Патент на изобретение №2256961

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области производства таблетированного топлива. Сущность изобретения: способ контроля ядерного топлива на термическую стабильность включает подготовку выборки таблеток из партии ядерного топлива к измерению диаметра путем очистки от пыли. Проводят их термостатирование в боксе совместно с измерительным инструментом. Измеряют диаметр каждой таблетки выборки и результаты замеров вводят в электронно-вычислительную машину. После замера таблетки загружают в контейнер на термообработку, где начальный разогрев таблеток осуществляют в вакууме при остаточном давлении не более 7·10^-2 Па со скоростью не более 10°С/мин до температуры 100-160°С с выдержкой при этой температуре не более 2 часов. Затем продолжают указанный режим разогрева в вакууме до температуры 1470-1530°С, делают выдержку не более 4 часов и подают водород 2-6 л/мин. Замеряют влажность газовой смеси на выходе с термообработки. Если влажность газовой смеси превышает 800 ррт, то подачу водорода прекращают и проводят дополнительную дегазацию вакуумированием до остаточного давления менее 7·10^-2 Па и дополнительно выдерживают при 1470-1530°С в вакууме не более 4 часов. Затем пуск водорода повторяют 2-6 л/мин. Если влажность газовой смеси на выходе с термообработки ниже 800 ррт, то после выдержки не более 2 часов температуру поднимают до 1625-1675°С со скоростью 40-60°С/час. Вслед за тем поднимают до 1700-1750°С со скоростью 15-35°С/час. С влажностью газовой смеси на выходе 500-750 ррт снижают подачу водорода до 1 л/мин. По окончании 24±2-часовой выдержки при 1700-1750°С охлаждают таблетки до 1470-1530°С со скоростью не выше 10°С/мин. Вытесняют водород аргоном и продолжают охлаждать таблетки до температуры не более 40°С. Таблетки термостатируют. Измеряют наружный диаметр каждой таблетки выборки, определяют средний диаметр каждой таблетки до термообработки и после термообработки и вычисляют доспекаемость. При доспекаемости 0,0-0,4% таблеток вся партия таблеток направляется на снаряжение тепловыделяющих элементов, а при превышении или отрицательном результате вся партия таблеток отбраковывается. Преимущество изобретения заключается в повышении качества контроля таблеток. 2 ил.

Изобретение относится к атомной промышленности и может найти применение на предприятиях изготовления таблетированного топлива из диоксида урана (UO₂) для тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), собираемых в тепловыделяющие сборки (ТВС), используемых в ядерных реакторах. Известно, что в процессе работы ТВС в активной зоне ядерного реактора, в таблетках ядерного топлива ТВЭЛа температура может достигать до 2000°С, что может привести к радиальным и осевым перераспределениям ядерного топлива (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов, книга 1, стр. 53. Под редакцией Ф.Г.Решетникова, М., Энергоатомиздат, 1995 г.).

В связи с этим одной из основных характеристик топливных таблеток является их стабильность по геометрическим размерам при высокотемпературной обработке, т.е. весьма важно предварительно знать о том, как поведет себя топливный столб в ТВЭЛе – “разбухнет”, уменьшится в объеме или сохранит свои геометрические размеры. “Разбухание” топливных таблеток в ТВЭЛе недопустимо, т.к. при этом возможен локальный перегрев оболочки и не исключена разгерметизация оболочки ТВЭЛа. Уменьшение в объеме таблеток нарушит допуск на наружный диаметр таблеток относительно внутреннего диаметра ТВЭЛьной оболочки.

При этом не исключен перекос таблетки и возможное ее заклинивание в оболочке при линейном температурном удлинении столба таблеток в оболочке. Заклинивание таблетки не исключает локальный перегрев оболочки в месте заклинивания и не исключена разгерметизация ТВЭЛа.

Известен способ контроля ядерного топлива (см. патент RU 2158448, Мпк7 G 21 с 17/06 от 03.06.1999 г.), который включает контроль термической стабильности, но сущность его не раскрыта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ контроля ядерного топлива на термическую стабильность таблеток, включающий их термообработку при температуре 1700-1750°С в течение (24±2) часов в смеси аргона и водорода (объемная доля 7-8%) с влажностью (350±50)ррт с допустимым значением доспекаемости 0,3-0,5% и контролем за относительным изменением их наружного диаметра после термообработки (см. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. Книга 1, под ред. Ф.Г.Решетникова – М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с.105).

Способ решает важную характеристику качества таблеток – их термическую стабильность, т.е. сохранение их плотности и, как следствие, размеров в начальный период работы реактора (несколько десятков часов) (см. там же, с.105). Однако способ-прототип не полно характеризует заявляемый способ.

Не отражена подготовка и измерение диаметра таблеток до термообработки, а ошибка в измерении может привести к ошибке в окончательном выводе по термической стабильности после термообработки. Не отражено количество слоев загрузки таблеток в контейнер для термообработки таблеток.

