способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора и линия для осуществления способа

Формула изобретения

1. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающий подготовку исходных порошков оксидов урана с высоким и низким содержанием урана-235, смешивание подготовленного порошка с порошком оксида урана U ₃O₈ и сухим пластификатором, прессования таблеток из смеси порошков, спекание таблеток, шлифование, сушку и отбраковку таблеток, отличающийся тем, что подготовку исходных порошков оксидов урана с высоким и низким содержанием урана-235 производят двухстадийным смешением в среде инертного газа, при этом на первой стадии смешение порошков производят в планетарно-шнековом смесителе в среде азота при подаче его в смеситель с расходом 1-3 м³/ч при рабочем объеме смесителя 0,5-3,5 м³, при объемном коэффициенте загрузки смесителя не менее 0,35 и при переменной загрузке порций порошка массой каждой порции не более 700 кг в четыре-восемь циклов продолжительностью 15-20 мин каждого, с остановками между циклами 10-15 мин, после четырех циклов выгружают 250-350 кг порошка и загружают вновь в верхнюю часть смесителя, а на второй стадии производят смешение порошка в среде инертного газа в агрегате комплексной обработки порошка, обе стадии смешения производят при непрерывной загрузке и выгрузке в биконические контейнеры, после чего подготовленные порошки направляют на последующие операции изготовления таблетированного топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешение исходных порошков оксидов урана в планетарно-шнековом смесителе проводят при скорости вращения смесительного шнека 0,5-1,0 об/мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешение исходных порошков оксидов урана в агрегате комплексной обработки порошка, выполненного в виде мельницы роторного типа, проводят при скорости вращения молотков 100-2000 об/мин и размерах ячеек сетки 500-800 мкм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешение исходных порошков оксидов урана в агрегате комплексной обработки порошка, выполненного в виде кольцевого помольно-рассеивающего устройства, проводят при размере ячеек сетки 500-630 мкм.

5. Линия изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающая агрегат смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U ₃O₈ и сухого пластификатора, агрегат прессования таблеток из смеси порошков диоксида урана UO ₂, оксида урана U₃О ₈ и сухого пластификатора, агрегат спекания таблеток, представляющий собой печь тоннельного типа с несколькими температурными зонами, в которых осуществляется нагрев, спекание в восстановительной среде и охлаждение таблеток, с продвижением лодочек с таблетками через зоны печи, агрегат мокрого шлифования поверхности таблеток, агрегат сушки таблеток, агрегат переработки бракованных таблеток, транспортные средства проводки с агрегата на агрегат порошка и таблеток, отличающаяся тем, что линия дополнительно снабжена расположенными последовательно перед агрегатом смешивания порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U ₃O₈ и сухого пластификатора агрегатом смешения порошков оксидов урана с различными значениями условной массовой доли урана-235 в виде конического смесителя планетарно-шнекового типа и агрегатом комплексной обработки порошка, выполненным в виде молотковой мельницы роторного типа, снабженной шестью U-образными молотками и сеткой с ячейками, выполненной из нержавеющей стали, или в виде кольцевого помольно-рассеивающего устройства, содержащего корпус в виде размещенной на виброопорах кольцевой емкости, в кольцевом пространстве которой размещены на равном расстоянии друг от друга механизмы дробления в виде шарнирно закрепленных с одной стороны механических плит с рифлеными нижними поверхностями, взаимодействующими с металлическими плитами, расположенными под каждой из них, и съемные сетки с ячейками заданного размера, расположенные на одном уровне с металлическими плитами в остальной части кольцевого пространства емкости.

6. Линия по п.5, отличающаяся тем, что агрегат комплексной обработки порошка оксидов урана расположен перед агрегатом смешения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к атомной промышленности и может найти применение на предприятиях по изготовлению таблетированного топлива из диоксида урана для тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), собираемых в тепловыделяющие сборки (ТВС) и используемых в коммерческих ядерных реакторах (например, типа ВВЭР).

