Патент на изобретение №2158030

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

(57) Реферат:

Использование: при изготовлении таблетированного топлива из диоксида урана (UO₂) для повышения производительности, выхода годных, качества таблеток, уменьшения пылеобразования, снижения экологической опасности производства и повышения срока эксплуатации ТВЭЛ в ядерном реакторе. Сущность изобретения: порошок диоксида урана UO₂, полученный методом мокрого превращения с восстановлением из диураната аммония (АДУ-процессом) без операций уплотнения, смешивают с сухим связующим – стеаратом цинка в среде инертного газа и оксидом урана U₃O₈, полученным из брака таблеток после термического окисления воздухом, прессуют в матрице со стеаратом цинка, спекают в восстановительной среде, шлифуют мокрым методом набором алмазных кругов, шлифовальные поверхности которых определяют по формулам, сушат и отбраковывают бракованные таблетки. Устройство для осуществления способа включает агрегаты: смешения порошков UO₂ и стеарата цинка, прессования таблеток, спекания таблеток, агрегат мокрого шлифования, сушки и переработки брака. Агрегат спекания таблеток снабжен передвижным боксом – накопителем лодочек с таблетками с узлом стыковки с тоннельной печью. В агрегате мокрой шлифовки круг с алмазным покрытием выполнен составным, по крайней мере, из четырех кругов с зернистостью от грубой до тонкой. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

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

Известно, что таблетки диоксида урана UO₂ являются одной из основных составляющих тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), в значительной степени определяющих их работоспособность, поэтому к ним предъявляются достаточно жесткие требования по многим показателям. Некоторые требования к таблеткам для ядерных реакторов различного типа и, работающих в разных режимах, отличаются друг от друга, но большинство основных требований являются общими. Получение в производственных условиях таблеток, полностью удовлетворяющих требованиям технических условий (ТУ), довольно непростая задача, поскольку их качество зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от качества исходных порошков UO₂. Получаемые по разным технологиям порошки диоксида урана UO₂ существенно отличаются друг от друга не только по свойствам, но и по стабильности этих свойств. Поэтому в каждом случае требуется отработка своей технологии с учетом свойств используемых порошков диоксида урана UO₂.

Известен способ получения таблетированного ядерного топлива, включающий подготовку порошков путем смешения компонентов порошка, смешения со связующим, предварительного уплотнения, грануляции и подготовки гранул для прессования, прессования и спекания (см. патент США N 4436677, кл G 21 С 21/00, 1982 г.).

Недостатком способа является большое количество пылящих операций при подготовке порошка (уплотнение, прессование, грануляция), что приводит к серьезным затруднениям при приготовлении ядерного топлива с точки зрения экологии и потерям ядерного топлива через вентиляцию.

Дополнительные операции по уплотнению порошка удлиняют технологический процесс, снижают производительность и повышают себестоимость изготовления таблеток.

Известен способ изготовления таблеток ядерного топлива, где для изготовления спекаемых таблеток мелкодисперсный порошок диоксида урана UO₂ смешивают с порошком оксида урана U₃O₈, а реакционный и мелкодисперсный оксид U₃О₈ получают путем окисления на воздухе UO₂ при температуре менее 800^oC (см. патент ЕПВ (ЕР) N 0249549 от 16.12.87 г. МКИ G 21 С 3/62). В способе использован диоксид UO₂, полученный сухим методом, а способ изготовления таблеток основан на основе оксида урана, т.е. основная масса смешиваемых порошков это оксид U₃O₈ и к нему вносится добавка диоксида UO₂.

К недостаткам диоксида урана UO₂, полученного сухим методом, следует отнести то, что в процессе изготовления UO₂ в нем присутствует фтор, который вступает в реакцию с материалом оболочки ТВЭЛа – цирконием, разрушает ее и, как следствие, не исключена разгерметизация ТВЭЛа в ядерном реакторе, а изготовление таблеток на основе оксида U₃O₈ с добавлением UO₂ не позволит достичь требуемой плотности таблеток, так как при восстановлении U₃O₈ до UO₂ при спекании тело таблеток будет крупнопористым из-за газовыделения (Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. /Под ред. Ф.Г.Решетникова. М.: Энергоатомиздат, 1995 г. Книга 1, стр.151).

Известен способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку порошка диоксида урана UO₂, смешения его с сухим связующим, прессование и удаление связующего со спеканием в газообразной восстановительной среде (патент GB N 2320800 от 01.07.98 г., МКИ G 21 С 3/62, 50с.).