Не отражены параметры и условия начального разогрева таблеток, сушки таблеток, дегазации печи, оценки влагоотделения, условий вывода на базовый режим термообработки и режимов охлаждения таблеток, так как резкое охлаждение таблеток приведет к их разрушению от теплового удара, а невыполнение остальных режимов приведет к невыявлению таблеток с отклонением от требований, предъявляемых к качеству таблеток по термической стабильности.

Технической задачей является повышение качества контроля таблеток по их термической стабильности, выявление таблеток с несоответствием их термической стабильности и отбраковки всей партии, из которой таблетки были взяты на контроль, и повышение при этом качества изготовленных ТВЭЛ.

Эта техническая задача решается тем, что в способе контроля ядерного топлива на термическую стабильность таблеток, включающем их термообработку при температуре 1700-1750°С в течение 22-26 часов в смеси аргона и водорода с допустимой влажностью, допустимым значением доспекаемости и контролем за относительным изменением их наружного диаметра после термообработки;

Согласно изобретению из партии ядерного топлива берут выборку таблеток, подготавливают их к измерению диаметра путем очистки от пыли, термостатирования в боксе не менее 2 часов при стабильной температуре таблеток и измерительного инструмента, при 21-29°С измеряют диаметр каждой таблетки выборки, по крайней мере, девятикратно с поворотом на угол от 60-120° в каждом из трех сечений у одного торца, посредине и вблизи другого торца таблетки, результаты замеров вводят в электронно-вычислительную машину, таблетки выборки после их замера загружают в контейнер на термообработку, где начальный разогрев таблеток осуществляют при остаточном давлении не более 7×10^-2 Пa со скоростью не более 10°С/мин до температуры 100-160°С с выдержкой при этой температуре не более 2 часов, затем продолжают указанный режим разогрева в вакууме до 1470-1530°С, делают выдержку не более четырех часов и подают водород 2-6 л/мин, замеряют влажность газовой смеси на выходе с термообработки, и, если влажность газовой смеси превышает 800 ррт, то подачу водорода прекращают и проводят дополнительную дегазацию вакуумированием до остаточного давления менее 7×10^-2 Пa и дополнительно выдерживают в вакууме при температуре 1470-1530°С не более четырех часов, затем пуск водорода повторяют 2-6 л/мин, если влажность газовой смеси на выходе с термообработки ниже 800 ррт, то после выдержки не более 2 часов температуру поднимают до 1625-1675°С со скоростью 40-60°С/час, вслед за тем до 1700-1750°С со скоростью 15-35°С/час с влажностью газовой смеси на выходе 500-750 ррт, снижают подачу водорода до 1 л/мин, по окончании выдержки при 1700-1750°С в течение 24±2 часов таблетки охлаждают до 1470-1530°С со скоростью не более 10°С/мин, вытесняют водород аргоном с подачей не менее 5 л/мин, продолжают охлаждать таблетки со скоростью не выше 10°С/мин до 250°С, нагрев отключают и ведут охлаждение до температуры не более 40°С, таблетки термостатируют в течение не более 2 часов и измеряют наружный диаметр каждой таблетки выборки, определяют средний диаметр каждой таблетки до термообработки и после термообработки по формулам:

где – средний диаметр каждой таблетки выборки до термообработки;

– средний диаметр каждой таблетки выборки после термообработки;

D_oi и D_тi – результаты единичных измерений таблеток до и после термообработки, соответственно, мм,

термическую стабильность геометрических размеров (доспекаемость) таблетки, % абс., определяют по формуле:

где D – доспекаемость в %,

при доспекаемости [0,0-0,4]% таблеток вся партия таблеток направляется на снаряжение ТВЭЛ, а при превышении или отрицательном результате вся партия таблеток отбраковывается и направляется на переработку.

Предложенный способ позволяет повысить качество контроля таблеток по их термической стабильности, выявить таблетки с несоответствием их термической стабильности, отбраковать всю партию, из которой были взяты эти таблетки на проверку термической стабильности, и повысить при этом качество изготовленных ТВЭЛ.

Для пояснения способа контроля ядерного топлива на термическую стабильность приведены.:

на фиг.1 – технологическая схема;

на фиг.2 – диаграмма режимов.

Способ контроля ядерного топлива на термическую стабильность осуществляют следующим образом.

От партии таблеток диокисда урана UO₂ отбирают выборку ~ 50 таблеток, очищают их от пыли, проводят термостатирование в боксе совместно с измерительным инструментом не менее 2 часов.