Известен способ получения порошков оксидов урана с заданным значением условной массовой доли (УМД) урана-235, заключающийся в том, что урансодержащие порошки с высокой и низкой УМД урана-235 предварительно смешивают до требуемого значения УМД урана-235 (см. Майоров А.А., Браверман И.Б. Технология получения порошков керамической двуокиси урана. М.: Энергоатомиздат, 1985, главы 4 и 7). Данный способ предполагает растворение всей исходной смеси порошков в азотной кислоте, экстракционную очистку с последующим осаждением получаемого полиураната аммония и получение готового порошка диоксида урана водородным восстановлением прокаленного полиураната аммония. Недостатками данного способа являются высокая трудоемкость, потери, большой расход химических реагентов, большое количество сбросных отходов.

Известен также способ получения порошков оксидов урана с заданным значением условной массовой доли (УМД) урана-235, в котором растворению в азотной кислоте подвергается лишь часть смеси порошков с различными значениями УМД урана-235 (см. патент RU 2186031 МПК ⁷ C01G 43/025 от 04.05.2000, опубл. 27.07.2002), причем смешению подвергают весь объем порошка с высокой УМД урана-235 и часть порошка с низкой УМД урана-235, обеспечивая определенное содержание урана-235 в смеси после предварительного смешения. Полученную смесь растворяют в азотной кислоте и подвергают экстракционной очистке (при необходимости). Аммиаком осаждают полиуранаты аммония, затем их сушат и прокаливают. Полученный порошок закиси-окиси урана измельчают известным путем, например, с помощью дисковых, ударно-дисковых или шаровых мельниц, до размеров частиц менее 100 мкм. Далее обработанный таким образом продукт смешивают с оставшейся частью порошка с низкой УМД урана-235. Процесс смешения производят, в частности, в планетарно-шнековом смесителе. На заключительной стадии проводят восстановление водородом полученной смеси для получения порошка диоксида урана. Также возможно осуществлять восстановление лишь оставшейся части порошка с низкой УМД урана-235 с последующим смешением с обработанным продуктом.

К недостаткам этого способа относятся:

- невозможность использования на стадии окончательного смешения порошков только диоксида урана;

- невозможность использования на стадии окончательного смешения порошков с размером частиц более 100 мкм, что приводит в общем случае к получению нетекучего смешанного порошка;

- в способе не раскрыта возможность использования полученного порошка для прямого прессования с сухим пластификатором с последующим изготовлением таблетированного топлива без использования стадии грануляции;

- высокая трудоемкость процесса.

Известен способ получения порошков оксидов урана с заданным значением условной массовой доли (УМД) урана-235, заключающийся в том, что урансодержащие исходные порошки с высоким и низким значениями УМД урана-235 смешивают до требуемой степени однородности и условной массовой доли урана-235, при этом на смешение направляют порошки, размер частиц которых удовлетворяет определенным соотношениям (см. патент РФ 2200130 С1 МПК⁷ C01G 43/025 от 03.12.2001, опубл. 10.03.2003). Согласно этому способу, предварительно проводят рассев пробы низко- и высокообогащенного порошков сухим способом через набор сит или прямой замер размеров частиц, например, с помощью лазерного анализатора. Если размеры частиц не удовлетворяют заданным значениям, порошки направляют на измельчение.

Экспериментально установлено, что при смешении урансодержащих порошков с различным обогащением определяющим фактором, оказывающим существенное влияние на качество получаемого ядерного топлива, является размер частиц используемых исходных урансодержащих порошков. Выявлена следующая взаимосвязь между размерами частиц низко- и высокообогащенного порошков и обогащением:

Dн 530-14*Rв;

Dв 0,85*Dн*(Rв-Rн)^-0,4*(R ₃)^0,6;

Dн/Dв 3;

где Dн и Dв - размеры частиц исходных порошков с низким и высоким значением условной массовой доли (УМД) урана-235 соответственно, мкм;

Rз - заданное значение УМД урана-235, мас.%;

Rн и Rв - УМД урана-235, %, в исходных порошках с низким и высоким обогащением соответственно, причем (Rв-Rн) 22.

