс., и нанокристаллический порошок оксида Gd2O3 от 3 до 5% масс., затем в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксидов 3-х, 4-х и 5-ти зарядных металлов. Частицы ультрадисперсного порошка диоксида урана (УД), средний размер которых не превышает длину диффузии вакансии урана за время выдержки спрессованной таблетки при температуре спекания, и частицы оксидных нанопорошков, окружающие более крупные частицы стандартного порошка (Ст), играют роль диффузионных мостов между ними. Их диффузионное сцепление обеспечивается не только пятнами взаимного контакта, но и нанокристаллическими частицами. При этом для заполнения пустот в частицах Ст порошка мелкими частицами УД порошка UO2 и нанокристаллических порошков оксидов металлов необходимо содержание в смеси нанокристаллического порошка UO2 до 5-10%, а оксидных порошков до 0,02-0,1% (в зависимости от частных случаев добавок). Добавки меньших количеств нанопорошков не дают заметного эффекта по увеличению зерна, а превышение указанных диапазонов влечет недопустимое снижение плотности получаемых таблеток.

При этом, в частном случае предлагаемого способа в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксидов 3-зарядных металлов, в качестве которых используют Al2O3 от 0,012 до 0,015% масс, и Сr2O3 от 0,006 до 0,015%.

В другом частном случае в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки 4-зарядного металла, в качестве которого используют ТiO2 от 0,012 до 0,015% масс.

В другом частном случае в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки 5-зарядного металла, в качестве которого используют ND2O5 от 0,006 до 0,015% масс.

В другом частном случае в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют совокупность нанокристаллических порошков 3-, 4- и 5-зарядных металлов, а именно: Al2O3 от 0,012 до 0,015% масс, Сr2O3 от 0,006 до 0,015%, ТiO2 от 0,012 до 0,015% масс., Nb2O5 от 0,006 до 0,015% масс.

Далее приведены примеры реализации предлагаемого способа.

Во всех приведенных ниже примерах порошки перед прессованием смешивали в течение 3 часов в смесителе типа «пьяная бочка» (п=15 об/мин).

УД порошок диоксида урана получали методом осаждения полиураната аммония (ПУА) при температуре 50-55°С из раствора уранилнитрата с концентрацией урана 75 г/дм. Осаждение проводили по методу "последней капли" - совместным сливанием аммиачной воды и раствора нитрата уранила в буферный раствор. Значение рН системы поддерживали в диапазоне 3,5-8,5. Осаждение длилось 0,5 часа, агитация пульпы 0,5 часа. Отфильтрованный осадок ПУА промывали в дистиллированной воде, сушили на воздухе и прокаливали при температуре 650°С до закиси-окиси урана. Порошок диоксида урана получали путем восстановления ПУА при температуре 650°С в токе водорода.

При синтезе однофазных нанокристаллических оксидных порошков (за исключением готовых реактивов Nb2O5 марки «ЧДА») использовалась следующая методика: исходные растворы солей металлов осаждались водным раствором NH4OH при рН 9-10. Полученные осадки промывали дистиллированной водой, сушили при 90°С в течение 10-12 ч. Высушенные осадки растирали в агатовой ступке. Далее прекурсоры подвергали изотермическому отжигу при температуре 600°С в течение 3 ч.

Физико-химические характеристики Ст и УД диоксида урана и нанокристалличе-ских порошков оксидов Gd2O3, ТiO2, Nb2O5, Al2O3, Сr2Oз приведены в таблице 1.

Предварительную смесь, общую для всех примеров, готовили смешивая УД порошок UO2 в количестве 5% масс, стандартный UO2 и порошок Gd2O3 в количестве 5% масс.

В первом примере в предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляли нанокристаллические порошки Al2O3 в количестве 0,015% масс, и Сr2О3 в количестве 0,006% масс.

Во втором примере в предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляли нанокристаллический порошок ТiO2 в количестве 0,015% масс.

В третьем примере в предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляли нанокристаллический порошок Nb2O5 в количестве 0,006% масс.

