RU2504032C1 - Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов - Google Patents
Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2504032C1 RU2504032C1 RU2012130651/07A RU2012130651A RU2504032C1 RU 2504032 C1 RU2504032 C1 RU 2504032C1 RU 2012130651/07 A RU2012130651/07 A RU 2012130651/07A RU 2012130651 A RU2012130651 A RU 2012130651A RU 2504032 C1 RU2504032 C1 RU 2504032C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanocrystalline
- fuel
- powder
- powders
- uranium
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в технологии производства спеченных керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов. Для прессования таблеток используют смесь порошка диоксида урана, приготовленного по одной из известных технологий, с удельной поверхностью частиц 2,0-2,2 м2/г, ультрадисперсного порошка UO2 с удельной поверхностью 10,5-11 м2/г и нанокристаллических порошков оксидов Gd2O3, ТiO2, Nb2O5, Аl2О3, Сr2О3. Содержание ультрадисперсного порошка UO2 в смеси - 5-10 % масс., нанокристаллических оксидных порошков Gd2O3 - 3-5 % масс., других оксидов - 0,02-0,1 % масс. Такое топливо существенно превосходит стандартное по показателю среднего размера зерна (25-60 мкм вместо 10-20 мкм). Технический результат - увеличение глубины выгорания топлива при его эксплуатации за счет увеличения зерна топливных таблеток, улучшение его технологических и эксплуатационных свойств за счет увеличения пластичности и, как следствие, повышение надежности работы тепловыделяющих элементов. 4 з.п. ф-лы, 2 табл.
Description
Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов
Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в технологии производства спеченных керамических топливных таблеток для ядерных реакторов, содержащих делящиеся материалы.
К ядерному топливу современных атомных реакторов предъявляют высокие требования, в частности по повышению эффективности топливоиспользования, что может быть достигнуто за счет увеличения глубины его выгорания при эксплуатации.
С повышением глубины выгорания топлива в периферийной области таблетки начинает образовываться специфическая микроструктура с образованием субзерен (уменьшается эффективный размер зерна) и образованием укрупненных газовых пузырьков по границам зерен (так называемая «rim»-структура), что приводит к повышенному выходу газообразных продуктов деления (ГПД) даже в условиях снижения линейной нагрузки, тем самым ухудшается работоспособность тепловыделяющих элементов.
Возможным путем решения этой проблемы является использование топлива с увеличенным размером зерна.
При производстве топливных таблеток для ядерных реакторов используются такие операции как подготовка пресс-порошка диоксида урана, прессование таблеток, их спекание и шлифование.
В настоящее время существует несколько способов получения топливных таблеток, описанных в монографии [1]. Среди них известен способ получения топливных таблеток, в котором порошок диоксида урана получают через аммонийуранилтрикарбонат (АУК-процесс). К недостаткам этого способа следует отнести низкую плотность прессованных таблеток, близкую к нижнему пределу - около 10.4 г/см3, а также высокую температуру спекания полученных таблеток.
Кроме того, известен способ получения топливных таблеток, в котором порошок диоксида урана получают через полиуранат аммония (АДУ-процесс) [1]. Полученный порошок с размером частиц от 4 до 30 мкм прессуют в таблетки, спекают и шлифуют. Недостатком данного способа является неоптимальный (не более 10-20 мкм) средний размер зерен таблеток, что приводит к неполному по глубине выгоранию и неиспользованию ресурса тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) в полном объеме.
Известен способ изготовления керамических топливных таблеток ядерных реакторов [2] в котором используют особые свойства ультрадисперсного (нано-) состояния вещества, в числе которых развитая удельная поверхность и большая запасенная внутренняя энергия [3], путем добавки ультрадисперсного (нанокристаллического) порошка (УД) диоксида урана в количестве от 5-10 до 30% в смесь для прессования таблеток, что приводит к увеличению размера зерна до 30 мкм при спекании, либо к снижению температуры спекания при сохранении стандартного размера зерна.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранным в качестве прототипа является способ получения ядерного уран-гадолиниевого топлива высокого выгорания на основе диоксида урана [4], в котором применяют добавки микрокристаллических порошков оксидов алюминия и хрома, при производстве топливных таблеток с выгорающим поглотителем Gd2O3, что приводит к росту размера зерна и увеличению глубины выгорания топлива. Недостатком данного способа является недостаточно большой размер зерна получаемых таблеток (20-25 мкм), что приводит к неполному выгоранию топлива в процессе эксплуатации вследствие распухания и разрушения топливных таблеток.
