Получение силицидов урана

Топливная составляющая стоимости электроэнергии для реакторов PWR

с различным топливом, цент/(кВт^.час).

Статья расхода	UO2	U металлический
Изготовление и сборка твэлов	0,035	0,029
Чистая стоимость гексафторида урана	0,042	0,058
Чистая стоимость работ по разделению	0,055	0,056
Химическая переработка	0,014	0,024
Кредит на плутоний	-0,019	-0,041
Оборотный капитал	0,047	0,035
Сумма:	0,174	0,161

Однако применение этого вида топлива в водоохлаждаемых реакторах сдерживают два существенных недостатка: низкое допустимое выгорание и несовместимость с водой при высокой температуре. Первый недостаток связан с высоким распуханием уранового топлива под действием облучения, которое приводит к деформации и разрушению оболочки твэла. Поэтому топливо из металлического урана не может обеспечить достижение экономически приемлемого выгорания ~ (1-2)^.10⁴ МВт^.сут/т U. Второй недостаток может быть охарактеризован следующими цифрами: скорость коррозии металлического U в воде при 300°С составляет 9^.10³ мг/(см^2.ч).

Снижение влияния распухания металлического урана на разрушаемость твэлов решается за счет конструктивных приемов изготовления сердечника твэла. Его делают с центральным осевым отверстием, за счет которого распухание происходит не «наружу» с разрушением оболочки, а «внутрь», без разрушения оболочки твэла. Уменьшение коррозионной активности можно достигнуть за счет применения сплавов урана с легирующими антикоррозионными добавками, или созданием на поверхности топливного уранового сердечника дополнительной защитной оболочки, например пленки.

Сплавы урана с кремнием как раз и относятся к сплавам с высокой коррозионной стойкостью. В то же время, как следует из данных табл.2, силицид урана U₃Si также относится к топливу повышенной плотности. Таким образом, использование силицида урана вместо металлического урана и керамического UO₂ может устранить недостатки обоих видов топлива и получить значительный экономический эффект при производстве электроэнергии на водоохлаждаемых реакторах.

В литературе описан только один способ получения силицида U₃Si путем сплавления металлического урана с чистым кремнием при высоких температурах с последующим отжигом образующегося двухфазного сплава при ~ 800°С. Т.к. процесс отжига приводит к получению d-фазы или U₃Si, его называют дельтезированием.

При сплавлении U и Si при 1650°С образуется однофазный жидкий расплав, который затвердевает при 985°С с образованием кристаллов U₃Si₂ и эвтектики U – U₃Si₂. При охлаждении часть образовавшихся компонентов может прореагировать по реакции:

U₃Si₂ + 3U ® 2U₃Si

Плавку U с Si проводят в вакууме (остаточное давление 1,22 МПа) в индукционной печи в тиглях из графита, BeO или ThO₂. Графитовые тигли покрывают оксидами металлов – BeO, ZrO₂ или ThO₂ для уменьшения загрязнения продуктов реакции углеродом. Исходный уран загружают в тигли в виде штабиков с размерами 25´25´8 мм. Кремний вводят в виде предварительно уплотненного прессованием порошка. Температура ванны не должна быть ниже 1650°С, т.к. при более низкой температуре верхний слой обогащается кремнием. Процесс необходимо проводить при тщательном перемешивании. Время выдержки при 1650°С составляет 10 минут. После этого сплав, охлажденный до 1600°С, переливают в медную водоохлаждаемую изложницу в заготовки диаметром 32 мм. Возможно также применение графитовых изложниц с покрытием из тугоплавких оксидов металлов.

Полученный сплав не является силицидом U₃Si. Его образование протекает при равновесной температуре 930°С, но на практике эта температура на 100-150°С ниже. Поэтому образование U₃Si или d-фазы проводят при ~ 800°С в течение длительного времени. Минимальное время составляло 68 часов, максимальное –15 дней. И даже такой продукт содержит остаток U₃Si₂. Структура полученного сплава U₃Si зависит от температуры, при которой проводили дельтезирование. При температуре выше 760°С наблюдается мартенситная структура с наличием полос и подполос, рис.2, а. При температурах меньше 760°С наблюдается немартенситная структура, рис.2, б, состоящая из зерен различного размера. Чем ниже температура дельтезирования, тем меньше размер зерен. Во время пластической деформации мартенситные двойники исчезают.

Рис.2. Микроструктура силицида урана U₃Si после перитектоидной реакции

при 860°С (а) и 620°С (б).

Силициды урана другого состава также получали сплавлением металлического урана и кремния. U₃Si₂ получали сплавлением при 1550°С в вакууме. Полученные слитки измельчали в порошок, прессовали при комнатной температуре и давлении 147 МПа, после чего спекали в атмосфере аргона при 1350°С в течение 45 минут. Для ускорения процесса спекания вводили добавку железа в количестве 0,15 % масс.

Для получения U₃Si₂ использовали также реакционное горячее прессование порошков U и Si, взятых в требуемой пропорции. Прессование проводили в графитовых пресс-формах при давлении 300 МПа и температуре 800°С с последующим подъемом до 1200°С.

Силициды урана состава USi, USi₂ и USi₃ также получали взаимодействием порошков U и Si в вакууме при различных температурах. Взаимодействие между ураном и кремнием начинается при 600°С. Затем температуру повышают ступенчато с промежуточным размалыванием и прессованием получаемого продукта. Конечная температура для получения USi и USi₂ составляла 1400°С, а для USi₃ - 1000°С.

Дата добавления: 2014-01-04