Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_7 том
.pdf
211
Таблица 31.4
Схема контроля качества порошка, гранул и таблеток UO
2
Материал Содержание контроля Частота контроля
Фторид урана Содержание
23
5
U По требованию
Порошок
Fe, Ni, Cu, Cr, коррозионные испыта-
ния
1 раз в месяц
Обожженный порошок
Удельная поверхность, F, O/М-
отношение
Каждая партия
Порошок
23
5
U, F, O/М-отношение, Н
2
О, удель-
ная поверхность
Каждая партия
Гомогенизированная
партия (до 2 т)
Содержание
23
5
U Каждая 5
я
партия
Ca, C, Cl, Fe, Ni, Si, плотность пор Каждая 10
я
партия
B, Cr, Cu, Mn, Ni, W Каждая 20
я
партия
Al, Co, In, Mg, Mo, P, Pb, Sn, Th, Ti,
Tl, V, Zn, Li, Cd, Sm, Dy
Каждая 40
я
партия
Измельченный порошок
O/М-отношение, удельная поверх-
ность
Ежедневно
Fe, W, H/М-отношение, Al Раз в неделю
Гранулы UO
2
О/М-отношение, плотность пор, раз-
меры
Каждая 10
я
партия
Ca, F, Si, Fe, W, U Каждая 10
я
партия
235
U
Первые две партии
и каждая 25
я
партия
Спеченные таблетки
UO
2
B, Ca, C, Cl, N, F, Mo, Si, O/М-
отношение
Проба из партии
5 тыс. таблеток
Al, Fe, Ni, P
Проба из партии
20 тыс. таблеток
Cr, Cu, In, Li, Mg, Co, Cd, Mn, Pd, Si,
Th, Ti, V, W, Zn, Dy, Sm, Gd, Eu,
U-235
Проба из партии
60 тыс. таблеток
Влажность, СО, СО
2
, Н
2
и N
2
при
нагреве до 400 и 1000
о
С в течение 2 ч
Ежедневные пробы
для недельного
анализа
Металловедческие исследования.
Исследование микро- и макропори-
стости, размер зерна
Одна проба из каж-
дых 3
х
партий
Спеченные таблетки из
ежедневного разрушае-
мого топливного блока
Влажность, СО, СО
2
, Н
2
и N
2
при
нагреве до 400 и 1000
о
С в течение 2 ч
1 образец в неделю
Физические испытания
спеченных таблеток
Плотность, геометрия, чистота по-
верхности, состояние поверхности
при визуальном осмотре в сравнении
с допусками, термическая стабиль-
ность
212
Плотность таблеток измеряют многими методами: гидростати-
ческим взвешиванием, измерением геометрических размеров и
взвешиванием или радиометрическим методом по поглощению
γ-излучения.
Контроль пористости производят оптическими методами, с по-
мощью анализа реплик ртутной порометрией. Оптическими мето-
дами определяют поры величиной 2 мкм и более на поверхности
таблеток, созданные растворимыми примесями, смазочными мате-
риалами, случайными неспрессовками и т.п. Величина этой пори-
стости практически постоянна для каждого технологического про-
цесса. С помощью анализа реплик определяют поры величиной ме-
нее 2 мкм. При этом точность измерения низкая (более 1 % пор не
определяется). Такого рода пористость образуется в результате
спекания частиц диоксида урана на стыке зерен или вследствие
движения границ зерен и зависит от качества порошка, а также
условий изготовления и спекания таблеток. Метод ртутной поро-
метрии с использованием, например, установки «Porosimetr 4000»,
позволяет определять величину пористости, распределение пор по
размерам и средний размер пор.
Контроль на «доспекаемость» (термическую стабильность) про-
водится для оценки склонности таблеток к радиационной доспека-
емости на начальной стадии выгорания топлива. Он заключается в
нагреве спеченных таблеток до 1700–1750 °С, т.е. выше их темпе-
ратуры спекания, и выдержке при этой температуре в среде Ar –
7 % Н
2
. При этом происходит уменьшение диаметра таблетки, ко-
торое не должно превышать 0,3–0,5 %. Отношение O/М таблеток
чаще всего контролируется методом полярографии или методом
эдс твердоэлектролитной гальванической ячейки. Допуск на доспе-
каемость зависит от допусков на наружный размер и внутренний
диаметр твэльных труб.
Микроструктура, т.е. размер зерен и их распределение, контро-
лируется металлографическими методами, из которых значитель-
ный интерес представляет применение оптического анализатора
изображений с построением распределения зерен по размерам.