В четвертом примере в предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляли нанокристаллические порошки всех вышеперечисленных оксидов в вышеуказанных соотношениях.

После этого полученные смеси прессовали в таблетки по стандартной технологии и спекали при температуре 1750°С.

Составы смесей получаемых таблеток представлены в таблице 2.

На основании данных измерений микроструктуры топливных таблеток с помощью растровой электронной микроскопии установлено, что добавки нанокристаллических порошков Gd2O3, Al2O3, Сr2О3, ТiO2, Nb2O5 увеличивают рост зерна в 2-3 раза, по сравнению с исходным UO2.

Введение добавок нанокристаллических порошков увеличивает также пластичность таблетки, что положительно влияет на эксплуатационные свойства тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ).

На основании проведенных исследований определены условия изготовления модифицированного ядерного топлива:

- доля ультрадисперсных (нанокристаллических) порошков U02 в составе таблеток не должна превышать 5-10%, т.к. при их большей концентрации плотность исходной смеси значительно отличается от теоретической и для прессования потребуется либо высокие давления, либо экстремально высокие скорости;

- основой исходной смеси порошков должны быть крупнокристаллические порошки диоксида урана, производимые на предприятиях атомной отрасли Российской Федерации (ОАО ТВЭЛ), для которых создано технологическое оборудование;

- количество добавки оксида гадолиния должно быть в диапазоне 3-5% масс, чтобы она растворилась в основной фазе диоксида урана;

Таким образом, приведенные примеры показывают, что ядерное уран-гадолиниевое топливо, выполненное в соответствии с частными случаями изобретения (добавки нанокристаллических порошков оксидов ТiO2, Nb2O5, Al2O3, Сr2O3 или их совокупности), существенно превосходит стандартное топливо по показателю среднего размера зерна - 25-63 мкм (вместо 10-20 мкм). Практическое использование предлагаемого топлива позволит существенно повысить надежность ТВЭЛов при работе атомных электростанций как в штатных, так и переходных режимах, и повысить глубину выгорания такого топлива. Кроме того, технологические и эксплуатационные свойства легированного топлива улучшаются за счет увеличения пластичности (снижение сопротивления деформированию), повышая тем самым надежность работы тепловыделяющих сборок.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, (1995).

2. Петрунин В.Ф., Малыгин В.Б., Федотов А.В. и др. Способ изготовления керамических топливных таблеток ядерных реакторов, патент РФ №2186431, (2002).

3. Морохов И.Д., Петинов В.И., Петрунин В.Ф. и др. Успехи физических наук, т.133, (1981).

4. Лысиков А.В., Кулешов А.В., Самохвалов А.Н. Ядерное уран-гадолиниевое топливо высокого выгорания на основе диоксида урана и способ его получения, патент РФ №2362223, (2009).

Таблица 1
Порошок Удельная поверхность, м2 Плотность, г/см3 Размер кристаллитов (ОКР), нм Фазовый состав
Gd2O3 29,8 2,01 13 Кубический Gd2O3
Аl2O3 33,12 0,86 5 Кубический γ-Аl2O3
Cr2O3 13,3 0,93 29 Эсколаит
TiO2 16,2 1,13 29 Анатаз
Nb2O5 3,2 0,92 49 Моноклинный Nb2O5
UO2 (УД) 11,0 1,65 46 Кубический UO2
UO2 (Ct) 2,2 1,97 - Кубический UO2
Таблица 2
Образец Средний размер зерна, [мкм]
UO2 (Ст) + 5% UO2 (УД) + 5% Gd2O3 + Аl2O3 (0,015% масс. А1) + Сr2O3 (0,006% масс. Сr) 40,39
UO2 (Ст) + 5% UO2 (УД) + 5% Gd2O3 + ТiO2 (0,015% масс. Ti) 28,11
UO2 (Ст) + 5% UO2 (УД) + 5% Gd2O3 + Nb2O5 (0,006% масс. Nb) 26,3
UO2 (Ст) + 5% UO2 (УД) + 5% Gd2O3 + Nb2O5 (0,006% масс.Nb) + Al2O3 (0,015% масс. Al) + Cr2O3 (0,006% масс. Сr) + ТiO2 (0,015% масс. Ti) 63,09

1. Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов, включающий прессование и спекание из порошка диоксида урана, отличающийся тем, что до прессования к стандартному порошку UO2 с удельной поверхностью частиц 2,0-2,2 м2/г добавляют ультрадисперсный порошок UO2 с удельной поверхностью 10,5-11,0 м2/г в количестве 5-10 мас.%, и нанокристаллический порошок оксида Gd2O3 от 3 до 5 мас.%, затем в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксидов 3-, 4- и 5-зарядных металлов или совокупность оксидов 3-, 4- и 5-зарядных металлов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксидов 3-зарядных металлов, в качестве которых используют Al2O3 от 0,012 до 0,015 мас.%, и Cr2O3 от 0,006 до 0,015 мас.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксида 4-зарядного металла, в качестве которого используют ТiO2 от 0,012 до 0,015 мас.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксида 5-зарядного металла, в качестве которого используют Nb2O5 от 0,006 до 0,015 мас.%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют совокупность нанокристаллических порошков оксидов 3-, 4- и 5-зарядных металлов, в качестве которых используют Al2O3 от 0,012 до 0,015 мас.%, Cr2O3 от 0,006 до 0,015 мас.%, TiO2 от 0,012 до 0,015 мас.%, и Nb2O5 от 0,006 до 0,015 мас.%.



 

Похожие патенты:

Контейнер предназначен для размещения в нем заготовок стержней сердечников твэлов при горячем изостатическом прессовании и может быть использован при изготовлении твэлов ядерных реакторов различного назначения.

Изобретение относится к области атомной техники и может быть использовано при изготовления топливного материала для тепловыделяющих элементов (твэлов) исследовательских ядерных реакторов.

Изобретение относится к производству тепловыделяющих твэлов ядерного реактора. .

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов) для энергетических ядерных реакторов.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при снаряжении оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) ядерным топливом в виде таблеток. .

Изобретение относится к устройству установки пружин в трубчатой оболочке для реализации стержневых тепловыделяющих элементов ядерных реакторов. .

Изобретение относится к защитному кожуху топливной оболочки, способу изготовления топливных стержней и устройству для его осуществления. .
Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение на предприятиях по изготовлению тепловыделяющих элементов для энергетических ядерных реакторов.

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение при изготовлении оболочек тепловыделяющих элементов для ядерных энергетических реакторов. .

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к конструкции тепловыделяющих элементов и технологии их изготовления, и может быть использовано для изготовления тепловыделяющих элементов ядерных реакторов с топливом высокого обогащения.
Изобретение относится к способу получения сферических частиц горючего или ядерного топлива из оксида группы тяжелых металлов урана, плутония или их смесей. .

Изобретение относится к ядерной энергетике и касается технологии получения смешанного диоксида урана и плутония (UO 2-PuO2) для изготовления ядерного топлива. .

Изобретение относится к ядерной энергетике и касается технологии получения оксидов урана для изготовления ядерного топлива для атомных станций. .

Изобретение относится к области ядерной технологии и может найти применение на предприятиях по изготовлению таблетированного ядерного топлива для энергетических реакторов.

Изобретение относится к области получения ТВЭЛ для атомных электростанций и может быть использовано в технологии изготовления ядерного керамического топлива с введением жидкой смазки.

Изобретение относится к области атомной техники. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению гранул и порошков диоксида урана. .
Изобретение относится к области атомной энергетики и используется при производстве керамического ядерного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Изобретение относится к способу приготовления оксалатов актиноидов. Способ включает осаждение одного актиноида или соосаждение большего числа актиноидов в форме частиц оксалата в псевдоожиженном слое приведением в контакт водного раствора, содержащего актиноид или актиноиды, с водным раствором щавелевой кислоты или соли щавелевой кислоты и сбор частиц оксалата. Изобретение обеспечивает получение оксалатов актиноидов в форме порошков с высокими гранулометрическими и морфологическими характеристиками. 2 н. и 14 з. п. ф-лы, 9 ил., 2 пр.
Наверх