14.4. Изготовление сердечников твэлов из un.

Спекание таблеток из UN представляет собой достаточно сложную технологическую задачу. Даже мелкие порошки UN при нагревании в вакууме при 1700-1800С спекаются плохо, а выше этой температуры разлагаются выделяя азот и металлический уран. Достигаемая при этом плотность составляет всего 80% от теоретической.

Более высокая плотность, до 95 % от теоретической, может быть достигнута при спекании таблеток в атмосфере азота при 2100-2200С. Однако при таком режиме спекания наблюдаются большие потери в массе таблеток.

Для получения высокой плотности таблеток рекомендуют проводить двухступенчатое спекания при 1500-1700С в вакууме, а затем при 2000-2100С в атмосфере азота.

В отличие от карбидов урана, добавки никеля как активирующего вещества, не приводят к улучшению процесса спекания.

Повышение плотности спеченных при умеренных температурах таблеток можно добиться, используя мелкодисперсный порошок UN, крупностью менее 1 мкм. Спекание проводят в особо чистом аргоне при 1700С в течение нескольких часов. Давление прессования исходной сырой таблетки составляло 9^.10⁸ Па. Полученный исходный порошок UN перед прессованием и спеканием подвергали 20-ти часовому размолу в вибромельнице из карбида вольфрама в среде особо чистого аргона.

На рис.3 представлена зависимость плотности изделий из порошка UN от крупности исходного порошка при его спекании в атмосфере азота в течение 3-х часов. Эти данные показывают, что при длительном размоле исходного порошка могут быть получены размеры частиц 1-3 мкм, что позволяет получить при спекании при 1800С изделия плотностью 90 % от теоретической.

Рис.3. Зависимость плотности изделий из UN от крупности порошка (спекание в азоте 3 ч).

Для экспериментального реактора БР-10 были изготовлены сердечники твэлов из UN. Диаметр таблеток 7,4 мм, плотность 12,5-13,2 г/см³. Максимальная температура в центре топлива составляла 1250С. Максимальное выгорание топлива достигло 8,3% при проектном - 8,0 %. В настоящее время работа реактора продолжается без замены топлива.

14.5. Нитрид плутония.

На рис.4 представлена диаграмма состояния системы Pu – N.

Рис.4. Диаграмма состояния системы Pu – N.

В отличие от урана, плутоний образует только один нитрид состава 1:1, т.е. мононитрид плутония (PuN). Нитрид плутония плавится инконгруэнтно при 2800С, однако уже при 2000С наблюдается его разложение, которое можно предотвратить высоким давлением азота.

PuN имеет кубическую решетку типа NaCl с периодом 4,9060,001 Å. Период решетки PuN меняется со временем из-за самооблучения. Свежеприготовленный PuN имеет период решетки 4,90480,00102 Å, а со временем он становится равным 4,90560,000102 Å. На величину решетки PuN влияет растворенный в нем кислород.

Теоретическая плотность мононитрида плутония равна 14,23 г/см³, содержание плутония – 13,4 г/см³. Массовое содержание азота в стехиометрическом плутонии 5,53 %. Металлический плутоний практически не растворяется в PuN.

14.6. Получение мононитрида плутония.

Известно три способа получения нитрида плутония:

• дуговая плавка металлического плутония в атмосфере азота,

• взаимодействие гидрида плутония с азотом,

• взаимодействие диоксида плутония с углеродом в атмосфере азота.

Плавку плутония проводят в дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом в водоохлаждаемом медном тигле в атмосфере азота при давлении 635 мм.рт.ст или азота и гелия при давлении ~ 10 атм. Выход продукта не превышает 80%. Структура получаемого нитрида плутония – дендридная. Конечный продукт содержит до 20 % металлического плутония. Полагают, что выход мононитрида плутония можно повысить, существенно увеличивая давление азота в системе.

Взаимодействие диоксида плутония с углеродом в атмосфере азота проводят при давлении 600 мм. рт. ст. N₂. Получаемый продукт близок по составу к стехиометрическому. Параметр решетки такого продукта равен 4,9070,001 Å. В продукте наблюдается повышенное содержание углерода ~ 0,1 – 0,2 % вес. Отмечено, что этот углерод не оказывает влияние на работоспособность твэлов, содержащих таблетки из PuN, описанного качества.

Наилучшие результаты были получены при синтезе PuN из гидрида плутония. С этой целью проводят гидрирование Pu чистым водородом при 150-200С. Время выдерки при этой температуре составляет 2 часа. Получение качественных порошков гидрида плутония можно достигнуть, используя водород, полученный при термическом разложении гидрида урана. Кроме того, используют чередующиеся нагревы и охлаждения в интервале температур 175С75С, так называемый    переход, способствующий повышению удельной поверхности порошка.

Гидрид плутония нагревают со скоростью 180С/ч до 500С, периодически откачивая водород и заполняя систему азотом. Затем повышают температуру до 700С, выдерживают при этой температуре от 2 до 17 часов и повышают температуру вновь до 1000С со скоростью 150С/ч, при которой выдерживают продукт еще 1 час. Это приводит к полному разложению гидрида и предотвращению образования металлического плутония. При этом наблюдается некоторое повышение содержания азота в продукте. Охлажденный порошок измельчают и просеивают через сито с размером ячейки 180 мкм.

Полученный таким образом PuN содержал 5,22 – 5,50 % вес. азота, 0,15-0,3 % вес. кислорода и был монофазным, т.е. не содержал металлической фазы Pu.

Отмечено, что получение нитрида плутония через гидрид может быть осуществлено в аппарате, схема которого представлена на рис.2 по той же технологии, что и получение нитрида урана.