Технический результат, на который направлено изобретение, заключается в увеличении глубины выгорания и продлении топливной кампании уран-гадолиниевых таблеток на сроки более 5 лет.
Указанный технический результат достигается за счет увеличения размера зерна топливных таблеток путем введения в исходную смесь для прессования таблеток добавок оксидных нанокристаллических порошков. В предлагаемом способе изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов, включающем прессование и спекание из порошка диоксида урана, к стандартному порошку UO2 с удельной поверхностью частиц 2,0-2,2 м /г до прессования добавляют ультрадисперсный порошок UO2 с удельной поверхностью 10,5-11,0 м2/г, в количестве 5-10% масс., и нанокристаллический порошок оксида Gd2O3 от 3 до 5% масс., затем в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксидов 3-х, 4-х и 5-ти зарядных металлов. Частицы ультрадисперсного порошка диоксида урана (УД), средний размер которых не превышает длину диффузии вакансии урана за время выдержки спрессованной таблетки при температуре спекания, и частицы оксидных нанопорошков, окружающие более крупные частицы стандартного порошка (Ст), играют роль диффузионных мостов между ними. Их диффузионное сцепление обеспечивается не только пятнами взаимного контакта, но и нанокристаллическими частицами. При этом для заполнения пустот в частицах Ст порошка мелкими частицами УД порошка UO2 и нанокристаллических порошков оксидов металлов необходимо содержание в смеси нанокристаллического порошка UO2 до 5-10%, а оксидных порошков до 0,02-0,1% (в зависимости от частных случаев добавок). Добавки меньших количеств нанопорошков не дают заметного эффекта по увеличению зерна, а превышение указанных диапазонов влечет недопустимое снижение плотности получаемых таблеток.
При этом, в частном случае предлагаемого способа в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксидов 3-зарядных металлов, в качестве которых используют Al2O3 от 0,012 до 0,015% масс, и Сr2O3 от 0,006 до 0,015%.
В другом частном случае в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки 4-зарядного металла, в качестве которого используют ТiO2 от 0,012 до 0,015% масс.
В другом частном случае в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки 5-зарядного металла, в качестве которого используют ND2O5 от 0,006 до 0,015% масс.
В другом частном случае в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют совокупность нанокристаллических порошков 3-, 4- и 5-зарядных металлов, а именно: Al2O3 от 0,012 до 0,015% масс, Сr2O3 от 0,006 до 0,015%, ТiO2 от 0,012 до 0,015% масс., Nb2O5 от 0,006 до 0,015% масс.
Далее приведены примеры реализации предлагаемого способа.
Во всех приведенных ниже примерах порошки перед прессованием смешивали в течение 3 часов в смесителе типа «пьяная бочка» (п=15 об/мин).
УД порошок диоксида урана получали методом осаждения полиураната аммония (ПУА) при температуре 50-55°С из раствора уранилнитрата с концентрацией урана 75 г/дм. Осаждение проводили по методу "последней капли" - совместным сливанием аммиачной воды и раствора нитрата уранила в буферный раствор. Значение рН системы поддерживали в диапазоне 3,5-8,5. Осаждение длилось 0,5 часа, агитация пульпы 0,5 часа. Отфильтрованный осадок ПУА промывали в дистиллированной воде, сушили на воздухе и прокаливали при температуре 650°С до закиси-окиси урана. Порошок диоксида урана получали путем восстановления ПУА при температуре 650°С в токе водорода.