По известному способу подготовку порошка диоксида урана UO² осуществляют через уплотнения прессованием, грануляцией, окислением до U₃O₈, восстановлением в среде водорода до UO₂ и измельчением. В качестве сухого связующего используют стеариновую кислоту, а спекание осуществляют при 1750^oC в среде водорода.

Недостатком известного способа является то, что подготовка порошка через его уплотнение требует проведения дополнительных операций прессования, грануляции, измельчения, а операция окисления требует дополнительной операции восстановления в среде водорода. Проведение дополнительных операций ведет к повышению экологической опасности производства из-за пыления и снижению производительности. Известный способ неполно характеризует сущность изобретения, т.к. в нем не отражен ряд операций, имеющихся в заявленном способе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку пресс-порошка диоксида урана UO₂, обогащенного ураном 235 до 2-5%, смешение с сухим связующим – стеаратом цинка [Zn (C₁₇H₃₅COO)₂] и с порошком оксида урана U₃O₈ прессование со смазкой в матрице, термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование алмазным кругом таблеток, сушку и отбраковку бракованных таблеток (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).

В способе-прототипе получение диоксида урана UO₂ через полиуринат аммония (АДУ- процесс) связано с соединением аммоний диуринат. Длительный опыт по этой технологии свидетельствует о том, что получение порошков диоксида UO₂ стабильного качества затруднительно (см. там же Книга 1, стр.66-68).

Поэтому по традиционной схеме подготовку пресс-порошка диоксида урана UO₂, по способу-прототипу осуществляют через уплотнение, включающее прессование брикетов, размалывание их, грануляцию, рассев (см. там же, с. 93 1), 2)-94).

Недостатком подготовки пресс-порошка способа-прототипа является то, что требуются дополнительные операции уплотнения, а дополнительные операции приводят к снижению производительности, повышению экологической опасности производства из-за пыления. Операция смешения в способе-прототипе включает смешение порошка диоксида урана UO₂ со связующим веществом – стеаратом цинка [Zn(C₁₇H₃₅COO)₂] (см.там же с. 94).

От равномерности смешения порошка диоксида урана UO₂ со связующим – стеаратом цинка [Zn(C₁₇H₃₅COO)₂] и от его (стеарата цинка количества, в смеси порошка диоксида урана UO₂, зависит качество таблеток.

Количество связующего, в зависимости от способа подготовки пресс-порошка, составляет 4-10%. При недостатке связующего затрудняется прессование таблеток из-за увеличения трения как внутри самого порошка, так и между порошком и матрицей пресс-формы. Это приводит к уменьшению плотности прессованных таблеток. При этом также увеличиваются усилия выталкивания таблеток из пресс-формы, что может явиться причиной зарождения в таблетках таких дефектов как трещины и сколы.

Увеличение связующего снижает плотность спрессованных таблеток по другой причине – за счет объема связующего. Большое количество связующего испаряясь, при нагревании таблеток, затрудняет их спекание и получение требуемой высокой плотности. Кроме того, со связующим вводится значительное количество углерода, часть которого может оставаться в спеченных таблетках, ухудшая работоспособность ТВЭЛов (см. там же стр. 95). Именно оставшийся углерод приводит к распуханию таблеток, что не исключает разгерметизации ТВЭЛа в ядерном реакторе. Те же самые дефекты таблеток вызовет и неравномерное распределение связующего в пресс-порошке при неравномерном смешении (см. там же стр. 95).

Операция мокрого шлифования спеченных таблеток, с помощью круга с алмазным покрытием (см. там же стр. 101-102, не исключает получение брака таблеток при нарушении размещения таблетки между ведущим и шлифовальным кругами, а также качество шлифованных таблеток зависит от размеров кругов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для осуществления способа изготовления втулочного таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающее:
– агрегат смешения порошков диоксида урана UO₂ и стеарата цинка;
– агрегат прессования таблеток из смеси порошков диоксида урана UO₂ и стеарата цинка, содержащий матрицу;
– агрегат спекания таблеток, содержащий печь тоннельного типа, имеющую три температурные зоны нагревания и спекания таблеток в восстановительной среде и охлаждения с продвижением лодочек с таблетками через три зоны;
– агрегат мокрого шлифования поверхности таблеток и агрегат сушки (Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов./Под ред. Ф.Г.Решетникова. М.:
Энергоатомиздат, 1995 г. Книга 1, с. 93-95, 98, 99, 101, 102).

