12.7. Подготовка пресспорошка.

В случае механического смешивания порошков диоксида урана и плутония предварительно подвергают их раздельно усреднению с целью получения более однородных порошков. Механическое смешивание проводят в смесителях различной конструкции с соблюдением ограничений, накладываемых критической массой. Часто смешение совмещают с размолом, т.к. измельчение способствует лучшему распределению плутония в таблетке. Для избежания агломерации частиц диоксида плутония в смеситель добавляют небольшое количество сухой связки. После смешения следует операция гранулирования При гранулировании МОХ-топлива предпочтение отдают прессованию крупных брикетов с последующим размолом и рассевом на вибросите.

12.8. Прессование таблеток.

Прессование и спекание как заключительные стадии производства таблеток из (U,Pu)O₂ оказывают еще большее влияние на качество получаемого топлива, чем при производстве его уранового аналога. На операции прессования закладываются необходимые условия для образования гомогенной структуры таблеток. Особое значение имеет тип и количество вводимой связки. Прежде всего, связка не должна препятствовать взаимной диффузии компонентов для образования твердого раствора на стадии спекания. Чаще всего в качестве связки используют стеарат или бегенат цинка. Эти связующие обеспечивают меньшую усадку при спекании, более правильную геометрию таблетки и более жесткие допуски по диаметру таблетки. Лучше решаются вопросы ядерной безопасности, т.к. в шихту не вносится вода. Количество связки определяется свойствами порошков. Для механически смешиваемых диоксидов урана и плутония оно составляет ~ 0,5 %.

При использовании порошков с округлой формой, сцепление частиц у которых слабое, массовое содержание связки уменьшают до 0,1 %.

Важным фактором, влияющим на качество таблеток, является давление прессования. При прессовании таблеток из мелкого порошка увеличивается неравномерность давления по высоте таблетки. Это может приводить к различной усадке при спекании и образовании «талии» у таблетки или «бочки».

12.9. Спекание таблеток.

Спекание является важнейшей стадией производства таблеток уран-плутониевого топлива. Режимы спекания были рассмотрены подробно на примере спекания уранового топлива. Смешанное уран-плутониевое топливо имеет свои особенности спекании. Сырые таблетки МОХ-топлива содержат большое количество газов и влаги. Перед спеканием необходимо удалить связку во избежание растрескивания таблеток. Основное отделение газообразных продуктов проводят при 500С. Полное удаление связки проходит при более высокой температуре, во время спекания. Если в качестве связующего используют ПВС температура отгазовки составляет 800-900С. Газы, выделяющиеся из таблеток спрессованных с использованием стеарата цинка, состоят в основном из СО₂ (65%), СО (17%) и Н₂ (остальное). Отгазовку и спекание проводят в разных печах. Неполное удаление связки может приводить к «захлопыванию» ее в порах и последующему распуханию таблетки на стадии спекания.

Для обеспечения образования достехиометрического состава уран-плутониевого топлива большое значение имеет газовая среда спекания, КК и кислородный потенциал газовой среды (G_O2). Значение КК зависит от соотношения H₂O/H₂ или CO₂/CO в газовой фазе спекания. При значениях кислородного потенциала среды от -110 до -160 ккал/моль кислорода получают таблетки с отношением О/Ме = 1,96–1,98. При температуре 1000С преобладает восстановительная атмосфера, что облегчает получение достехиометрического диоксида (U,Pu)O_2-x. На практике необходимая атмосфера поддерживается скоростью подачи аргонно-водородной смеси с постоянным контролем содержания H₂O, H₂, CO₂, CO в отходящих газах.

Необходимое соотношение H₂O/H₂ поддерживают добавкой влаги или изменением потока газа. В печах для спекания периодического действия содержание влаги составляет ~10 г/м³, а в печах непрерывного действия – около 1 г/м³.

В промышленных печах непрерывного действия обеспечивается устойчивое значение КК = 1,98.

По сечению таблетки обычно существует градиент отношения O/Me, связанный с изменением среды во время охлаждения. Это может привести к растрескиванию таблеток. Во избежание этого во время охлаждения в печь подают осушенный газ.

Процесс спекания необходимо вести при режиме, обеспечивающем протекание диффузионных процессов с образованием гомогенных структур. Для этого требуется высокая температура спекания, 1750С, и продолжительность выдержки при этой температуре, 3-4 часа. При более низкой температуре образуется двухфазная структура таблетки, состоящая, как правило, из двух твердых растворов диоксида плутония в диоксиде урана с различным содержанием плутония. На рис.3 представлены фотографии микроструктуры таблеток с двухфазной и однофазной структурой.

Диффузионные процессы с образованием твердого раствора протекают тем быстрее и полнее, чем лучше контакты между реагирующими компонентами. Это достигается при многочасовом (4-20 часов) и тщательном перемешивании и измельчении исходных порошков диоксидов.

Существенно лучше структура таблеток получается при использовании порошков, полученных методом соосаждения. Температура спекания такой смеси может быть снижена до 1400-1500С.

Рис.3. Микроструктура (U_0,8Pu_0,2)O₂, полученного из механически смешанных порошков диоксидов урана и плутония (х340).

а – температура спекания 1600С, структура двухфазная;

б – температура спекания 1750С, структура однофазная;

Гомогенность структуры твердого раствора зависит также от содержания плутония. При массовом содержании плутония свыше 30% образование однофазного твердого раствора затруднено. При массовом содержании плутония свыше 40% при спекании таблеток обнаруживается смесь двух фаз: (U,Pu)O₂ и (-Pu₂O₃) + UO₂.

Косвенным подтверждением образования твердого гомогенного раствора является полнота растворения топлива в азотной кислоте, т.к. прокаленный диоксид плутония не растворяется в азотной кислоте. Зависимость полноты растворения в азотной кислоте от температуры спекания и условий приготовления таблетки представлена на рис.4.

Рис.4. Зависимость полноты растворения таблеток из (U,Pu)O₂ в азотной кислоте от температуры спекания.

о - из механически смешанных порошков диоксидов урана и плутония;

х - из химически соосажденных порошков;

Из представленного рисунка видно, что полнота растворения достигается для порошков, полученных методом соосаждения. Для топлива, полученного из смеси порошков растворимость в азотной кислоте сильно зависит от температуры спекания. Но даже спеченные при 1750С таблетки дают до 4,5% нерастворимого осадка PuO₂.