При синтезе однофазных нанокристаллических оксидных порошков (за исключением готовых реактивов Nb2O5 марки «ЧДА») использовалась следующая методика: исходные растворы солей металлов осаждались водным раствором NH4OH при рН 9-10. Полученные осадки промывали дистиллированной водой, сушили при 90°С в течение 10-12 ч. Высушенные осадки растирали в агатовой ступке. Далее прекурсоры подвергали изотермическому отжигу при температуре 600°С в течение 3 ч.
Физико-химические характеристики Ст и УД диоксида урана и нанокристалличе-ских порошков оксидов Gd2O3, ТiO2, Nb2O5, Al2O3, Сr2Oз приведены в таблице 1.
Предварительную смесь, общую для всех примеров, готовили смешивая УД порошок UO2 в количестве 5% масс, стандартный UO2 и порошок Gd2O3 в количестве 5% масс.
В первом примере в предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляли нанокристаллические порошки Al2O3 в количестве 0,015% масс, и Сr2О3 в количестве 0,006% масс.
Во втором примере в предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляли нанокристаллический порошок ТiO2 в количестве 0,015% масс.
В третьем примере в предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляли нанокристаллический порошок Nb2O5 в количестве 0,006% масс.
В четвертом примере в предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляли нанокристаллические порошки всех вышеперечисленных оксидов в вышеуказанных соотношениях.
После этого полученные смеси прессовали в таблетки по стандартной технологии и спекали при температуре 1750°С.
Составы смесей получаемых таблеток представлены в таблице 2.
На основании данных измерений микроструктуры топливных таблеток с помощью растровой электронной микроскопии установлено, что добавки нанокристаллических порошков Gd2O3, Al2O3, Сr2О3, ТiO2, Nb2O5 увеличивают рост зерна в 2-3 раза, по сравнению с исходным UO2.
Введение добавок нанокристаллических порошков увеличивает также пластичность таблетки, что положительно влияет на эксплуатационные свойства тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ).
На основании проведенных исследований определены условия изготовления модифицированного ядерного топлива:
- доля ультрадисперсных (нанокристаллических) порошков U02 в составе таблеток не должна превышать 5-10%, т.к. при их большей концентрации плотность исходной смеси значительно отличается от теоретической и для прессования потребуется либо высокие давления, либо экстремально высокие скорости;
- основой исходной смеси порошков должны быть крупнокристаллические порошки диоксида урана, производимые на предприятиях атомной отрасли Российской Федерации (ОАО ТВЭЛ), для которых создано технологическое оборудование;
- количество добавки оксида гадолиния должно быть в диапазоне 3-5% масс, чтобы она растворилась в основной фазе диоксида урана;
Таким образом, приведенные примеры показывают, что ядерное уран-гадолиниевое топливо, выполненное в соответствии с частными случаями изобретения (добавки нанокристаллических порошков оксидов ТiO2, Nb2O5, Al2O3, Сr2O3 или их совокупности), существенно превосходит стандартное топливо по показателю среднего размера зерна - 25-63 мкм (вместо 10-20 мкм). Практическое использование предлагаемого топлива позволит существенно повысить надежность ТВЭЛов при работе атомных электростанций как в штатных, так и переходных режимах, и повысить глубину выгорания такого топлива. Кроме того, технологические и эксплуатационные свойства легированного топлива улучшаются за счет увеличения пластичности (снижение сопротивления деформированию), повышая тем самым надежность работы тепловыделяющих сборок.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, (1995).
2. Петрунин В.Ф., Малыгин В.Б., Федотов А.В. и др. Способ изготовления керамических топливных таблеток ядерных реакторов, патент РФ №2186431, (2002).
3. Морохов И.Д., Петинов В.И., Петрунин В.Ф. и др. Успехи физических наук, т.133, (1981).
4. Лысиков А.В., Кулешов А.В., Самохвалов А.Н. Ядерное уран-гадолиниевое топливо высокого выгорания на основе диоксида урана и способ его получения, патент РФ №2362223, (2009).