Измельчение «условно крупных» порошков проводят с помощью ударно-дисковых или шаровых мельниц. Режимы измельчения определяют, исходя из размера частиц порошков. Затем измельченные порошки с различным обогащением направляют на смешение, которое осуществляют в смесителе типа «пьяная бочка» или планетарно-шнековом смесителе. Определяют разброс условной массовой доли (УМД) урана-235 в точечных пробах. Результат должен соответствовать приемочным требованиям, а именно - «заданное значение УМД урана-235±0,05%». При необходимости полученная смесь может быть повторно измельчена для улучшения качества смешения.

Необходимая степень однородности смешанного продукта рассчитывается, исходя из условий эксплуатации ядерного топлива в реакторе. Для таблеток ядерного керамического топлива обогащением до 5% существующее требование однородности по условной массовой доли (УМД) урана-235 заключается в следующем: значения УМД урана-235, определенные в трех точечных пробах массой 0,3 г, взятых одним куском из одной таблетки, должны находиться в диапазоне «заданное значение УМД урана-235±0,05%». Для порошков оксидов урана керамического сорта требование однородности формулируется аналогично: значения УМД урана-235, определенные в не менее чем трех точечных пробах массой 0,3 г, взятых из исследуемого объема порошка, должны находиться в диапазоне «заданное значение УМД урана-235±0,05%».

В качестве исходных урансодержащих порошков может быть использован как оксид урана U ₃O₈, который до или после смешения восстанавливают до UO₂, так и непосредственно диоксид урана UO₂. Также в качестве порошка с низким содержанием урана-235 может быть использован диоксид урана UO₂, а в качестве порошка с высоким содержанием урана-235 - оксид урана U₃O ₈.

Способ позволяет повысить однородность смешанного порошка и снизить количество продукта, направляемое на растворение и экстракцию, за счет введения стадии измельчения. В способе предусмотрена возможность прямого смешения порошков UO ₂, удовлетворяющих указанным требованиям к максимальному размеру частиц, без их дополнительного измельчения.

Недостатки этого способа:

- отсутствует возможность смешения исходных порошков диоксида урана керамического сорта с различными значениями условной массовой доли (УМД) урана-235 (в диапазоне до 5,0%), частицы которых имеют размер более вычисленного максимального размера (460-490 мкм для смешиваемого порошка более низкого обогащения и 300-1000 мкм для смешиваемого порошка более высокого обогащения, в зависимости от сочетания значений УМД урана-235 в исходных и порошках и конечной смеси);

- в способе не раскрыта возможность получения текучего смешанного порошка. Как хорошо известно из опыта работы, измельчение порошка UO₂ до размера частиц менее 460-490 мкм приводит к получению порошка, не обладающего текучестью (способностью свободного заполнения пресс-форм агрегата прессования, имеющих внутренний диаметр не более 10 мм), и к необходимости использования стадии грануляции или агломерации вместе со стадией измельчения. Поскольку каждая стадия является пылящей, увеличение количества стадий в линии приводит, помимо повышения общей трудоемкости, к серьезным затруднениям в практическом осуществлении известных способов с точки зрения соблюдения экологических нормативов;

- не раскрыта возможность осуществления способа в единой технологической линии изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, позволяющая получать таблетки диоксида урана UO₂ из полученного порошка с заданным содержанием урана-235. Известно, что получаемые по разным технологиям порошки диоксида урана UO ₂ заметно отличаются друг от друга как по технологическим свойствам, так и по стабильности этих свойств. Поэтому в каждом случае требуется разработка и оптимизация всей технологической линии, учитывающей особенности используемых порошков диоксида урана UO₂.

Известна линия изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающая:

- агрегат смешения порошков диоксида урана UO ₂, оксида урана U₃O ₈ и сухого пластификатора в биконических контейнерах объемом 250 л;

- агрегат прессования таблеток из смеси порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U ₃O₈ и сухого пластификатора;

- агрегат спекания таблеток, представляющий собой печь тоннельного типа, имеющую несколько температурных зон, в которых осуществляется нагрев, спекание в восстановительной среде и охлаждение таблеток, с продвижением лодочек с таблетками через зоны печи;

- агрегат мокрого шлифования поверхности таблеток;

- агрегат сушки (см. «Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов» под ред. Ф.Г.Решетникова, М., Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1, стр.93-95, 98-99, 101-102).

