Патент на изобретение №2293379

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАБЛЕТИРОВАННОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ (ВАРИАНТЫ) И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области атомной промышленности. Сущность изобретения: способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов включает подготовку пресспорошка диоксида урана UO₂ многостадийным смешением со связующим и с порошком оксида урана U₃O₈, прессование, термическое удаление связующего, спекание таблетированного топлива в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование, сушку в инертной газовой среде и отбраковку. При этом от партий порошков диоксида урана UO₂ отбирают пробы, из отобранных проб порошков изготавливают таблетированное топливо. Проверяют его на наличие кольцевых пор на поверхности таблетированного топлива. При их отсутствии из всей партии данной пробы порошка изготавливают таблетированное топливо. Устройство для изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов содержит агрегат многостадийного смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃O₈ и связующего, агрегат прессования таблетированного топлива, агрегат спекания в восстановительной среде таблетированного топлива с узлами накопления таблетированного топлива до и после спекания, агрегат мокрого шлифования таблетированного топлива, агрегат сушки, агрегат переработки брака таблетированного топлива. Преимущества изобретения заключаются в расширении технологических возможностей. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к атомной промышленности и может найти применение на предприятиях по изготовлению таблетированного топлива из диоксида урана UO₂ для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов.

Известен способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий смешение пресспорошка со связующим, с порошком оксида урана U₃O₈, прессование, термическое удаление связующего, спекание таблетированного топлива в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование, сушку и отбраковку (см. «Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов» под. ред. Ф.Г.Решетникова. М.: Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1, с.66-68, 93-94, 94-95, 96-100, 101-102).

Способ предусматривает использование порошка диоксида урана UO₂, полученного через полиуранат аммония (АДУ-процесс), который по традиционной схеме подготовки пресспорошка подвергают уплотнению через прессование брикетов, размалыванию их и рассев (см. там же с.93 1), 2) -94).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку пресспорошка диоксида урана UO₂, обогащенного ураном-235 ²³⁵U до 2-5%, многостадийное смешение со связующим и с порошком оксида урана U₃О₈, прессование, термическое удаление связующего, спекание таблетированного топлива в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование, сушку в инертной газовой среде и отбраковку (см. патент RU 2158030, МПК⁷ G 210 3/62, 21/10 «Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов и устройство для его осуществления») – прототип.

Способ-прототип устраняет недостатки известного способа в части применения многостадийного смешения порошков и отмены операций уплотнения, но предусматривает подготовку только пресспорошка диоксида урана UO₂, полученного методом мокрого превращения с восстановлением из диураната аммония (АДУ-процесс), а поскольку диоксид урана UO₂, получаемый по разным технологиям, существенно отличается друг от друга и при изготовлении таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов требуется для каждого из порошков своя технология с учетом свойств используемых порошков, например, изготовленных через аммоний-уранилтрикарбонат (АУК-процесс), изготовленных сухим методом – пирогидролизом UF₆ в печах кипящего слоя, пирогидролизом UF₆ во вращающемся трубчатом реакторе, пирогидролизом UF₆ в пламенном реакторе и т.д. (см. «Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов», книга 1 (под ред. Ф.Г.Решетникова. – М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с.66-85), то такое ограниченное применение способа по п. №2158030 является его недостатком.

Известно устройство для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающее агрегат смешения порошков диоксида урана UO₂ и связующего, агрегат прессования таблетированного топлива из смеси порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃O₈ и связующего, агрегат спекания таблетированного топлива тоннельного типа с тремя температурными зонами нагревания, спекания в восстановительной среде и охлаждения, агрегат мокрого шлифования поверхности таблетированного топлива, агрегат сушки (см. «Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов» под ред. Ф.Г.Решетникова. М.: Энергоатомиздат, 1995 г., книга 1 с.93-102).

