13.3.2. Получение uc с использованием металлического урана.

Получение карбида урана из металлического урана можно проводить как с чистым углеродом, так и с углеводородами. Реакция порошков металлического урана и углерода легко протекает при 800С. Применение чистого урана позволяет получать UC с наименьшим содержанием кислорода и азота. Этот способ применяют для получения особо чистого UC, используемого для исследовательских целей. Промышленное распространение этот способ не получил из-за высокой стоимости металлического урана. Благодаря низкой температуре протекания процесса не образуются высокотемпературные дикарбид урана и полуторный карбид.

Разновидностью карбидизации урана является применение в качестве исходного - гидрида урана, который может быть получен на первой стадии суммарного процесса взаимодействием с водородом. Непрерывный процесс карбидизации урана через образование гидрида урана был разработан в нашей стране. Схема установки представлена на рис.5.

Рис.5. Схема установки непрерывного процесса получения карбида урана

Газовой карбидизацией.

Через приемную камеру 1 слитки урана загружают в аппарат 2, в котором проводят гидрирование урана пропусканием водорода. Получаемый мелкодисперсный порошок гидрида урана через бункер со шнековым питателем подают в первый аппарат карбидизации 3, в который поступает также пропан. Температура в аппарате поддерживается на уровне 600С.В результате пирогидролиза пропана образуется углерод, который взаимодействует с гидридом урана с образованием UC. Однако поверхностный слой образующегося UC затрудняет полное протекание реакции. Для устранения этого порошок направляют в аппарат 4, где температура поддерживается на уровне 200С. За счет снижения температуры полупродукт разрыхляется, после чего его направляют в аппарат 5, где продолжается его карбидизация при 600С. Изменяя температуру и продолжительность процесса карбидизации получают карбид урана требуемого состава и качества. Этот метод позволяет получать в крупном масштабе UC стехиометрического состава в виде порошка крупностью 2-6 мкм с содержанием кислорода не более 0,05%. Получаемые порошки карбида урана могут быть без дополнительного измельчения использованы для изготовления сердечников твэлов.

При применении газообразных углеводородов для карбидизации металлического урана реакция также легко протекает при 600-800С. Основным недостатком применения углеводородов является их загрязненность кислородом и азотом, что приводит к получению конечного продукта с более высоким содержанием, чем при использовании чистого углерода.

13.4. Изготовление сердечников из uc.

Для энергетических реакторов наибольший интерес как ядерное топливо представляет UC. Температура плавления UC на 300С меньше чем у UO₂, однако для получения таблеток сопоставимой плотности – около 95% от теоретической – требуется более высокая температура спекания ~ 1800-2000С. Но и в этих условиях требуемая плотность может быть достигнута только при использовании мелкодисперсного порошка с высокой реакционной способностью. Такой порошок может быть получен при длительном и тщательном измельчении, что невозможно без дополнительного загрязнения порошка кислородом и азотом. Порошки, получаемые при газовой карбидизации не требуют дополнительного измельчения.

Для повышения сыпучести и насыпной плотности порошка UC его смешивают со связующими веществами, брикетируют при 2-5 тс/см², а затем протирают через сито с размером ячейки 250 мкм. Насыпная плотность увеличивается до 3,8 г/см³. Это позволяет использовать получаемый таким образом порошок в высокопроизводительных прессах автоматах. В качестве связующих используют олеиновую или стеариновую кислоты, парафин, карбовакс, растворенные в бензине или трихлорэтилене (1,5-2%). Лучшие результаты получены для парафина.

Давление прессования таблеток оказывает значительное влияние на плотность сырых и спеченных таблеток. Зависимость плотности для сырых и спеченных таблеток от давления прессования представлена на рис.6-7. С ростом температуры спекания изменение давления меньше влияет на плотность таблеток. Обычно спекание проводят при 1900С, в течение 1,5 часов. Предпочтительно проводить спекание в вакууме, т.к. это приводит к удалению кислорода, особенно из оксидных пленок на поверхности порошка. Азот меньше влияет на качество таблеток, поэтому его удаление не так критично. Наличие оксидных пленок является причиной плохой спекаемости таблеток из UC.

Спекание таблеток из UC можно активировать добавлением некоторых веществ, например никеля. Спекание при 1530С в течение 4 часов в атмосфере гелия UC с добавкой 0,1-0,5% никеля позволяет достигать 95% теоретической плотности спеченных таблеток. При спекании большая часть никеля удаляется.

Рис.6. Влияние давления прессования на плотность сырых (1) и спеченных (2) таблеток из UC при Т спек. = 1800С.

Рис. 7. Зависимость плотности таблеток из UC от температуры спекания. Время спекания 3 часа.

Для получения кондиционных таблеток из UC было использовано мундштучное прессование или выдавливание. Для этого карбид урана смешивают с пластификатором, раствором 60% парафина и 50% каучука в ТХЭ, добавка пластификатора составляет до 5%, полученную массу высушивают на воздухе а затем прессуют методом мундштучного выдавливания в виде цилиндрических заготовок диаметром 7 мм. Температура прессования 42-48С, давление прессования 4800-500 кгс/см², скорость выдавливания 1,2 м/мин. Затем заготовки подвергают сложному температурному режиму обработки для удаления пластификатора и спекают. Этот метод требует дальнейшего развития, особенно при производстве промышленных партий таблеток из UC.