10.3.2. Шликерное литье.

В технологии керамического UO₂ шликерное литье применяют для получения полых трубок с равномерной толщиной стенки и равномерным распределением плотности по всему объему. Для приготовления шликера используют водную суспензию UO₂ с размером частиц менее 40 мкм. Такая суспензия весьма неустойчива и требует стабилизации кислотами и щелочами. Для этого порошок обрабатывают 5 н HCl в течение 24 часов, после чего избыток кислоты сливают, процесс повторяют несколько раз, после чего порошок промывают водой. Шликер UO₂ содержит 79 и 90 % твердого при рН 3,6-3,8. Чтобы улучшить прочность отливок из диоксида урана, перед заливкой в формы к суспензии добавляют диспергирующие агенты, например, полиэтиленгликоль. Это улучшает прочность сырых отливок, препятствует их растрескиванию, что создает возможность получать тонкостенные трубки. После литья полученную сырую заготовку, не извлекая из формы, сушат в течение 6 часов при комнатной температуре и 4 часа – при 80С. Затем спекают при 1700С с медленным подъемом температуры до 600С. Конечная плотность изделия превышает 90%.

10.3.3. Мундштучное прессование.

Выдавливание через фильеру на холоду UO₂ – единственный метод, позволяющий получать изделия с соотношением размеров длины к диаметру 15-20 и более, близкие по своим физико-химическим свойствам, прессованным таблеткам. Этот метод пригоден для получения стержней, труб и лент с равномерно распределенной плотностью. Выдавливание изделий из UO₂ возможно, если материал тонко помолот и в него добавлен пластификатор. Обычно используют порошок с размером частиц от 0,9 до 4,8 мкм. В качестве пластификатора используют ПВС, полиэтиленгликоль в количестве от 6 до 13 %. Приготовленную смесь гранулируют протиранием через сито, что придает материалу однородность и пластичность. Смесь предварительно уплотняют для освобождения от воздуха и выдавливают через матрицу необходимого профиля. Оптимальный угол раствора конуса матричной воронки - 120. Процесс выдавливания протекает очень быстро: требуется 2 секунды, чтобы выдавить стержень диаметром 10 мм и длиной 1 м. Плотность после выдавливания составляет 52-59%. После сушки в течение 48 часов при умеренной температуре изделие спекают. Плотность спеченного изделия достигает 95%.

10.3.4. Уплотнение порошка UO₂ в оболочке.

Эта технология позволяет избежать такой дорогостоящей стадии как спекание, не требует жестких допусков для оболочки, дает возможность более просто варьировать конечную плотность порошкообразного топлива.

При изготовлении изделий по этой технологии для засыпки в оболочку используют порошки с плотностью частиц 98-100%, полученные размолом предварительно спеченного в водороде или плавленого в электрической дуге UO₂. Для получения высокоплотного порошка используют также ударное прессование.

Порошок засыпают в оболочку и уплотняют различными методами:

• ротационной ковкой,

• вибрационным,

• вибрационным с горячим изостатическим прессованием,

• совместным выдавливанием с оболочкой.

Наиболее перспективными являются методы волочения и ротационной ковки, позволяющие достигать плотности порошка в оболочке более 10 г/см³.

10.3.5. Ротационная ковка.

Используется обычно для производства твэлов с металлической оболочкой. Техника осуществления этого метода следующая. В закрытую с одного конца резиновой пробкой трубку из нержавеющей стали, циркалоя-2 или алюминия засыпают порошок UO₂, предварительно несколько уплотняют вибрацией, затем закрывают второй конец пробкой. Такую заготовку обжимают по диаметру на ротационно-ковочной машине. Обжатие трубки по диаметру происходит под влиянием серии очень быстрых ударов бойков вращающейся головки по поверхности обрабатываемой трубки. Форма поперечного сечения трубки в процессе ковки не изменяется. Бойки изготавливают из прочной стали. Угол охвата составляет 6-10.

На первых стадиях обжатия, когда порошок достаточно рыхлый, заготовка ведет себя как пустотелая труба: уменьшение диаметра происходит за счет увеличения толщины стенки. По мере уплотнения порошка требуются все большие усилия для дальнейшей деформации. Диаметр заготовки уменьшается за счет ее удлинения и утончения стенки оболочки. В начальной стадии частицы UO₂ плотно укладываются, и плотность быстро растет. Затем скорость уплотнения уменьшается, а плотность тела стремится к некоторой постоянной величине. Эта стадия сопровождается удлинением оболочки. Затем оболочка продолжает удлиняться без повышения плотности UO₂. На рис.4 представлены типичные зависимости изменения плотности порошка UO₂ в оболочке, толщины стенки оболочки и длины твэла при ротационной ковке.

После завершения обработки концы прокованной трубки подрезают в размер, а часть уплотненного сердечника выбирают резцом, чтобы образовать гнездо для посадки концевой заглушки твэла.

Наблюдающаяся при обжатии деформация может быть использована для производства твэлов с любой необходимой толщиной стенки оболочки. При выполнении оптимальных условий ковки достигается плотность UO₂ - 93 %. Разброс плотности по длине трубки не превышает 0,4%. Недостатком этого способа является низкое значение коэффициента теплопроводности уплотненного, но не спеченного порошка UO₂, уменьшенное сопротивление коррозии и эрозии при повреждении оболочки в условиях эксплуатации и пониженная способность удерживать газообразные продукты деления по сравнению со спеченным топливом. Частично эти недостатки устраняются в процессе спекания, который протекает в начальный период облучения при эксплуатации твэлов.

10.3.6. Виброуплотнение.

Этот процесс позволяет существенно снизить расходы на производство твэлов по сравнению с методом таблетирования. Для получения высокой плотности сердечника в этом методе применяют порошки UO₂ с высокой плотностью – 98-100%. Это позволяет достигать плотности сердечника 91-93% от теоретической.

Гранулированный UO₂, как и все сыпучие материалы склонен при свободной засыпке к образованию рыхлой арочной структуры укладки частиц. Виброобработка порошка помогает разрушить эти структуры и получить более плотную упаковку материала. При вибрировании резко уменьшается коэффициент трения между частицами порошка. Материал приобретает свойства вязкой жидкости. Энергия вибрации расходуется как на преодоление инерции и упругого сопротивления вибрирующей системы, так и на преодоление сопротивления порошка перемещению.

Высокая плотность упаковки топливных частиц обеспечивается применением мощных вибраторов, материала с высокой плотностью частиц и подбором его фракционного состава. Уплотнение порошка проводят в широком диапазоне частот от нескольких десятков герц до десятков килогерц. Ультразвуковые частоты менее эффективны, чем звуковые в пределах 20 – 5000 гц. Время уплотнения составляет 10-15 минут.

Твэлы диаметром 12 мм и длиной 2400 мм с виброуплотненным сердечником производят по следующей технологии. Взвешенное количество плавленого или спеченного размолотого порошка UO₂ загружают в заваренные с одной стороны оболочки твэлов, укрепленные на вибростенде. Засыпку твэлов производят при работающем вибраторе на ускорениях около 10g. Частоту вибрации изменяют от 500 до 4000 колебаний в секунду. После засыпки ускорение вибрации повышают до 80 g. Один твэл заполняется за 3 минуты. Достигаемая плотность сердечника при таком уплотнении составляет 92-93%. Колебания плотности по длине твэла не превышают 1 %. После виброуплотнения в верхний конец вставляют заглушку и производят герметизацию сваркой.

9