Отбраковка таблеток, имеющих трещины, должна проводиться
на стадиях прессования и спекания. Определяемые визуально (на
соответствие эталонам) дефекты на торце должны иметь протя-
женность менее одной четверти окружности и глубину не более
213
0,5 мм, причем занимаемая ими площадь должна составлять менее
25 %. Растрескивание всего торца и по телу таблеток не до-
пускается.
Общее содержание влаги и водорода в таблетках определяют
нагревом последних до 1200 °С и переносом выделившихся влаги и
водорода с помощью газа-носителя в реактор-окислитель, где во-
дород превращается в воду. Суммарное количество воды измеряют
кулонометрическим датчиком влажности. Разработан также метод
термической экстракции в вакууме технологических газов и воды
из таблеток, нагреваемых до 1600 °С, с одновременной регистраци-
ей их содержания путем измерения давления в аналитическом объ-
еме установки за фиксированный промежуток времени. Этот метод
позволяет также определять концентрацию выделившихся водоро-
да и воды с помощью специальных датчиков.
Геометрические параметры и, в первую, очередь диаметр табле-
ток при малых масштабах производства контролируются вручную.
При крупномасштабном производстве этот вид контроля автомати-
зирован и осуществляется с помощью лазерных микрометров, ро-
ботизированных комплексов, оптоэлектронных устройств.
31.1.5. Получение и использование гранулированного топлива
Рассмотрим требования к гранулированному оксидному топли-
ву. Для снижения пылеобразования при технологических операци-
ях производства оксидного топлива, более полной их автоматиза-
ции и упрощения дистанционным управлением производственным
циклом значительный интерес представляет получение оксидного
топлива в виде гранул, которые могут использоваться как для сна-
ряжения виброуплотненных твэлов, так и для производства
таблеток.
Гранулированное топливо должно иметь высокую плотность,
равную не менее 95 % теоретической плотности (ТП), сферическую
форму и достаточную прочность, чтобы не разрушаться при техно-
логических и транспортных операциях. Кроме того, для снаряже-
ния виброуплотненных твэлов требуется несколько фракций гра-
нул с разной, но строго заданной крупностью частиц.
Гранулированное топливо также должно иметь высокую гомо-
генность по составу и хорошо растворяться в азотной кислоте. Из
214
всех изученных и разработанных способов получения гранулиро-
ванного топлива основным является золь-гель процесс. Существу-
ют две его разновидности: внешнего и внутреннего гелеобразо-
вания.
В
методе внешнего гелеобразования высокодисперсный колло-
идный раствор, так называемый золь, получают путем добавления
в азотнокислый раствор солей урана и плутония специальных во-
дорастворимых загустителей, например, поливинилового спирта,
полиакриламида, метилэтилцеллюгозы и др., и веществ, модифи-
цирующих поверхности глобул, например, формамид, изобутило-
вый спирт, карбамид и др. Принципиальная схема технологическо-
го процесса представлена на рис. 31.8.
Рис. 31.8. Технологическая схема получения гранулированного оксидного
топлива методом внешнего гелеобразования
215
Процесс гелеобразования осуществляется путем капельного
диспергирования золя в раствор аммиака. Гидролиз солей урана и
плутония осуществляется в объеме капли золя за счет транспорт-
ной реакции (диффузии) аммиака через ее поверхность. Сохране-
ние сферического вида и формирование структуры геля при проте-
кании процессов гидролиза идет за счет присутствия в исходном
растворе загустителя и модификатора.
При сушке гель-сфер происходит их усадка, появляются новые
типы связей – глобокоагуляционные контакты, приводящие к
упрочнению структуры геля, а на более глубоких стадиях сушки
между глобулами возникают и кристаллизационные контакты, ко-
торые в определенных условиях могут привести к формированию
жесткого прочного пористого каркаса. После прокаливания, вос-
становления и спекания получают плотные (96–98 % ТП) или по-
ристые (85–90 % ТП) микросферы.
Метод внутреннего гелеобразования дает возможность полу-
чать гранулы высокой степени сферичности и текучести в широком
интервале плотностей, что позволяет использовать их как для изго-
товления твэлов методом виброуплотнения, так и в качестве ис-
ходного материала для прессования топливных таблеток. В этом
методе процесс гелеобразования осуществляется за счет термиче-
ской нестойкости «доноров» аммиака, предварительно вводимых в
исходный раствор.