Известное устройство не позволяет производить многостадийного смешения порошков для их равномерного распределения в пресс-порошке, невозможно осуществить накопления таблетированного топлива до и после спекания в силу отсутствия узлов накопления в конструкции агрегата спекания таблетированного топлива, не предусмотрен агрегат переработки брака.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, содержащее агрегат многостадийного смешения порошков диоксида урана, связующего и порошка оксида урана, агрегат прессования таблетированного топлива, агрегат спекания в восстановительной среде таблетированного топлива с узлами накопления таблетированного топлива до и после спекания, агрегат мокрого шлифования таблетированного топлива, агрегат сушки, агрегат переработки брака таблетированного топлива (см. патент RU 2158030, МПК⁷ G 21 С 3/62, 21/10 «Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов и устройство для его осуществления») прототип.

Устройство-прототип устраняет недостатки известного устройства, но вместе с тем имеет ограниченную область применения – изготовление таблетированного топлива только из порошка диоксида урана, полученного методом мокрого превращения с восстановлением из диураната аммония (АДУ-процесс) и без уплотнения порошка. В процессе изготовления таблетированного топлива из порошка диоксида урана в нем могут сохраняться твердые частицы, не разрушаемые даже при прессовании, и частицы оксидов урана, которые в конечном итоге образуют кольцевые поры на поверхности таблетированного топлива, являющиеся браковочным признаком.

Технической задачей изобретения является расширение, технологических возможностей подготовки пресспорошков изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, полученных различными методами, с требуемым качеством таблетированного топлива.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающем подготовку пресспорошка диоксида урана UO₂, обогащенного ²³⁵U до 2-5% многостадийным смешением со связующим и с порошком оксида урана U₃O₈, прессование, термическое удаление связующего, спекание таблетированного топлива в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование, сушку в инертной газовой среде, отбраковку, согласно изобретению, от партий пресспорошков диоксида урана UO₂, изготовленных по различным технологиям, отбирают пробы, из которых изготавливают таблетированное топливо, проверяют его на наличие кольцевых пор на поверхности таблетированного топлива и при их отсутствии из всей партии данной пробы изготавливают таблетированное топливо без предварительного уплотнения пресс-порошка диоксида урана UO₂, а при наличии кольцевых пор на поверхности таблетированного топлива партию пресс-порошка перед многостадийным смешением подвергают смешению до гомогенного состояния с оксидом урана U₃O₈, полученным сжиганием брака спеченного таблетированного топлива, и с порошком азодикарбонамида в качестве порообразователя, измельчению, смешению со связующим – жидким пластификатором, прессованию в пластины, измельчению их и рассеву с последующим изготовлением таблетированного топлива.

Другим отличием является то, что влажность полученной смеси при смешении порошков диоксида урана UO₂, оксида U₃O₈ и порошка азодикарбонамида должна быть не более 1%, используют азодикарбонамид не более 1% к весу порошка всей партии.

После смешения смеси порошков с жидким пластификатором – раствором поливинилового спирта – влажность смеси не должна превышать 3% к весу всей партии, подлежащей смешению.

Поставленная техническая задача – расширение технологических возможностей подготовки пресспорошков изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, полученных различными методами, с требуемым качеством таблетированного топлива, решается также и тем, что в способе изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающем подготовку пресспорошка диоксида урана UO₂, обогащенного ²³⁵U до 2-5% многостадийным смешением со связующим и с порошком оксида урана U₃O₈, прессование, термическое удаление связующего, спекание таблетированного топлива в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование, сушку в инертной газовой среде, отбраковку, согласно изобретению, от партий пресс-порошков диоксида урана UO₂, изготовленных по различным технологиям, отбирают пробы, из которых изготавливают таблетированное топливо без предварительного уплотнения пресс-порошка диоксида урана UO₂, полученное таблетированное топливо из каждой пробы проверяют на наличие кольцевых пор и при их отсутствии из всей партии пресспорошка диоксида урана данной пробы изготавливают таблетированное топливо без предварительного уплотнения пресс-порошка диоксида урана UO₂, а при наличии на поверхности таблетированного топлива кольцевых пор партию пресс-порошка перед многостадийным смешением подвергают смешению с 15-50% порошка диоксида урана, не дающего кольцевых пор на поверхности изготовленного из него таблетированного топлива после опробования, измельчению, смешению с сухим связующим, прессованию в пластины, измельчению их и рассеву с последующим изготовлением таблетированного топлива.

