Методы изготовления дисперсионного высокотемпературного топлива

Для высокотемпературных топливных дисперсионных композиций в качестве матрицы используются вольфрам, молибден, тантал, ниобий, окись бериллия, окись алюминия, окись магния и др.

Для изготовления твэлов дисперсионного типа применяют методы порошковой металлургии и, прежде всего такие технологические операции, как перемешивание, прессование и спекание.

Характерной особенностью изготовления дисперсионных композиций является специальная подготовка топливного материала из двуокиси урана, заключающаяся в сфероидизации частиц UO₂ и нанесении на их поверхность металлических или керамических покрытий. Такой подготовке топливного материала уделяется большое внимание. Ее осуществляют все чаще, несмотря на то, что при этом несколько повышается стоимость твэлов. Переход на использование в твэлах дисперсионного типа топливной фазы в виде сферических частиц объясняется стремлением повысить живучесть твэлов.

16.3.1. Методы получения микросфер UO₂.

Топливные частицы с гладкой шаровой поверхностью и плотностью, приближающейся к теоретической, обладают высокой прочностью и менее склонны к образованию строчной структуры сердечников твэлов при их пластической деформации в процессе изготовления. Таким образом, сферические частицы UO₂ обеспечивают более совершенную изотропную структуру сердечников твэлов, обладающую повышенной радиационной стойкостью. Кроме того, при использовании порошка со сферическими частицами появляются дополнительные возможности повысить радиационную стойкость твэлов дисперсионного типа за счет создания сложных структур их сердечников, включающих частицы топливосодержащей фазы, покрытые различными металлами, керамикой или графитом.

Известно несколько способов получения порошка UO₂ со сферическими частицами, пригодного в той или иной степени для использования в твэлах дисперсионного типа. Условно все методы можно разделить на химические и механические.

К химическим методам относятся такие, в которых двуокись урана получают восстановлением высших окислов урана в виде предварительно сформированных сферических частиц. Конечный продукт, как правило, состоит из микросфер с луковичной структурой, имеющих повышенную пористость, обусловленную изменением объема при переходе UO₃ в UO₂. Прочность частиц даже после спекания невелика, что ограничивает их применение в твэлах дисперсионного типа с жаропрочной матрицей, технология изготовления которых, связана с операциями пластической деформации материала.

Порошки с лучшими характеристиками получают формованием частиц с последующим их спеканием. Эти порошки пригодны для использования в сердечниках твэлов на основе жаропрочных материалов. Существует несколько разновидностей метода формирования сферических частиц UO₂ механическим путем.

Один из них заключается в прессовании исходной двуокиси урана и измельчении прессовок до частиц нужных размеров. Для придания частицам формы, близкой к сферической, их обкатывают в шаровой мельнице, а затем спекают при 1600 — 1750°С.

Порошки с плотными частицами сферической формы и размерами в пределах 100 — 500 мкм изготавливают методом виброобкатки гранулированного порошка с последующим спеканием сформированных сферических частиц. Используется порошок двуокиси урана, который для уничтожения присутствующих в нем конгломератов подвергают мокрому измельчению в шаровой или вибрационной мельнице. Размолотый продукт фильтруют и сушат при 80°С; 97% обработанного таким образом порошка проходит через сито с ячейкой 40 мкм. Порошок увлажняют раствором поливинилового спирта, сушат и прессуют под давлением 1,8 т/см² в брикеты цилиндрической формы диаметром 10 — 20 мм, которые затем измельчают до гранул необходимых размеров.

Установлено, что нецелесообразно прессовать брикеты больших размеров, так как при их измельчении получается много мелкой фракции, что невыгодно при производстве гранул размером — 0,5+ 0,3 мм. При измельчении крупных брикетов выход этой фракции не превышает 15%. Правильный выбор размеров брикетов и способа измельчения обеспечивает выход частиц в пределах размеров 3,0 — 5,0 мм, равный 60%. Наилучшие результаты получаются при измельчении прессованных дисков диаметром 11 мм и высотой 1,8 мм. Измельчение проводят последовательно на нескольких полотнах вибросита, установленных одно над другим; на каждом из них помещают металлический стержень диаметром 38 мм и длиной 125 мм,весом 600 г. Такой метод измельчения сводит к минимуму образование мелких фракций.

Сферическую форму гранулам придают при помощи виброобработки. В этом случае сфероидизация гранул происходит вследствие беспорядочного их истирания одна о другую и о поверхность вибрирующего устройства, покрытую эпоксидной смолой, содержащей порошок карбида кремния. Источником вибрационных колебаний служит привод вибросита. Время обработки, необходимое для получения 90% сфер, составляет 9 ч.

Приготовленные таким образом сферы, спекают на молибденовых лотках, в электропечи в атмосфере диссоциированного аммиака при 1600°С. Толщина засыпки сфер в лотки может быть значительной — до 18 мм. В процессе спекания наблюдается агломерация сфер, которая легко уничтожается при просеве спеченного продукта. Плотность частиц порошка двуокиси урана, обработанного по этому методу, составляет 10,55 г/см³, а их форма близка к сферической.

Калиброванные по размеру микросферы правильной формы могут быть получены шлифовкой спеченных кусочков продукта неправильной формы. Для шлифовки используют камеру в виде горизонтального цилиндра с небольшим отношением Н/D, внутренняя поверхность которой, покрыта абразивным материалом, рис.4.

Рис.4. Схема установки для получения калиброванных микросфер.

1 – калиброванные частицы;

2 – селектор;

3 – абразив;

4 – отверстия;

5 – подача газа;

Дата добавления: 2014-01-04