18.4.2. Спекание таблеток (u,Gd)o2.

Особенностью спекания таблеток из уран-гадолиниевых оксидных порошков заключается уплотнении материала и образовании твердого раствора UO₂ – Gd₂O₃. На рис.2 представлены кривые, характеризующие спекание урановых таблеток и таблеток UO₂ – 4% Gd₂O₃, полученных разбавлением соосажденного порошка UO₂ + Gd₂O₃ порошком UO₂ в смесителе. Таблетки прессовали без добавления связующего. Спекание проводили в атмосфере H₂ в две стадии – нагрев до 1750С, изотермическая выдержка1 час. При нагревании до 1200С характер спекания одинаков для урановых и уран-гадолиниевых таблеток. При дальнейшем увеличении темпертауры усадка таблеток (U,Gd)O₂ меньше, чем у таблеток из UO₂, что обусловлено взаимодиффузией ионов Gd³⁺ в решетку UO₂ и U⁴⁺ в решетку Gd₂O₃ при образовании твердого раствора.

Такая диффузия снижает скорость спекания и сдвигает процесс уплотнения в область высоких температур. Образование каменного керамического тела не заканчивается и через два часа изотермической выдержки при 1750С, что приводит к недоспеканию и, как следствие, к низкой размерной стабильности таблеток из (U,Gd)O₂. Дальнейшее доспекание таких таблеток происходит в реакторе при рабочих температурах твэлов. Проведенные исследования показали, что доспекание при 1800С в атмосфере гелия в течение 100 часов приводит к небольшому повышению плотности таблеток, в которых остаются частицы твердого UO₂.

Рис. 3. Динамика спекания UO₂-Gd₂O₃ – таблеток (а) и UO₂ – таблеток (б).

1 – усадка;

2 – скорость спекания;

I – нагрев;

II –изотермическое спекание;

На плотность спеченных таблеток из (U,Gd)O₂ оказывает влияние состав атмосферы спекания или окислительные свойства среды. При спекании таблеток из смешанных порошков в потоке водорода при 1750С в течение 4 часов с последующим введением водяного пара и спеканием еще 4 часа плотность UO₂ + 9%Gd₂O₃ таблеток падает с ростом парциального давления кислорода в системе, табл.4. Такой же режим спекания таблеток из UO₂ приводит к повышению их плотности.

Таблица 3.

Плотность и термическая стабильность таблеток, спеченных при различном парциальном давлении кислорода.

	UO2 + 9%Gd2O3			UO2
Давление, Па	1.10-9	5.10-5	5.10-3	1.10-9	5.10-5	5.10-3
Плотность, %	96,3	96,0	94,4	96,2	96,3	96,4
Изменение Плотности, %	0,2	0,5	0,6	0,5	0,4	0,2

Различие обусловлено, прежде всего, структурой таблеток из UO₂ и UO₂ + 9%Gd₂O₃. Улучшение спекаемости с ростом давления О₂ связано с увеличением числа ионов U⁵⁺ и U⁶⁺, подвижность которых выше, чем у иона U⁴⁺. Увеличение диффузионной подвижности ионов урана U⁵⁺ и U⁶⁺ приводит к увеличению плотности спеченной таблетки. Введение ионов Gd³⁺, размер которых на 5,3 % больше, чем у ионов U⁴⁺ и на 20 % больше, чем у U⁵⁺ препятствует быстрой диффузии ионов урана. В то же время, образование большого числа ионов U⁵⁺ и U⁶⁺ увеличивает теоретическую плотность твердого раствора UO₂ + Gd₂O₃, но уменьшает его теплопроводность.

Теоретическая плотность твердого раствора UO₂ + Gd₂O₃ снижается с увеличением содержания Gd₂O₃. Кроме того, плотность зависит от способа изготовления порошков и условий спекания. На рис. 4,5 представлены зависимости плотности таблеток UO₂ + Gd₂O₃ от содержания Gd₂O₃ для различных условий изготовления. Для повышения плотности спеченных таблеток предложено вводить в исходные порошки, получены методом соосаждения по АУК-процессу, Al(OH)₃ или TiO₂ в количестве от 40 до 200 ppm. Введение 210 ppm Al(OH)₃ увеличивает плотность спеченных таблеток UO₂ + Gd₂O₃ с содержанием, например, 7% Gd₂O₃ с 93,4 до 95,4 %, а введение 50 ppm TiO₂ увеличивает плотность таблеток, содержащих 3% Gd₂O₃ с 93,4 до 95,5%, а 7% Gd₂O₃ - с 93,1 до 95,5%.

Рис.4. Зависимость плотности (U,Gd)O₂ – таблеток от содержания Gd₂O₃.

(Une K., Oguma N., 1985)

Рис.5. Зависимость плотности (U,Gd)O₂ – таблеток от содержания Gd₂O₃. у – показатель в (U_1-yGd_y)O₂.

(Ho S., Radford K., 1986)