Недостаток этой линии: при смешении порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃ O₈ с различными значениями УМД урана-235 в биконических контейнерах объемом 250 л в двухплоскостных станках смесительных с последующим введением сухого пластификатора не достигается требуемая степень однородности по УМД урана-235 в топливных таблетках, изготовленных таким способом.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату к предлагаемому является способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку исходных порошков оксидов урана с высоким и низким содержанием урана-235 и размером частиц, удовлетворяющим определенным соотношениям, смешивание подготовленного порошка с порошком оксида урана U₃O ₈ и сухим пластификатором, прессования таблеток из смеси порошков, спекание таблеток, шлифование, сушку и отбраковку таблеток (см. патент RU 2158030 С2, МПК⁷ G 3/62, 21/10 от 18.11.1998 г., опубл. 20.10.2000) - прототип, недостатком которого является невозможность достижения требуемой степени однородности по условной массовой доле урана-235 в топливных таблетках.

Наиболее близкой по техническим сущности и достигаемому эффекту (прототипом) является линия изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающая:

- агрегат смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃O₈ и сухого пластификатора;

- агрегат прессования таблеток из смеси порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃O₈ и сухого пластификатора;

- агрегат спекания таблеток, представляющий собой печь тоннельного типа с несколькими температурными зонами, в которых осуществляется нагрев, спекание в восстановительной среде и охлаждение таблеток, с продвижением лодочек с таблетками через зоны печи;

- агрегат мокрого шлифования поверхности таблеток;

- агрегат сушки таблеток;

- агрегат переработки бракованных таблеток;

- транспортные средства проводки с агрегата на агрегат порошка и таблеток (см. патент RU 2158030 С2, МПК⁷ G 3/62, 21/10 от 18.11.1998 г., опубл. 20.10.2000).

В устройстве-прототипе агрегаты объединены в поточную линию, которая снабжена транспортным средством проводки порошков и таблеток с агрегата на агрегат.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности изготовления таблетированного топлива с заданным значением условной массовой доли (УМД) урана-235 из порошков диоксида урана с различными значениями УМД урана-235.

Единой технической задачей изобретения является создание способа изготовления таблетированного топлива с заданным значением условной массовой доли урана-235 (не превышающим 5%) из порошков диоксида урана с различными значениями условной массовой доли урана-235 с применением агрегатов, объединенных в линию и обеспечивающих получение порошка и таблеток диоксида урана с заданным значением условной массовой доли урана-235 с оптимальными технологическими свойствами, в результате чего позволяющего расширить ассортимент исходных порошков диоксида урана, повысить производительность технологического процесса, повысить выход годных таблеток и их качество, уменьшить пылеобразование и снизить экологическую опасность производства.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе получения порошков диоксида урана ядерного керамического сорта, полученных любым из методов, а именно - по мокрому АДУ- или АУК-процессу, по сухому методу - газопламенному, сухой конверсии, или другим способом, заключающемся в том, что смешивают урансодержащие исходные порошки с высоким и низким содержанием урана-235 до требуемой степени однородности, согласно изобретению, смешение исходных порошков производят в расчетном соотношении в среде инертного газа, обрабатывают в среде инертного газа в агрегате, сочетающем функции измельчения, рассева и смешения.

Смешение проводят в две стадии: предварительное смешение в планетарно-шнековом смесителе и измельчение-рассев-перемешивание в агрегате, осуществляющем комплексную обработку порошка (вариантами таких агрегатов являются молотковая мельница - мельница роторного типа и кольцевое помольно-рассеивающее устройство) при непрерывной загрузке и выгрузке в биконические контейнеры.