При стабильной температуре 21-29°С измеряют диаметр каждой таблетки выборки, по крайней мере, девятикратно с поворотом на угол от 60-120° в каждом из трех сечений у одного торца, посредине и вблизи другого торца таблетки, результаты замеров вводят в электронно-вычислительную машину, таблетки выборки загружают в контейнер на термообработку, где начальный разогрев таблеток осуществляют в вакууме при остаточном давлении не более 7·10^-2 Па (5·10^-4 мм рт.ст.) со скоростью не более 10°С/мин до температуры 100-160°С с выдержкой при этой температуре не более 2 часов, затем продолжают указанный режим разогрева в вакууме до 1470-1530°С, делают выдержку не более 4 часов и подают водород 2-6 л/мин, замеряют влажность газовой смеси на выходе с термообработки, и если влажность газовой смеси превышает 800 ррт, то подачу водорода прекращают и проводят дополнительную дегазацию вакуумированием до остаточного давления менее 7·10^-2 Па (5-10^-4 мм рт.ст.) и дополнительно выдерживают при 1470-1530°С в вакууме не более 4 часов, затем пуск водорода повторяют 2-6 л/мин, если влажность газовой смеси на выходе с термообработки ниже 800 ррт, то после выдержки не более 2 часов температуру поднимают до 1625-1675°С со скоростью 40-60°С/час, вслед за тем до 1700-1750°С со скоростью 15-35°С/час с влажностью газовой смеси на выходе 500-750 ррт, снижают подачу водорода до 1 л/мин, по окончании 24-часовой выдержки при 1700-1750°С охлаждают таблетки до 1470-1530°С со скоростью не выше 10°С/мин, вытесняют водород аргоном с подачей не менее 5 л/мин, продолжают охлаждать таблетки со скоростью не выше 10°С/мин до 250°С, нагрев отключают и ведут охлаждение до температуры не более 40°С, таблетки термостатируют в течение не более 2 часов и измеряют наружный диаметр каждой таблетки выборки, определяют средний диаметр каждой таблетки до термообработки и после термообработки по формулам:

где – средний диаметр каждой таблетки выборки до термообработки ;

– средний диаметр каждой таблетки выборки после термообработки;

D_0i и D_тi – результаты единичных измерений таблеток до и после термообработки, соответственно, мм,

термическую стабильность геометрических размеров (доспекаемость) таблетки, % абс., определяют по формуле:

где D – доспекаемость в %,

при доспекаемости [0,0-0,4]% таблеток вся партия таблеток направляется на снаряжение ТВЭЛ, а при превышении или отрицательном результате вся партия таблеток отбраковывается и направляется на переработку.

В способе все параметры оптимальны и любое отклонение в меньшую или большую сторону не позволит решить поставленную техническую задачу.

Способ опробован в производственных условиях и достигнут положительный эффект.

Формула изобретения

Способ контроля ядерного топлива на термическую стабильность, включающий термообработку таблеток ядерного топлива при температуре 1700-1750°С в течение 22-26 ч в атмосфере водорода с допустимой влажностью, с доспекаемостью и контроль за изменением их наружного диаметра после термообработки, отличающийся тем, что из партии ядерного топлива берут выборку таблеток, подготавливают их к измерению диаметра путем очистки от пыли, проводят термостатирование в боксе совместно с измерительным инструментом не менее 2 ч, при стабильной температуре 21-29°С, измеряют диаметр каждой таблетки выборки, по крайней мере, девятикратно с поворотом на угол 60-120°С в каждом из трех сечений у одного торца, посредине и вблизи другого торца таблетки, результаты замеров вводят в электронно-вычислительную машину, таблетки выборки после их замера загружают в контейнер на термообработку, где начальный разогрев таблеток осуществляют в вакууме при остаточном давлении не более 7·10^-2 Па со скоростью не более 10°С/мин до температуры 100-160°С с выдержкой при этой температуре не более 2 ч, затем продолжают указанный режим разогрева в вакууме до температуры 1470-1530°С, делают выдержку не более 4 ч и подают водород 2-6 л/мин, замеряют влажность газовой смеси на выходе с термообработки, и если влажность газовой смеси превышает 800 ррт, то подачу водорода прекращают и проводят дополнительную дегазацию вакуумированием до остаточного давления менее 7·10^-2 Па и дополнительно выдерживают при 1470-1530°С в вакууме не более 4 ч, затем пуск водорода повторяют 2-6 л/мин, если влажность газовой смеси на выходе с термообработки ниже 800 ррт, то после выдержки не более 2 ч температуру поднимают до 1625-1675°С со скоростью 40-60°С/ч вслед за тем до 1700-1750°С со скоростью 15-35°С/ч с влажностью газовой смеси на выходе 500-750 ррт, снижают подачу водорода до 1 л/мин, по окончании (24±2)-часовой выдержки при 1700-1750°С охлаждают таблетки до 1470-1530°С со скоростью не выше 10°С/мин, вытесняют водород аргоном с подачей не менее 5 л/мин, продолжают охлаждать таблетки со скоростью не выше 10°С/мин до 250°С, нагрев отключают и ведут охлаждение до температуры не более 40°С, таблетки термостатируют в течение не более 2 ч и измеряют наружный диаметр каждой таблетки выборки, определяют средний диаметр каждой таблетки до термообработки и после термообработки по формулам

где – средний диаметр каждой таблетки выборки до термообработки; – средний диаметр каждой таблетки выборки после термообработки; D_0i и D_тi – результаты единичных измерений таблеток до и после термообработки соответственно, мм,

термическую стабильность геометрических размеров таблетки, % абс., определяют по формуле

где D – доспекаемость в %,

при доспекаемости 0,0-0,4% таблеток вся партия таблеток направляется на снаряжение тепловыделяющих элементов, а при превышении или отрицательном результате вся партия таблеток отбраковывается.

РИСУНКИ