способ изготовления таблеток ядерного топлива
Классы МПК: | G21C3/62 керамическое G21C19/42 переработка облученного топлива C01G43/00 Соединения урана |
Автор(ы): | Межуев В.А., Потоскаев Г.Г., Курсков В.С., Иванов А.В., Седельников О.Л., Головешкин А.В., Балагуров Н.А., Маловик В.В., Доронин А.С., Белынцев А.М., Милованов О.В., Кузнецов В.Ф., Пономарев-Степной Н.Н., Морозов А.Г. |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-05-21 публикация патента:
10.04.2003 |
Изобретение относится к ядерной энергетике и касается технологии изготовления таблеток ядерного топлива путем смешения сырьевых порошков с различной концентрацией содержания урана-235 и повышенным содержанием урана-234 и урана-236, в частности при использовании порошков регенерированного ядерного топлива. Способ включает смешение до требуемой степени однородности и заданного содержания урана-235 порошков с различным содержанием урана-235, которые соответственно хранятся в различных емкостях, и прессование таблеток ядерного топлива. Предварительно рассчитывают содержание урана-235 в смеси из выражения

где Ri - содержание урана-235 в емкости i;
mi - масса порошка, выбранная на смешение из емкости i;
М - масса смеси, кг;
n - общее количество емкостей в первой и второй группах. Затем для получения заданного содержания урана-235 определяют величину компенсации
R, обусловленную поглощением тепловых нейтронов ураном-234 и ураном-236. После чего определяют массу порошка
m, которую необходимо добавить в смесь из емкости с максимальным содержанием урана-235 для получения точного значения заданного содержания урана-235. В результате упрощается регулирование заданного содержания урана-235, снижается отклонение массы полученной смеси от заданного значения, также расширяется диапазон характеристик используемых сырьевых порошков и обеспечивается компенсация негативного влияния изотопов урана-234 и урана-236. 4 з.п. ф-лы, 9 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9

где Ri - содержание урана-235 в емкости i;
mi - масса порошка, выбранная на смешение из емкости i;
М - масса смеси, кг;
n - общее количество емкостей в первой и второй группах. Затем для получения заданного содержания урана-235 определяют величину компенсации


Формула изобретения
1. Способ изготовления таблеток ядерного топлива, включающий смешение до требуемой степени однородности и заданного содержания R3 урана-235 порошков с различным содержанием урана-235, которые соответственно хранятся в различных емкостях, и прессование таблеток ядерного топлива, отличающийся тем, что выбирают в первую группу емкости с порошками, в которых содержание R% урана-235 составляет 0,1%<R



где Ri - содержание урана-235 в емкости i, %;
mi - масса порошка, выбранная на смешение из емкости i;
n - общее количество емкостей в первой и второй группах;
М - масса смеси, кг,
затем для получения заданного содержания R3 урана-235 определяют величину компенсации


где k4=(0,2

k6=(0,03

С4,i - содержание урана-234 в порошке емкости i;
С6,i - содержание урана-236 в порошке емкости i;
затем при выполнении условия:
Rсм


по формуле:

где mmax - масса порошка, выбранная на смешение из емкости с максимальным содержанием урана-235, кг;
С4,max - содержание урана-234 в емкости с максимальным содержанием урана-235, %;
С6,max - содержание урана-236 в емкости с максимальным содержанием урана-235, %;
Rmax - содержание урана-235 в емкости с максимальным содержанием урана-235, %,
определяют массу



Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к ядерной энергетике и касается технологии изготовления таблеток ядерного топлива путем смешения сырьевых порошков с различной концентрацией содержания урана-235 и повышенным содержанием урана-234 и урана-236, в частности при использовании порошков регенерированного ядерного топлива, особенно для реакторов типа CANDY (канадский дейтерий-урановый реактор с тяжелой водой под давлением). Уровень техникиПроцесс изготовления таблеток ядерного топлива заключается в формовании порошков оксидов урана в сырые таблетки, которые затем спекаются до необходимой плотности. К спеченным таблеткам предъявляются довольно жесткие требования по плотности, геометрическим размерам, микроструктуре, термической стабильности и другим параметрам. Для обеспечения этих требований порошки, подаваемые на прессование, должны обладать определенными характеристиками по фракционному составу, текучести, насыпной плотности и другими свойствами. Как правило, исходные порошки диоксидов урана, изготовленные по различным технологическим схемам, необходимыми свойствами не обладают. Поэтому исходные порошки диоксидов урана подвергают предварительному интенсивному измельчению, обычно истирающим воздействием, например, в шаровых мельницах для обеспечения однородности свойств по объему. Затем полученный продукт либо гранулируют в распылительных сушилках, либо уплотняют путем прокатки валками или прессованием шашки с последующей грануляцией на ситах. После чего осуществляют прессование таблеток, в частности, без использования жидких добавок - пластификаторов, т.е. реализуют так называемый "сухой" метод изготовления таблеток ядерного топлива. При этом необходимо обеспечить заданную концентрацию (обогащение) урана-235. Известен способ изготовления ядерного топлива в виде смеси изотопов урана (Синев Н.М. Экономика ядерной энергетики. Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. Экономика АЭС, М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 139). Способ заключается в том, что в качестве исходного сырья используют смесь изотопов урана, которую фторируют до получения гексафторида урана. Далее гексафторид урана подвергают возгонке в виде газовой фазы, которую разбавляют газовой фазой гексафторида естественной смеси изотопов урана с целью уменьшить содержание урана-236. Известный способ энергоемок и не позволяет регулировать концентрацию вредных изотопов - уран-232, уран-234 и уран-236, поскольку в процессе обогащения методом газовой диффузии повышается их концентрация. Повышение концентрации вредного изотопа уран-232 приводит к затруднениям при дальнейшем изготовлении ядерного топлива (порошка, таблеток, тепловыделяющих элементов) из-за мощного и вредного излучения продуктов его распада и загрязнения рабочих помещений. Известен способ изготовления ядерного топлива, заключающийся в механическом смешении порошков двуокиси урана и двуокиси плутония, с последующим прессованием смеси для изготовления таблеток, которые затем измельчают до крошки, в которую добавляют порошок двуокиси урана (Ле Бастар Ж. Рециклирование и приготовление смешанного оксидного топлива: достижения Франции и Бельгии. "Атомная техника за рубежом", 11, 1995). После смешивания крошки и двуокиси урана из них прессуют и обжигают керамические таблетки ядерного топлива. Данный способ не позволяет обеспечить требуемую гомогенность, что негативно сказывается на надежности таблеток ядерного топлива. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому способу является способ изготовления таблеток ядерного топлива, включающий смешение до требуемой степени однородности и заданного содержания R3 урана-235 порошков с различным содержанием урана-235, которые соответственно хранятся в различных емкостях, и прессование таблеток ядерного топлива (RU 2110856, G 21 С 19/42, 10.05.1998). Способ заключается в смешивании трех компонентов порошков закиси-окиси урана. В процессе смешивания производят контролирование и регулирование до заданных концентраций изотопов урана. Это обеспечивается тем, что содержание вредных изотопов урана во втором компоненте существенно ниже, чем в первом компоненте. Известный способ основан на экспериментальном подборе массы каждого компонента для получения порошка с заданными параметрами. В результате общая масса смеси порошков, направляемых на гомогенизацию, может отличаться от заданной величины, что ухудшает процесс перемешивания, поскольку смесители проектируют на определенную оптимальную массу порошка, при которой достигается максимальная эффективность гомогенизации. Кроме того, известный способ предполагает существенное снижение содержания урана-234 и урана-236, которые поглощают тепловые нейтроны. Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка и создание способа изготовления таблеток ядерного топлива, обладающего улучшенными параметрами. В результате решения данной задачи возможно получение новых технических результатов, заключающихся в том, что упрощается регулирование заданного содержания урана-235, снижается отклонение массы полученной смеси от заданного значения, также расширяется диапазон характеристик используемых сырьевых порошков и обеспечивается компенсация негативного влияния изотопов урана-234 и урана-236. Данные технические результаты достигаются тем, что в способе изготовления таблеток ядерного топлива, включающем смешение до требуемой степени однородности и заданного содержания R3 урана-235 порошков с различным содержанием урана-235, которые соответственно хранятся в различных емкостях, и прессование таблеток ядерного топлива, выбирают в первую группу емкости с порошками, в которых содержание R% урана-235 составляет 0,1%<R




где Ri - содержание урана-235 в емкости i, %;
mi - масса порошка, выбранная на смешение из емкости i;
n - общее количество емкостей в первой и второй группах;
М - масса смеси, кг,
затем для получения заданного содержания R3 урана-235 определяют величину компенсации


где k4=(0,2-0,3) - коэффициент компенсации по урану-234;
k6=(0,03-0,04) - коэффициент компенсации по урану-236;
C4,i - содержание урана-234 в порошке емкости i;
C6,i - содержание урана-236 в порошке емкости i,
затем при выполнении условия
RСМ


по формуле

где

C4,max - содержание урана-234 в емкости с максимальным содержанием урана-235, %;
C6,max - содержание урана-236 в емкости с максимальным содержанием урана-235, %;
Rmax - содержание урана-235 в емкости с максимальным содержанием урана-235, %,
определяют массу









Настоящее изобретение проиллюстрировано ниже приведенными примерами, показывающими реальную возможность осуществления описываемого способа. Пример 1. Необходимо получить 2500-3000 кг порошка с компенсацией по урану-234 и урану-236 из порошков UO2 с R0=0,71




Таким образом, в орбитально-шнековый смеситель загружаем порошок из емкостей 1-12 и часть






Таким образом, в орбитально-шнековый смеситель загружаем порошок из емкостей 1-11 и часть






Таким образом, в орбитально-шнековый смеситель загружаем порошок из емкостей 1-10 и часть






Так как


Таким образом, в орбитально-шнековый смеситель загружаем порошок из емкостей 1-11 и часть






Так как


Таким образом, в орбитально-шнековый смеситель загружаем порошок из емкостей 1-10 и часть


Класс G21C19/42 переработка облученного топлива
Класс C01G43/00 Соединения урана