Смешение проводят при попеременной загрузке порций (массой не более 700 кг) исходных порошков UO₂ с различными значениями условной массовой доли урана-235, при перемешивании в четыре-восемь циклов со скоростью вращения смесительного шнека 0,5-1,0 об/мин, при продолжительности каждого цикла 15-20 мин с остановками между этапами по 10-15 мин, при выгрузке после четырех циклов 250-350 кг порошка и его загрузке в верхнюю часть смесителя, при подаче в смеситель азота с расходом 1-3 м ³/ч, при рабочем объеме смесителя 0,5-3,5 м ³, при объемном коэффициенте загрузки смесителя не менее 0,35.

Поставленная задача решается также и тем, что комплексную обработку в молотковой мельнице роторного типа проводят при скорости вращения молотков 100-2000 об/мин, при размере ячеек сетки 500-800 мкм.

Поставленная задача решается также и тем, что комплексную обработку в кольцевом помольно-рассеивающем устройстве проводят при размере ячеек сетки в диапазоне 500-630 мкм.

Поставленная техническая задача решается тем, что линия для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора, включающая агрегат смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U ₃O₈ и сухого пластификатора; агрегат прессования таблеток из смеси порошков диоксида урана UO ₂, оксида урана U₃O ₈ и сухого пластификатора; агрегат спекания таблеток, представляющий собой печь тоннельного типа с несколькими температурными зонами, в которых осуществляется нагрев, спекание в восстановительной среде и охлаждение таблеток, с продвижением лодочек с таблетками через зоны печи; агрегат мокрого шлифования поверхности таблеток; агрегат сушки таблеток; агрегат переработки бракованных таблеток; транспортные средства проводки с агрегата на агрегат порошка и таблеток, согласно изобретению, линия дополнительно снабжена агрегатом смешения порошков диоксида урана с различными значениями условной массовой доли урана-235 в виде конического смесителя планетарно-шнекового типа и агрегатом комплексной обработки порошка UO₂ в виде молотковой мельницы роторного типа, снабженной шестью U-образными молотками и сеткой с ячейками, выполненной из нержавеющей стали, или в виде кольцевого помольно-рассеивающего устройства, содержащего корпус в виде размещенной на виброопорах кольцевой емкости, в кольцевом пространстве которой размещены на равном расстоянии друг от друга механизмы дробления в виде шарнирно закрепленных с одной стороны механических плит с рифлеными нижними поверхностями, взаимодействующими с металлическими плитами, расположенными под каждой из них, и съемные сетки с ячейками заданного размера, расположенные на одном уровне с металлическими плитами в остальной части кольцевого пространства емкости.

Применение способа двухстадийного смешения в линии, снабженной описанными агрегатами смешения, благодаря интенсивности воздействия мелющего тела на порошок поддерживается на уровне, достаточном для устранения наиболее крупных частиц порошка, но не приводящем к существенному повышению доли мелких частиц (менее 71 мкм), ухудшающих текучесть. Кроме того, благодаря наличию сетки с ячейками заданного размера агрегаты комплексной обработки обеспечивают также отсеивание мелких частиц без их чрезмерного измельчения, что устраняет опасность получения нетекучего порошка. Последующая засыпка пресс-порошка в матрицы роторных пресс-автоматов не вызывает затруднений благодаря наличию у порошка оптимальных технологических свойств, в первую очередь текучести.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На чертежах представлены:

- фиг.1 - блок-схема линии для осуществления способа изготовления таблетированного топлива;

- фиг.2 - агрегат смешения порошка;

- фиг.3 - агрегат комплексной обработки порошка: молотковая мельница роторного типа;

- фиг.4 - молотки,

- фиг.5 - агрегат комплексной обработки порошка: кольцевое помольно-рассеивающее устройство.

Линия для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерного реактора включает агрегат 1 смешения порошков диоксида урана UO₂ с различными значениями условной массовой доли урана-235, агрегат 2 комплексной обработки (с одновременным рассевом и интенсивным смешиванием) смеси порошков диоксида урана с заданным значением УМД урана-235, агрегат 3 смешивания порошка диоксида урана с заданным значением условной массовой доли урана-235, порошка оксида урана U₃O ₈ и сухого пластификатора (стеарата цинка, ДИСЭД или др.), агрегат 4 прессования таблеток из смеси порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃ О₈ и сухого пластификатора, агрегат 5 в виде печи тоннельного типа для спекания таблеток в восстановительной среде водорода, агрегат 6 мокрого шлифования боковой поверхности таблеток, агрегат 7 сушки таблеток в среде азота, агрегат 8 разбраковки таблеток по внешнему виду, агрегат 9 переработки бракованных таблеток.

