10.3. Урановое оксидное керамическое топливо.

В твэлах двуокись урана применяют в виде стержней, втулок, коротких цилиндриков и пластин. Для изготовления таких изделий используют, как правило, процессы прессования и спекания. Некоторые изделия получают горячим прессованием и шликерным литьем.

Большое применение находят твэлы, в которых керамический сердечник в металлической оболочке уплотняется методом вибрации, волочения или ротационной ковки.

10.3.1. Холодное прессование.

Этот метод включает в себя следующие основные операции: подготовку порошка UO₂, прессование, спекание и шлифовку. Используется, прежде всего, для формирования цилиндрических брикетов, втулок и пластин. Технологический процесс прессования складывается из следующих операций:

• размол исходного порошка,

• перемешивание с органической связкой,

• грануляция,

• сушка,

• просев,

• прессование.

При подготовке порошка UO₂ к нему добавляют органические связки, позволяющие получать достаточную прочность изделия, проводят гранулирование с выдавливанием через сито, вводят смазку для облегчения брикетирования и уменьшения износа штампов.

В качестве связующих веществ используют поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль, парафин и некоторые другие соединения. Для равномерного распределения связки в объеме порошка их используют в виде раствора. Хорошие результаты при прессовании порошка UO₂ были получены при использовании связки следующего состава: 1-5% парафина, 1-5% полиэтиленгликоля, 0-3% стеариновой кислоты, растворитель CCl₄.

Предварительную грануляцию порошка проводят прессованием брикетов при давлении 1,4 т/см² с последующим их протиранием через сито с ячейкой 0,8 мм. Грануляцией обеспечивают высокую текучесть порошка и постоянство его насыпного веса. Это позволяет поддерживать высокую производительность, до 20 брикетов в минуту.

В качестве смазки – используют производные стеариновой кислоты, предельные углеводороды с высокой температурой плавления, некоторые высокомолекулярные спирты. Обычное количество связки составляет 1-2 % вес., а смазки – 0,2-1,4% вес.

Прессование при давлениях до 7 т/см² ведут в пресс-формах из высокоуглеродистой инструментальной или высокохромистой стали, термообработанной до твердости 60-62. Такие пресс-формы выдерживают до 10 000 прессовок. При давлениях до 19 т/см² используют пресс-формы с вкладышами из твердых сплавов на основе карбида вольфрама. Ресурс их работы составляет до 300 000 прессовок.

Удаление летучих соединений связывающих и смазывающих веществ производят перед спеканием нагреванием в СО₂ при 800С, 2 часа, в сухом водороде или в диссоциированном аммиаке при 400С, 1-4 часа.

Спекание проводят в атмосфере водорода, инертного газа, пара или в вакууме. Наиболее предпочтительной является водородная атмосфера, влажная или сухая. Водород способствует образованию стехиометрического UO₂ при спекании, удалению углерода и других органических соединений после термообработки. Отрицательным является высокая температура спекания. Для сухого водорода высшая требуемая плотность изделий достигается при 1700С, для влажного на 100С ниже.

Спекание в атмосфере аргона или водяного пара позволяет снизить температуру спекания на 300-400С, однако получаемый продукт является нестехиометрическим. Спекание в вакууме требует температуры более 2200С.

Для предотвращения образования дефектов при спекании UO₂ необходимо выдержать специальный температурный режим.

Спрессованные и спеченные изделия могут подвергаться механической обработке влажной шлифовкой кругами из карбидов кремния или вольфрама. Сверление отверстий проводят инструментом из тех же материалов или ультразвуком с использованием мягкого стального инструмента и карбида бора в парафине в качестве абразивной жидкости.