В качестве «доноров» аммиака обычно используют карбамид и
гексаметилентерамин (ГМТА). В этом случае метастабильный ис-
ходный раствор получают при интенсивном перемешивании и
охлаждении до +10 ÷ –10°С путем растворения сухих карбамида и
ГТМА в растворе солей актинидов или путем смешивания двух
растворов.
По этой технологии, схема которой приведена на рис. 31.9, ис-
ходные кислотно-дефицитные растворы нитрата уранила и азотно-
кислого плутония смешивают и к ним добавляют при температуре
–10 ÷ +10 °С карбамид и ГМТА в виде раствора с концентрацией
3 моля на литр по каждому компоненту.
Охлажденный до – 10÷+10 °С рабочий раствор капельно дис-
пергируют в нагретую до 85 °С дисперсионную среду, не смеши-
вающуюся с водой (вазелиновое и силиконовое масла, три- и тетра-
хлорэтилен).
216
Рис. 31.9. Технологическая схема получения гранулированного МОХ-топлива
методом внутреннего гелеобразования
В процессе движения капель в дисперсионной среде они нагре-
ваются, происходит гидролиз гелеобразования в их объеме. Размер
получаемых микро сфер формируется на стадии диспергирования
рабочего раствора в дисперсионную среду. Он зависит от диаметра
капилляра и скорости истечения рабочего раствора. Наложение
217
вибрации на струю рабочего раствора позволяет существенно сни-
зить разброс размеров получаемых капель и повысить производи-
тельность процесса диспергирования. Изменяя частоту колебаний,
диаметр капилляра и скорость истечения можно варьировать раз-
мер капель и, следовательно, гель-сфер в широком диапазоне раз-
меров.
Термообработка микросфер. Режим сушки выбирают в зави-
симости от назначения микросфер. Для изготовления виброуплот-
ненных твэлов требуются микросферы с высокой плотностью, по-
этому сушку проводят на воздухе при минимальной температуре. В
этом случае размеры кристаллитов будут минимальными и при
спекании микросфер легко получают плотность до 98 % ТП.
Если микросферы предполагается использовать для прессования
таблеток, сушку проводят при высокой упругости паров воды и
высокой температуре слоя гель-сфер, что обеспечивается, напри-
мер, в аппарате сушки без продува воздуха. Это снижает усадку
гель-сфер и одновременно обеспечивает рост кристаллов.
Высушенные гель-сферы подвергают прокаливанию при 600–
700 °С с целью более полного удаления воды, аммиака и остатков
ГМТА с карбамидом.
Основное влияние на физические (удельная поверхности плот-
ность, размер кристаллитов) и механические свойства микросфер
(прочность, модуль упругости) оказывает температура прокалива-
ния. При получении микросфер для виброуплотненных твэлов спе-
кание ведут в водороде при 1600 °С в течение 4 ч.
Для получения твэлов с виброуплотненными сердечниками с
высокой эффективной плотностью (~
90 % ТП) производят микро-
сферы трех фракций с диаметром 1200, 300 и 30–50 мкм в соотно-
шении 40:10:1.Микросферы, предназначенные для прессования
таблеток, должны иметь высокую плотность и небольшую проч-
ность. Поэтому они подвергаются только прокаливанию при тем-
пературе 600 °С. В зависимости от качества исходных микросфер и
режима прессования таблетки могут иметь разную плотность и
микроструктуру.
Производство виброуплотненного топлива.
В России первые
эксперименты по использованию виброуплотненного оксидного
топлива (ВОТ) для реакторов на быстрых нейтронах были начаты в
ОАО «ВНИИНМ». Затем, в связи с развертыванием исследований
218
по перспективному замкнутому топливному циклу реакторов на
быстрых нейтронах, эти исследования были продолжены в ГНЦ РФ
НИИАР, где в качестве первого этапа предполагались работы по
созданию автоматизированной дистанционно-управляемой линии
для изготовления виброуплотненных твэлов и ТВС c целью утили-
зации высокофонового плутония.
По мнению разработчиков, твэлы с виброуплотненным оксид-
ным топливом можно рассматривать как альтернативу таблеточно-
му топливу при создании замкнутого топливного цикла реакторов
на быстрых нейтронах с использованием пирохимического метода
переработки отработавшего ядерного топлива – метода, обеспечи-
вающего оптимальный путь получения гранулированного топлива
для виброуплотнения.