Агрегаты 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 объединены в поточную линию, которая снабжена транспортными средствами 10 проводки порошков из одного агрегата в другой. Агрегат 2 комплексной обработки может предшествовать агрегату 1 смешения.

Агрегат 1 смешения порошка (фиг.2) в виде конического смесителя планетарно-шнекового типа с рабочим объемом от 0,5 м³ до 3,5 м³ содержит смесительный сосуд 11, поворотный рычаг 12, смесительный шнек 13, выпускное отверстие 14, опорную часть 15 мостовой конструкции, монтажную петлю 16, соединительный фланец 17, двигатель смесительного шнека 18, редукторный двигатель поворотного рычага 19.

Агрегат 2 комплексной обработки порошка (фиг.3, 4) в виде мельницы (дробилки) роторного типа с U-образными молотками включает загрузочное устройство 20, сетку 21 с ячейками, выполненную из нержавеющей стали, шесть U-образных молотков 22, расположенных в роторе 23 мельницы, устройство для выгрузки порошка 24.

Агрегат 2 комплексной обработки порошка (фиг.5) в виде кольцевого помольно-рассеивающего устройства содержит корпус 25, выполненный в виде кольцевой емкости, в кольцевом пространстве 26 которой размещены на равном расстоянии друг от друга механизмы 27 дробления в виде шарнирно закрепленных с одной стороны металлических плит 28 с рифлеными нижними поверхностями 29, взаимодействующими с металлическими плитами 30 под каждой из них, на одном уровне с которыми остальное кольцевое пространство 26 кольцевой емкости 25 перекрыто съемными сетками 31 с заданными размерами отверстий в них. Кольцевая емкость 25 размещена на виброопорах 32 с возможностью возвратно-поступательного вращения вокруг своей оси и возвратно-поступательного перемещения вверх-вниз, а во внутреннюю полость 33 кольцевой емкости 25 размещен источник 34 с дибалансами 35 передачи возвратно-поступательного движения кольцевой емкости 25, для регулировки интенсивности измельчения предназначен регулировочный болт 36 в металлической плите 28.

Способ осуществляется, а линия работает следующим образом. Рассчитывают требуемые количества смешиваемых исходных порошков, в качестве которых могут быть использованы оксид урана U ₃O₈, который до или после смешивания восстанавливают до UO₂, непосредственно диоксид урана UO₂, в качестве порошка с низким содержанием урана-235 может быть использован диоксид урана UO₂, а в качестве порошка с высоким содержанием урана-235 - оксид урана U₃O ₈, оксидов урана.

Расчет проводят путем решения системы уравнений материального баланса:

где индекс «СМ» относится к смешанной партии порошка UO₂, индекс «i» относится к i-й партии исходного порошка UO₂, М - масса порошка UO₂, N - масса смеси изотопов урана (в сухом продукте), А - массовая доля смеси изотопов урана (в сухом продукте), Н - массовая доля влаги, Q - масса урана-235, С - условная массовая доля урана-235.

Проводят лабораторный анализ исходных порошков для определения значений вышеперечисленных параметров, а также значений массовых долей фракций менее 71 мкм и более 500 мкм (и, возможно, других фракций).

Производят смешение порошков оксидов урана с различными значениями условной массовой доли урана-235 до требуемой степени однородности, определяемой следующим образом: значения условной массовой доли урана-235 трех или более проб смешанного порошка массой 0,3 г должны отклоняться от заданного значения условной массовой доли урана-235 не более чем на ±0,05%.

Рассчитанные таким образом количества порошков загружают в среде азота в агрегат 1 смешения порошка, где порошки диоксида урана UO₂ с различными значениями условной массовой доли урана-235 в коническом смесителе 11 планетарно-шнекового типа с рабочим объемом от 0,5 м ³ до 3,5 м³ перемешивают в среде азота в два этапа при скорости вращения смесительного шнека 18 0,5-1,0 об/мин. Загрузку осуществляют послойно, то есть порции порошка с более высокой условной массовой долей урана-235 чередуют с порциями порошка с более низкой условной массовой долей урана-235, выбирая массу порций не более 700 кг.