Технической задачей изобретения является создание устройства для осуществления способа изготовления таблетированного топлива такой конструкции, которая позволила бы повысить производительность, увеличить выход годных таблеток, уменьшив при этом экологическую опасность производства.

Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, содержащем агрегат многостадийного смешения порошков диоксида урана, оксида урана и связующего, агрегат прессования таблетированного топлива, агрегат спекания в восстановительной среде таблетированного топлива с узлами накопления таблетированного топлива до и после спекания, агрегат мокрого шлифования таблетированного топлива, агрегат сушки, агрегат переработки брака таблетированного топлива, согласно изобретению, перед агрегатом многостадийного смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃О₈ и связующего размещены агрегат смешения до гомогенного состояния порошков диоксида урана, оксида урана после сжигания брака спеченного таблетированного топлива и азодикарбонамида, агрегат измельчения смеси порошков, агрегат смешения с жидким пластификатором, агрегат прессования в пластины, агрегат измельчения пластин и рассева, агрегат смешения с сухим связующим, связанные транспортными средствами проводки с агрегата на агрегат.

Такое выполнение вариантов способов и устройства изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов позволит расширить технологические возможности подготовки пресс-порошков изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, полученных по различным технологиям, с требуемым качеством таблетированного топлива.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема устройство для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов.

Устройство для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов содержит агрегат 1 для многостадийного смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃O₈ и связующего, агрегат 2 прессования таблетированного топлива, агрегат 3 спекания в восстановительной среде таблетированного топлива с узлами накопления таблетированного топлива до и после спекания (не показаны, агрегат 4 мокрого шлифования таблетированного топлива, агрегат 5 сушки, агрегат 6 переработки брака таблетированного топлива.

Перед агрегатом 1 многостадийного смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₂O₈ и связующего размещены дополнительно:

– агрегат 7 смешения до гомогенного состояния порошков диоксида урана, оксида урана после сжигания брака спеченного таблетированного топлива в агрегате 6 и азодикарбонамиды;

– агрегат 8 измельчения смеси порошков;

– агрегат 9 смешения со связующим – жидким пластификатором;

– агрегат 10 прессования в пластины;

– агрегат 11 измельчения пластин и рассева;

– агрегат 12 смешения с сухим связующим;

– транспортные средства 13 проводки с агрегата на агрегат.

Примеры осуществления способа.

Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов осуществляют следующим образом.

Вариант 1

От партий порошка диоксида урана UO₂, изготовленных по различным технологиям, отбирают пробы, из которых изготавливают таблетированное топливо в агрегатах 1-6, проверяют его на наличие кольцевых пор на поверхности таблетированного топлива и при их отсутствии из всей партии данной пробы изготавливают таблетированное топливо без предварительного уплотнения порошка диоксида урана UO₂ в агрегатах 1-6. При наличии кольцевых пор на поверхности таблетированного топлива партию порошка диоксида UO₂ перед многостадийным смешением подвергают смешению в агрегате 7 до гомогенного состояния с оксидом U₃O₈, полученным сжиганием брака спеченного таблетированного топлива, и с порошком азодикарбонамида, измельчению в агрегате 8, смешению в агрегате 9 со связующим – жидким пластификатором, прессованию в агрегате 10 в пластины, измельчению в агрегате 11 и рассеву с последующим изготовлением таблетированного топлива в агрегатах 1-6. При смешении в агрегате 7 диоксида UO₂, оксида U₃O₈ и порошка азодикарбонамида влажность смеси должна быть не более 1%, азодикарбонамида – порообразователя должно быть не более 1% к весу порошка всей партии.

После смешения смеси порошков с жидким пластификатором – раствором поливинилового спирта влажность смеси не должна превышать 3%.