Таблица 1 | ||||
Порошок | Удельная поверхность, м2/г | Плотность, г/см3 | Размер кристаллитов (ОКР), нм | Фазовый состав |
Gd2O3 | 29,8 | 2,01 | 13 | Кубический Gd2O3 |
Аl2O3 | 33,12 | 0,86 | 5 | Кубический γ-Аl2O3 |
Cr2O3 | 13,3 | 0,93 | 29 | Эсколаит |
TiO2 | 16,2 | 1,13 | 29 | Анатаз |
Nb2O5 | 3,2 | 0,92 | 49 | Моноклинный Nb2O5 |
UO2 (УД) | 11,0 | 1,65 | 46 | Кубический UO2 |
UO2 (Ct) | 2,2 | 1,97 | - | Кубический UO2 |
Таблица 2 | |
Образец | Средний размер зерна, [мкм] |
UO2 (Ст) + 5% UO2 (УД) + 5% Gd2O3 + Аl2O3 (0,015% масс. А1) + Сr2O3 (0,006% масс. Сr) | 40,39 |
UO2 (Ст) + 5% UO2 (УД) + 5% Gd2O3 + ТiO2 (0,015% масс. Ti) | 28,11 |
UO2 (Ст) + 5% UO2 (УД) + 5% Gd2O3 + Nb2O5 (0,006% масс. Nb) | 26,3 |
UO2 (Ст) + 5% UO2 (УД) + 5% Gd2O3 + Nb2O5 (0,006% масс.Nb) + Al2O3 (0,015% масс. Al) + Cr2O3 (0,006% масс. Сr) + ТiO2 (0,015% масс. Ti) | 63,09 |
Claims (5)
1. Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов, включающий прессование и спекание из порошка диоксида урана, отличающийся тем, что до прессования к стандартному порошку UO2 с удельной поверхностью частиц 2,0-2,2 м2/г добавляют ультрадисперсный порошок UO2 с удельной поверхностью 10,5-11,0 м2/г в количестве 5-10 мас.%, и нанокристаллический порошок оксида Gd2O3 от 3 до 5 мас.%, затем в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксидов 3-, 4- и 5-зарядных металлов или совокупность оксидов 3-, 4- и 5-зарядных металлов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксидов 3-зарядных металлов, в качестве которых используют Al2O3 от 0,012 до 0,015 мас.%, и Cr2O3 от 0,006 до 0,015 мас.%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксида 4-зарядного металла, в качестве которого используют ТiO2 от 0,012 до 0,015 мас.%.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют нанокристаллические порошки оксида 5-зарядного металла, в качестве которого используют Nb2O5 от 0,006 до 0,015 мас.%.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полученную предварительную смесь изотопов урана и оксида гадолиния добавляют совокупность нанокристаллических порошков оксидов 3-, 4- и 5-зарядных металлов, в качестве которых используют Al2O3 от 0,012 до 0,015 мас.%, Cr2O3 от 0,006 до 0,015 мас.%, TiO2 от 0,012 до 0,015 мас.%, и Nb2O5 от 0,006 до 0,015 мас.%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012130651/07A RU2504032C1 (ru) | 2012-07-17 | 2012-07-17 | Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012130651/07A RU2504032C1 (ru) | 2012-07-17 | 2012-07-17 | Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2504032C1 true RU2504032C1 (ru) | 2014-01-10 |
Family
ID=49884804
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012130651/07A RU2504032C1 (ru) | 2012-07-17 | 2012-07-17 | Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2504032C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20040029667A (ko) * | 2002-10-02 | 2004-04-08 | 한국원자력연구소 | SiO2-CaO-Cr2O3 첨가제를 함유한 이산화우라늄계핵연료 소결체 및 그 제조방법 |
US20070284766A1 (en) * | 2003-10-29 | 2007-12-13 | Andre Feugier | Method for the Production of Nuclear Fuel Pellets |
RU2362223C1 (ru) * | 2007-10-11 | 2009-07-20 | Открытое акционерное общество "Высокотехнический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Ядерное уран-гадолиниевое топливо высокого выгорания на основе диоксида урана и способ его получения (варианты) |