Первый этап состоит из четырех циклов смешения продолжительностью 15-20 мин с перерывами по 10-15 мин. Затем из нижней конической части смесителя 11 через выпускное отверстие 4 выгружают 250-350 кг порошка и загружают в верхнюю часть планетарно-шнекового смесителя 11. Второй этап состоит из четырех циклов смешения продолжительностью 15-20 мин с перерывами по 10-15 мин. Перерывы продолжительностью 10-15 мин предусмотрены для снижения температуры порошка, нагревающегося в процессе смешения. После смешения порошок выгружают в биконические контейнеры объемом 250 л (не показаны).

Определяют однородность смешанного порошка. Экспериментальные результаты показали, что, если максимальный размер частиц всех исходных порошков UO ₂ не превышает 500 мкм, то есть массовая доля фракции более 500 мкм равна нулю, порошок, смешанный в планетарно-шнековом смесителе при вышеуказанных режимах, будет обладать необходимой однородностью по условной массовой доле урана-235. В этом случае после смешения проводят контроль качества гомогенизации по условной массовой доле урана-235, для чего из каждого биконического контейнера с выгруженным порошком отбирают по три пробы массой 0,3 г для определения условной массовой доли урана-235 спектрометрическим методом. Смешанный порошок, удовлетворяющий во всех пробах требованию «заданное значение УМД урана-235±0,05%», направляют в агрегат 3 смешивания порошка с сухим пластификатором и последующие агрегаты линии.

Экспериментальные результаты показали, что, если максимальный размер частиц одного или нескольких исходных порошков превышает 500 мкм, то есть массовая доля фракции более 500 мкм больше нуля, однородность порошка, смешанного в планетарно-шнековом смесителе, в большинстве случаев выходит за пределы диапазона «заданное значение условной массовой доли урана-235±0,05%», причем отклонение от допустимого диапазона тем значительнее, чем выше разность значений условной массовой доли урана-235 в исходных порошках диоксида урана и чем выше массовая доля фракции более 500 мкм в исходных порошках. В этом случае после операции смешения в планетарно-шнековом смесителе агрегата 1 смешения данный порошок направляют на комплексную обработку в агрегат 2, совмещающий измельчение, рассев и интенсивное перемешивание, который может представлять из себя молотковую мельницу горизонтального роторного типа с шестью U-образными молотками 22, сменной сеткой 21 с ячейками заданного размера и регулируемой скоростью вращения молотков (190-2900 об/мин), где порошок диоксида урана обрабатывают при скорости вращения молотков 22 190-2900 об/мин при непрерывной загрузке и выгрузке порошка. Оптимальный размер ячеек сетки 21 мельницы составляет 500-800 мкм. Возможно также использование мельницы без сетки. Скорость вращения молотков 22 и, следовательно, интенсивность измельчения и перемешивания выбирают минимально допустимой, при которой обеспечивается достижение однородности порошка диоксида урана по условной массовой доле урана-235. Чрезмерное измельчение порошка диоксида урана приводит к потере его текучести и затруднениях на стадии прессования (обычно при скорости вращения молотков более 1500 об/мин). Для определения оптимальной скорости молотков 22 следует руководствоваться экспериментально полученными значениями, представленными в таблице 1.

Таблица 1. Оптимальные параметры молотковой мельницы для различных исходных порошков
Разность значений УМД урана-235 в исходных порошках, %	Минимальная скорость вращения молотков мельницы, об/мин	Остаточное количество фракции более 500 мкм, %	Наличие текучести порошка
Не более 0,4%	190-570	8-15%	Есть
0,4-0,6%	190-1000	Не более 10%	Есть
0,7-1,6%	570-1900	Не более 5%	Нет в отдельных случаях
1,7-2,0%	1500-2900	Не более 1%	Нет в отдельных случаях

Опыт показал, что вследствие различия свойств исходных порошков диоксида урана, получаемых различными способами и при различных режимах, минимальная скорость молотков варьируется от партии к партии, поэтому рекомендуется ее корректировать по результатам пробной обработки и анализа небольшого количества смешанного порошка (100-200 кг).