В отличие от традиционных водных методов переработки ядер-
ного топлива в основу этих работ были положены принципы сухой
технологии с использованием пироэлектрохимических методов пе-
реработки высокоактивного ядерного топлива в солевых расплав-
ленных системах с получением
гранулята, непосредственно при-
годного для изготовления твэлов методом виброуплотнения. Так
как полученный гранулят имел высокую радиоактивность, то тех-
нология его производства и изготовление виброуплотненных твэ-
лов и ТВС были реализованы в горячих камерах, в том числе с ис-
пользованием автоматизированных дистанционно управляемых
процессов. Специфика состоит в том, что ВОТ спекается в процес-
се эксплуатации в реакторе, поэтому в настоящем разделе кратко
рассмотрим принципы получения гранул оксидного топлива и его
компактирование в оболочке виброуплотнением.
В НИИАР разработан пирохимический метод (технологический
процесс) получения гранул оксидного топлива – гранулята. Схема
организации пирохимических процессов показана на рис. 31.10.
Отличительной особенностью пирохимической технологии являет-
ся проведение всех операций получения осадков в одном аппарате
хлораторе – электролизере. Основные стадии процесса пирохими-
ческой переработки: растворение исходных продуктов (или отра-
ботавшего ядерного топлива) в расплаве солей; выделение из рас-
плава кристаллического диоксида плутония или электролитических
диоксидов плутония и урана; обработка катодного осадка и полу-
чение гранулированного топлива.
219
Рис. 31.10. Схема получения гранулята UO
2
+PuO
2
В качестве топлива используется гранулят различного проис-
хождения (пироэлектрохимический, золь – гель, дробленые таблет-
ки, пирогидролизный, полученный прямой конверсией гексафто-
рида урана в диоксид) и состава (UO
2
, PuO
2
, (U − 5 % Pu) O
2
, (U –
30 % Pu) O
2
, (U, Pu) O
2
− U, (U, Pu) O
2
− Gd). В качестве выгораю-
щего поглотителя в состав топливного сердечника на стадии сме-
шивания вводится порошок металлического гадолиния. В ходе этих
работ подтверждены ранее полученные закономерности по выбору
оптимального фракционного состава для достижения необходимой
эффективной плотности. Разработанная технология обеспечивает
неравномерность распределения компонентов топливного сердеч-
ника не хуже ±
5 %.
Прямой выход гранулята диоксида урана составляет 95–98 %.
Безвозвратные потери урана не превышают 0,1 %. Опытная уста-
новка пирогидролиза с реактором кипящего слоя (КС) имела про-
изводительность ~
0,5 кг UО
2
в час. Для коррекции кислородного
потенциала топлива и устранения влияния технологических приме-
сей в состав гранулированного топлива на стадии приготовления
порции порошка на один твэл вводится геттер в виде гранул метал-
лического урана. Частицы порошка геттера имеют форму близкую
к сферической с максимальным диаметром до 100 мкм. Технологи-
ческий процесс обеспечивает равномерность распределения геттера
220
по длине топливного сердечника в пределах ≤ 5 % от номинального
уровня. Содержание геттера было оптимизировано с учетом термо-
динамических характеристик и необходимости достижения требу-
емого достехиометрического кислородного потенциала топлива.
Использование топливной композиции с добавкой геттера
(UPu)O
2
− U позволяет полностью исключить коррозионные про-
цессы при последующем облучении твэлов, обусловленные нали-
чием цезия и галогенов, а также возможными технологическими
примесями, что практически расширяет предел по выгоранию из-за
физико-химического взаимодействия топливо-оболочка. Гранулят
диоксида урана, полученный методом пирогидролиза показан на
рис. 31.11.
Рис. 31.11. Гранулят диоксида урана, полученный пирогидролизом
Процесс прямой конверсии гексафторида урана в гранулирован-
ный оксид заключается в следующем. В нагретый реактор, в кото-
ром потоком инертного газа (или азота) снизу создается «кипящий
слой» (КС) частиц («затравки») диоксида урана вводятся газооб-
разный гексафторид и смесь паров воды и водорода. При темпера-
туре 700–900 °С протекает реакция пирогидролиза:
UF
6
+ 2H
2
O + Н
2
⇔ UO
2
+ 6HF.
В результате многоциклового взаимодействия циркулирующих
частиц КС с гексафторидом и последующего обесфторивания мик-
рослоев фторидов с образованием диоксида урана частицы КС рас-
тут в виде шарообразных гранул, достигая размеров от ~
100 до
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)