Благодаря трехзонной тоннельной печи сушка и температурное удаление связующего из таблетки можно осуществлять в первой зоне печи без дополнительной печи сушки таблеток, но тоннельная печь не предусматривает в своей конструкции агрегата накопления сырых таблеток и его необходимой стыковки с тоннельной печью и с агрегатом загрузки сырых таблеток в агрегат накопления, что снижает производительность при изготовлении таблеток.

Недостатком агрегата шлифования является то, что шлифование таблеток одним кругом может не обеспечить полноты шлифования, что потребует дополнительного прохода, а это снижает производительность и требуется весьма точная установка опор (верхней и нижней), удерживающих таблетку в зоне шлифования, а иначе возможен брак таблеток при шлифовании.

В процессе изготовления таблетированного топлива неизбежно получение брака таблеток, который необходимо перерабатывать. В устройстве-прототипе этот агрегат отсутствует.

Технической задачей изобретения является повышение производительности, выхода годных, качества таблеток, уменьшения пылеобразования, снижения экологической опасности производства и повышения срока эксплуатации ТВЭЛ в ядерном реакторе.

Эта техническая задача решается тем, что в способе изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающем подготовку пресс-порошка диоксида урана UO₂, обогащенного ураном 235 до 2-5%, смешение с сухим связующим – стеаратом цинка [Zn(C₁₇H₃₅COO)₂] и с порошком оксида U₃O₈, прессование со смазкой в матрице, термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование таблеток алмазным кругом, сушку и отбраковку, бракованных таблеток;
согласно изобретения в качестве диоксида урана UO₂ применяют порошок диоксида урана UO₂, полученный методом мокрого превращения с восстановлением из диураната аммония (АДУ-процессом), который используют без операций уплотнения (прессования брикетов, дробления, размалывания, просеивания), смешение диоксида урана UO₂ с сухим связующим – стеаратом цинка [Zn(C₁₇H₃₅COO)₂] осуществляют постадийно, где на первой стадии смешивают 5-10 частей от партии порошка диоксида урана UO₂, со всем количеством стеарата цинка, требуемом на партию, на второй стадии полученную смесь смешивают с 5 – 10 частями порошка диоксида урана UO₂ от партии, на третьей стадии полученную смесь смешивают с остальной частью порошка диоксида урана UO₂ и с оксидом урана U₃O₈, полученном после термического окисления воздухом брака таблеток из диоксида урана UO₂ (полученного АДУ-процессом) до оксида урана U₃O₈, в качестве смазки при прессовании таблеток используют стеарат цинка, ранее введенный в пресс-порошок, мокрую шлифовку поверхности таблетки после спекания в восстановительной среде осуществляют набором кругов, алмазное покрытие которых выбирают от грубой зачистки до тонкого шлифования, ширину поверхности всех кругов определяют по формуле:
L=L₁ + H
где L – ширина алмазной поверхности круга,
L₁ – ширина ведущего круга,
Н – высота таблетки,
а в агрегате шлифования поверхности таблеток верхнюю и нижнюю опоры устанавливают по формуле:
X = + A + 0,1 мм,
где Х – высота нижней кромки верхней опоры до верхней кромки нижней опоры;
– диаметр таблетки, мм;
А – максимальный припуск снимаемой за один проход при шлифовании и
X₁ = N – M+ a – M₁,
где X₁ – высота нижней опоры;
N – расстояние от базовой плоскости суппорта до линии центров кругов, мм;
М – расстояние от базовой плоскости суппорта до опорной поверхности опоры;
M₁ – расстояние от линии центров таблеток до линии центров кругов;
а – величина, равная разнице между 1/2 диаметра таблетки и расстоянием от линии движения таблеток до опорной поверхности нижней опоры до кромки опоры нижней, после чего проводят сушку таблеток.

Другими отличиями способа является то, что:
а) количество стеарата цинка, требуемое на партию, составляют 0,2-0,5%;
б) количество порошка регенерированного оксида U₃O₈ применяют до 15% на партию;
в) термическое удаление связующего осуществляют при 400-700^oC;
г) сушку таблеток после шлифования осуществляют в среде азота при температуре 200-300^oC;
д) для окисления бракованных таблеток используют воздух с температурой 500-600^oC.