Агрегат 2 комплексной обработки также может быть выполнен в виде кольцевого помольно-рассеивающего устройства (КПРУ).

Порошок загружают в кольцевую емкость корпуса 5 агрегата 2 комплексной обработки. Размер ячеек сетки КПРУ должен находиться в диапазоне 500-630 мкм, в зависимости от разности значений условной массовой доли урана-235. Минимальный необходимый размер ячеек выбирают, руководствуясь экспериментально полученными значениями, представленными в таблице 2.

Таблица 2. Оптимальные параметры КПРУ для различных исходных порошков
Разность значений УМД урана-235 в исходных порошках, %	Размер ячеек сетки, мкм	Остаточное количество фракции более 500 мкм, %	Наличие текучести порошка
Не более 1,6%	630	Не более 5%	Есть
0,7-2,0%	500	0%	Нет в отдельных случаях

Интенсивность воздействия механизмов 27 дробления, площадь дробления, площадь сетки 31, объем рабочей камеры 25 и другие параметры агрегатов комплексной обработки выбирают, исходя из максимальной производительности комплексной обработки порошка диоксида урана без его чрезмерного измельчения.

Любой из описанных агрегатов может также использоваться для предварительного снижения размера частиц одного или нескольких исходных порошков диоксида урана, предназначенных для последующего смешивания в планетарно-шнековом смесителе агрегата 1.

Для определения однородности измельченного порошка по условной массовой доле урана-235 из каждого биконического контейнера с измельченным порошком отбирают по три пробы массой 0,3 г для определения условной массовой доли урана-235 спектрометрическим методом. Порошок, удовлетворяющий во всех пробах требованию «заданное значение УМД урана-235±0,05%», направляют в последующие агрегаты линии - смешивания 3 с сухим пластификатором, прессования 4, спекания 5, шлифования 6, сушки и разбраковки 7.

При недостаточной однородности полученного порошка по условной массовой доле урана-235 операции смешивания в планетарно-шнековом смесителе агрегата 1 смешения, комплексной обработки в агрегате 2 комплексной обработки повторяют.

Для улучшения технологических свойств измельченного порошка он может быть подвергнут дополнительной обработке (грануляции и т.п.).

Возможным вариантом изобретения является такой порядок агрегатов в линии, при котором агрегат 2 комплексной обработки находится перед агрегатом 1 смешения (планетарно-шнековым смесителем), непосредственно за агрегатами восстановления и стабилизации порошка UO₂ с исходным значением УМД урана-235. В этом случае параметры агрегата 2 комплексной обработки подбираются таким образом, чтобы получить порошки, имеющие максимальный размер частиц не более 500-630 мкм. В большинстве случаев на последующей стадии смешения в планетарно-шнековом смесителе это позволяет получать текучий смешанный порошок, гомогенный по условной массовой доле урана-235, пригодный для дальнейшего прямого прессования с сухим пластификатором. При необходимости для достижения однородности по условной массовой доле урана-235 смешанный порошок направляют в агрегат комплексной обработки.

Все минимальные и максимальные параметры являются оптимальными, проверены на практике и любое отклонение в меньшую или большую сторону приведет к снижению качества таблетированного топлива и к повышению трудоемкости процесса. Предложенный способ и линия реализованы в действующем производстве, положительный результат их применения подтвержден проведенными испытаниями. Распределение значений условной массовой доли урана-235 в диапазоне «заданное значение УМД урана-235±0,05%», достигаемое в смеси порошков диоксида урана, обеспечивает распределение значений условной массовой доли урана-235 в таблетированном керамическом топливе (называемое также изменчивостью условной массовой доли урана-235) в диапазоне «заданное значение УМД урана-235±0,05%», что соответствует современным требованиям для топлива коммерческих ядерных реакторов, например, типа ВВЭР.