Изготовление таблеток топлива

Полученный тем или иным способом порошок UO₂ направляют на стадию изготовления таблеток холодным прессованием. Следует напомнить, что порошки UO₂, полученные различными способами, обладают разной способностью к спеканию. Поэтому для каждого типа порошка схемы и режимы приготовления таблеток должны быть специально отработаны. Главными этапами в изготовлении таблеток являются следующие операции:

· смешивание порошка UO₂ со связующими и смазочными материалами (пластификаторами),

· гранулирование порошка с целью образования частиц, обладающих свободной текучестью,

· прессование гранулированного порошка с образованием таблеток,

· нагревание таблеток в течение нескольких часов при 500-800 °С в атмосфере СО₂ с целью удаления летучих компонентов связующих и смазочных материалов,

· спекание таблеток в атмосфере Н₂ при 1550-1700 °С,

· доведение таблеток до заданных размеров при помощи шлифования.

В качестве связующих и смазочных материалов используют полиэтилен гликоль (карбовакс), поливиниловый спирт, стеарат цинка, стеариновую кислоту или парафин. Эти материалы вводят в порошок UO₂ в сухом виде в количестве до 3 % или в форме растворов в воде, спирте или CCl₄. Применяемые добавки позволяют:

· улучшить однородность таблеток,

· уменьшить уровень пылеобразования,

· получить механически прочные таблетки при холодном компактировании.

Продолжительность спекания таблеток и температура оказываются критическими параметрами для конечной плотности таблеток. Спеченные таблетки могут иметь плотность от 90 до 98 % от теоретической в зависимости от природы порошка UO₂, плотности зеленой (сырой) таблетки, продолжительности, температуры и состава атмосферы спекания.

Следует заметить, что порошок UO₂, полученный пирогидролизом, изначально гранулирован и спекается без связующего материала до заданной плотности.

На заводе в Sprigfields, Великобритания, где производят оксидное топливо для реакторов AGR и LWR, используют способы обработки порошка UO₂ как с добавками связующего материала, так и без добавок.

Для получения высококачественных таблеток для топлива AGR обработку порошка проводят следующим образом. Сначала порошок поступает в мельницу, где крупные частицы измельчают при помощи мощного потока воздуха, подаваемого под высоким давлением. При этом увеличивается площадь удельной поверхности порошка. Размолотый порошок непрерывно суспедируют в растворе и добавляют связующий материал. Суспензию непрерывно подают в сушилку, где установлена температура примерно 70 °С. Управление распределением размеров гранул производят путем контроля за плотностью суспензии. Затем гранулы классифицируют, просеивая их через серию сит с целью удаления самых мелких и самых крупных гранул и оставляя для прессования гранулы с размерами, находящимися в довольно узком диапазоне.

Для изготовления таблеток топлива реакторов LWR применяют способ без добавления связующего материала. Однако в данном способе в Sprigfields (и во Франции) добавляют порообразующие добавки. Порообразующие добавки являются органическими веществами, называемыми в Великобритании CONPOR. Во Франции в качестве меры для управления распределения размера пор предложено к порошку UO₂ добавлять порошок U₃O₈.

Смесь порошка UO₂ и порообразующей добавки поступает на операцию предварительного компактирования с целью образования небольших брикетов. Затем брикеты дробят, порошок просеивают и кондиционируют. Таким сухим процессом гранулирования оказывается легче управлять, чем влажным способом с добавкой связующего. По имеющимся данным комбинация процессов IDR и CONPOR является лучшей для оптимизации структуры и характеристик таблеток.

Полученные для топлива AGR гранулы UO₂ после контроля их характеристик непрерывно направляют в автоматически работающие 60-тонные прессы, снабженные набором из четырех прессформ. Полученные таблетки передают в печь для удаления примеси связующего материала. В печи устанавливают температуру 860 °С. Нагрев производят в атмосфере из смеси СО₂ и Н₂. Окончательное уплотнение таблеток происходит в печи спекания в атмосфере Н₂ при температуре 1720-1760 °С. На новом комплексе в Sprigfields NOFC (New Oxide Fuel Complex) установлен автоматический, управляемый компьютером, пресс, снабженный мониторами для измерения многих параметров: глубины заполнения прессформ, скорости, давления и др.

Спеченные таблетки поступают на операцию шлифования. Здесь на шлифовальных кругах из карбида кремния или алмазных кругах таблеткам придают необходимые размеры.

Получение порошка и таблеток сопровождается аналитическим контролем для обеспечения требуемого качества топлива. Аналитические процедуры достаточно затратные, их стоимость составляет около 1/3 всей стоимости производства топлива. При этом аналитическими методами контролируются:

· содержание примесей, в том числе фторид-ионов, которого должно быть меньше 10 ppm (0,002-0,005 %),

· содержание влаги (< 0,0003-0,0005 %),

· стехиометрия топлива,

· пористость,

· размер зерна топлива,

· плотность топлива и др.

У МОХ-топлива контролируется размер зерен и распределение PuO₂, а у топлива с выгорающим поглотителем нейтронов, например Gd₂O₃, – гомогенность распределения Gd₂O₃.

Кроме того, проводят инспекцию таблеток и дефектные таблетки изымаются для того, чтобы они не попали на операцию изготовления ТВЭЛов.