Эта техническая задача решается тем, что устройство для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов включающее: агрегат смешения порошков диоксида урана UO₂ и стеарата цинка; агрегат прессования таблеток из смеси порошков диоксида UO₂ и стеарата цинка, содержащий матрицу; агрегат спекания таблеток, содержащий печь тоннельного типа, имеющую три температурные зоны нагревания и спекания таблеток в восстановительной среде и охлаждения с продвижением лодочек с таблетками через три зоны печи; агрегат мокрого шлифования поверхности таблеток и агрегат сушки; согласно изобретения агрегат спекания таблеток снабжен передвижным боксом-накопителем лодочек с таблетками с узлом стыковки с тоннельной печью, с транспортным средством перемещения лодочек с таблетками внутри бокса-накопителя и передвижным разгрузочным боксом со стыковочным узлом с передвижным боксом-накопителем и агрегатом переработки брака таблеток, содержащем вертикальную печь, сито, узел загрузки бракованных таблеток, узел выгрузки порошка оксида урана U₃O₈ и штуцер ввода в печь газовой окислительной среды.

Другими отличиями является размещение в агрегате переработки брака внутри вертикальной печи под углом к горизонтальной оси барабана с приводом вращения с соосно размещенной в нем трубы с перфорированной поверхностью ввода в барабан горячей окислительной газообразной среды, сито размещено по образующей барабана, узел загрузки бракованных таблеток сообщен с внутренней полостью барабана, внутри которого размещены продольные ребра, а в нижней части печи размещен узел выгрузки регенерированного оксида урана U₃O₈, выполненный в виде двух параллельных, перекрывающих лопастями друг друга, самоочищающихся шнеков выгрузки и размещение барабана в печи под углом 15 – 30^o к горизонтальной оси.

Использование в качестве пресс-порошка для изготовления таблеток смеси диоксида урана UO₂ (АДУ-процесса) связующего – стеарата цинка и оксида урана регенерированного U₃O₈ (АДУ-процесса), позволит использовать порошок диоксида урана UO₂ без его уплотнения (прессования брикетов, дробления, размалывания и просеивания), чего ранее нельзя было сделать, снизить при этом экологическую опасность производства за счет уменьшения пылящих операций.

Повысить кампанию срока эксплуатации ТВЭЛ в ядерном реакторе до 5 лет, вместо 2-3 лет, с повышенным выгоранием за счет того, что:
получаемые порошки U₃O₈ (АДУ-процесса) при окислении UO₂ (АДУ-процесса) обладают хорошей текучестью, необходимой плотностью и удельной поверхностью, а потому, при подшихтовке их к основной массе диоксида урана UO₂ (АДУ-процесса) технологическая характеристика их резко улучшается, соответственно повышается выход годных и качество таблеток при пониженной и стабильной доспекаемости, стабильной равномерной пористости таблеток, оптимальном размере зерна и низком газовыделении в связи с использованием сухого связующего – стеарата цинка;
исключается ввод с диоксидом UO₂ в пресс-порошок фтора, разрушающего оболочку ТВЭЛа, что повысит качество как таблеток, так и ТВЭЛа;
постадийное смешение порошков UO₂, U₃O₈ и стеарата цинка позволит получить равномерно перемешанную структуру пресс-порошка, что исключит брак таблеток при прессовании из-за недостатка или переизбытка связующего – стеарата цинка;
использование связующего – стеарата цинка, ранее введенного в шихту в качестве смазки, исключит ввод в таблетку каких-либо других смазок и улучшит качество таблетки, исключит образование неравномерной зональной пористости, повысит прочность таблетки;
шлифование от грубой очистки до тонкого шлифования и формула, определяющая ширину алмазной поверхности позволяют
исключить брак таблеток, повысить выход годных и качество таблеток; позволяют уменьшить отклонение от цилиндрической образующей таблетки, уменьшают шероховатость поверхности, уменьшают количество сколов, за счет равномерной нагрузки при шлифовании, кроме того делается “заправка” шлифовального круга с торцев для исключения стесов таблетки.

Другие отличия направлены на повышение качества таблеток.

Выполнение подвижного бокса-накопителя таблеток перед тоннельной печью спекания с узлом стыковки с печью, с транспортным средством внутри и передвижного бокса загрузки со стыковочным узлом позволит повысить производительность и рассредоточить ядерный материал по передвижному боксу-накопителю, снизить экологическую опасность производства за счет исключения самопроизвольной ядерной реакции при аварийном затоплении водой.

Выполнение предложенного агрегата переработки брака таблеток позволит интенсифицировать процесс окисления UO₂ в U₃O₈ и повысить производительность. Предложенная схема установки верхней и нижней опор, определяемых по формуле, приведенной ранее, позволит исключить брак таблеток при шлифовании и достичь заданного их размера.

На чертежах представлены:
фиг. 1 – схема способа;
фиг. 2 – устройство осуществления способа;
фиг. 3 – агрегат прессования;
фиг.4 – агрегат удаления связующего и спекания с боксом-накопителем;
фиг. 5 – агрегат шлифования;
фиг. 6 – агрегат переработки брака.