Вариант 2

От партий порошков диоксида урана UO₂, изготовленных по различным технологиям, отбирают пробы, из которых изготавливают таблетированное топливо без предварительного уплотнения в агрегатах 1-6 и проверяют на наличие кольцевых пор. При отсутствии кольцевых пор из всей партии данной пробы изготавливают таблетированное топливо в агрегатах 1-6 без предварительного уплотнения порошка диоксида урана UO₂, а при наличии кольцевых пор партию порошка перед многостадийным смешением в агрегате 1 подвергают смешению в агрегате 12 с 15-50% порошка диоксида урана UO₂, не дающего после опробования кольцевых пор на поверхности таблетированного топлива. Полученную смесь измельчают в агрегате 8, подвергают смешению в агрегате 9 с сухим связующим, прессованию в пластины в агрегате 10, измельчению в агрегате 11 и изготовлению таблетированного топлива в агрегатах 1-6.

Формула изобретения

1. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку пресс-порошка диоксида урана UO₂, обогащенного ²³⁵U до 2-5%, многостадийным смешением со связующим и с порошком оксида урана U₃O₈, прессование, термическое удаление связующего, спекание таблетированного топлива в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование, сушку в инертной газовой среде и отбраковку, отличающийся тем, что от партий порошков диоксида урана UO₂ отбирают пробы, из отобранных проб порошков изготавливают таблетированное топливо, проверяют его на наличие кольцевых пор на поверхности таблетированного топлива и при их отсутствии из всей партии данной пробы порошка изготавливают таблетированное топливо без предварительного уплотнения порошка диоксида урана UO₂, а при наличии кольцевых пор на поверхности таблетированного топлива партию порошка UO₂ перед многостадийным смешением подвергают смешению до гомогенного состояния с оксидом урана U₃O₈, полученным сжиганием брака спеченного таблетированного топлива, и с порошком азодикарбонамида, измельчению, смешению с жидким пластификатором, прессованию в пластины, измельчению пластин и рассеву с последующим изготовлением таблетированного топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при смешении порошков диоксида UO₂, оксида U₃O₈ и порошка азодикарбонамида обеспечивают влажность полученной смеси не более 1%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют порошок азодикарбонамида в объеме не более 1% к весу порошка всей партии.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после смешения порошков с жидким пластификатором, раствором поливинилового спирта, обеспечивают влажность полученной смеси не более 3% к весу всей партии.

5. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку пресс-порошка диоксида урана UO₂, обогащенного ²³⁵U до 2-5%, многостадийным смешением со связующим и с порошком оксида урана U₃O₈, прессование, термическое удаление связующего, спекание таблетированного топлива в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование, сушку в инертной газовой среде и отбраковку, отличающийся тем, что от партий порошков диоксида урана UO₂ отбирают пробы, из отобранных проб порошков изготавливают таблетированное топливо без предварительного уплотнения порошка диоксида урана UO₂, полученное таблетированное топливо из каждой пробы проверяют на наличие кольцевых пор и при их отсутствии из всей партии порошка диоксида урана данной пробы изготавливают таблетированное топливо без предварительного уплотнения порошка диоксида урана UO₂, а при наличии на поверхности таблетированного топлива кольцевых пор партию порошка перед многостадийным смешением подвергают смешению с 15-50% порошка диоксида урана, не дающего после опробования кольцевых пор на поверхности изготовленного из него таблетированного топлива, измельчению, смешению с сухим связующим, прессованию в пластины, измельчению их и рассеву с последующим изготовлением таблетированного топлива.

6. Устройство для изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, содержащее агрегат многостадийного смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃O₈ и связующего, агрегат прессования таблетированного топлива, агрегат спекания в восстановительной среде таблетированного топлива с узлами накопления таблетированного топлива до и после спекания, агрегат мокрого шлифования таблетированного топлива, агрегат сушки, агрегат переработки брака таблетированного топлива, отличающееся тем, что перед агрегатом многостадийного смешения порошков диоксида урана UO₂, оксида урана U₃O₈ и связующего размещены агрегат смешения до гомогенного состояния порошков диоксида урана UO₃, оксида урана U₃O₈ после сжигания брака спеченного таблетированного топлива и порошка азодикарбонамида, агрегат измельчения смеси порошков, агрегат смешения с жидким пластификатором, агрегат прессования в пластины, агрегат измельчения пластин и рассева, агрегат смешения с сухим связующим, связанные между собой транспортными средствами проводки с агрегата на агрегат.

РИСУНКИ