RU2376665C2 (ru) * | 2007-12-27 | 2009-12-20 | Открытое акционерное общество "ТВЭЛ" | Таблетка ядерного топлива высокого выгорания и способ ее изготовления (варианты) |
-
2012
- 2012-07-17 RU RU2012130651/07A patent/RU2504032C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20040029667A (ko) * | 2002-10-02 | 2004-04-08 | 한국원자력연구소 | SiO2-CaO-Cr2O3 첨가제를 함유한 이산화우라늄계핵연료 소결체 및 그 제조방법 |
US20070284766A1 (en) * | 2003-10-29 | 2007-12-13 | Andre Feugier | Method for the Production of Nuclear Fuel Pellets |
RU2362223C1 (ru) * | 2007-10-11 | 2009-07-20 | Открытое акционерное общество "Высокотехнический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" | Ядерное уран-гадолиниевое топливо высокого выгорания на основе диоксида урана и способ его получения (варианты) |
RU2376665C2 (ru) * | 2007-12-27 | 2009-12-20 | Открытое акционерное общество "ТВЭЛ" | Таблетка ядерного топлива высокого выгорания и способ ее изготовления (варианты) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Durazzo et al. | Phase studies in the UO2–Gd2O3 system | |
JP5508369B2 (ja) | 異種添加元素の結晶粒界及び結晶粒界付近の固溶濃度調節方法、及びそれを用いた結晶粒の大きい核燃料焼結体の製造方法 | |
RU2376665C2 (ru) | Таблетка ядерного топлива высокого выгорания и способ ее изготовления (варианты) | |
RU2352004C2 (ru) | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАБЛЕТОК ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ СМЕШАННОГО ОКСИДА (U, Pu)O2 ИЛИ (U, Th)O2 | |
US6808656B2 (en) | Method of producing a nuclear fuel sintered body | |
WO2019085592A1 (zh) | 燃料芯块及其制造方法 | |
CN107099716A (zh) | 界面强化钼合金及其制备方法 | |
KR20140087897A (ko) | 세라믹 미소셀이 배치된 핵분열생성물 포획 소결체 및 이의 제조방법 | |
RU2504029C2 (ru) | Способ изготовления таблетки ядерного керамического топлива | |
US20130223582A1 (en) | Fabrication method of burnable absorber nuclear fuel pellets and burnable absorber nuclear fuel pellets fabricated by the same | |
RU2362223C1 (ru) | Ядерное уран-гадолиниевое топливо высокого выгорания на основе диоксида урана и способ его получения (варианты) | |
JP4690623B2 (ja) | 廃棄物固定化用のセラミック媒質及び再処理核燃料集合体からの廃棄物を固定化する方法 | |
RU2504032C1 (ru) | Способ изготовления керамических топливных таблеток с выгорающим поглотителем для ядерных реакторов | |
RU2711006C1 (ru) | Способ изготовления керамического ядерного топлива с выгорающим поглотителем | |
JPS60188881A (ja) | 酸化物核燃料焼結体の製造方法 | |
RU2428757C1 (ru) | Способ изготовления таблеток ядерного оксидного топлива | |
RU2577272C1 (ru) | Способ получения таблетированного диоксида урана | |
RU2502141C1 (ru) | Уран-гадолиниевое ядерное топливо и способ его получения | |
RU2339094C2 (ru) | Таблетка ядерного уран-эрбиевого керамического топлива | |
KR20010001112A (ko) | 중성자 흡수물질을 함유한 산화물 핵연료 소결체의 제조방법 | |
RU2734692C1 (ru) | Способ получения топливных композиций на основе диоксида урана с добавкой выгорающего поглотителя нейтронов | |
RU2421834C1 (ru) | Способ изготовления керамических топливных таблеток для тепловыделяющих элементов ядерного реактора | |
Yaylı | Production of annular and compact type burnable absorber nuclear fuel pellets by powder metallurgy and sol gel route | |
RU2268507C2 (ru) | Таблетка ядерного керамического топлива с регулируемой микроструктурой | |
Park et al. | Effect of impurities on the microstructure of DUPIC fuel pellets using the SIMFUEL technique |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190718 |