Устройство для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включает (фиг. 1) агрегат 1 смешения порошков диоксида урана UO₂, стеарата цинка и оксида урана U₃O₈; агрегат 2 прессования таблеток 3 из смеси порошков диоксида урана UO₂, стеарата цинка и оксида урана U₃O₈, содержащий матрицу 4 с иглой 5 с верхним 6 и нижним 7 пуансонами (фиг. 3); агрегат (фиг. 1) 8 удаления связующего и спекания таблеток (фиг. 2) 3, содержащий печь 9, имеющую три 10, 11, 12 температурные зоны нагревания и удаления связующего, спекания таблеток 3 в восстановительной среде и охлаждения со штуцером 13 подачи газообразной восстановительной среды; транспортное средство 14 перемещения лодочек 15 с таблетками 3 через три зоны 10, 11, 12 печи 9; агрегат 16 шлифования поверхности таблеток 3, содержащий (фиг. 5) верхнюю 17 и нижнюю 18 опоры с размещенной между ними таблеткой 3, а с боков ведущий 19 круг и круг 20 с алмазным покрытием; агрегат сушки 21; агрегат 22 (фиг. 6) переработки брака таблеток 3, содержащий вертикальную печь 23, сито 24, узел загрузки 25 бракованных таблеток 3, узел выгрузки 26 порошка оксида урана U₃O₈, и штуцер ввода 27 в вертикальную печь 23 газовой окислительной среды.

Агрегаты 1, 2, 8, 16, 21, 22 (фиг. 1) объединены в поточную линию, которая снабжена (фиг. 2) транспортным средством 28 проводки порошков на смешение в агрегат 1 смешения; транспортным средством проводки 29 пресс-порошка из агрегата 1 смешения в агрегат 2 прессования таблеток 3; транспортным средством 30 проводки таблеток 3 из агрегата 2 прессования в агрегат 8 удаления связующего и спекания таблеток 3; транспортным средством 31 проводки из агрегата 8 в агрегат 16 мокрого шлифования таблеток 3; транспортным средством 32 проводки шлифованных таблеток в агрегат 21 сушки таблеток 3; транспортным средством 33 проводки бракованных таблеток 3 в агрегат 22 их переработки и транспортным средством 34 проводки оксида урана U₃O₈ из агрегата 22 в агрегат 1.

Игла 5 (фиг. 3) матрицы 4 на длине своей рабочей части выполнена с конусностью до 30 мкм, а сама матрица 4 в рабочей части выполнена также с конусностью до 50 мкм на длине таблетки 3.

Агрегат 8 (фиг. 4) удаления связующего и спекания таблеток 3 снабжен передвижным по направляющим рельсам 35 боксом-накопителем 36 лодочек 15 с таблетками 3 с узлом стыковки 37 с тонельной печью 9, с транспортным средством 38 (фиг. 2) для перемещения лодочек 15 с таблетками 3 внутри бокса-накопителя 36 и передвижным загрузочным боксом 39 со стыковочным узлом 40 с передвижным боксом-накопителем 36. Алмазный круг 20 (фиг. 5) агрегата 16 (фиг. 2) шлифования выполнен составным, по крайней мере, из четырех кругов с зернистостью от грубой до тонкой.

В агрегате 22 (фиг. 6) переработки брака таблеток 3 внутри вертикальной печи 23 под углом к горизонтальной оси 15-30^o размещен барабан 41 с приводом 42 вращения с соосно размещенной в нем трубы 43 с перфорированной поверхностью ввода в барабан 41 горячей окислительной газоообразной среды, сито 24 размещено по образующей барабана 41, узел загрузки 25 бракованных таблеток 3 сообщен с внутренней полостью барабана 41, внутри которого размещены продольные ребра 44, а в нижней части вертикальной печи 23 размещен узел выгрузки 26 регенерированного оксида урана U₃O₈ в виде двух параллельно перекрывающих лопастями друг друга самоочищающихся шнеков 45, 46 выгрузки регенерированного оксида урана U₃O₈.

В качестве транспортного средства 28 проводки порошков на смешение в агрегат 1 смешения использован грузоподъемный механизм с вертикальным подъемом и опусканием и горизонтальной транспортировкой в контейнере-смесителе 47 как на первую стадию смешения, так и на вторую и третью стадии смешения, где на первой стадии смешения имеется привод 48 вращения как вокруг своей оси контейнера, так и горизонтального вращения, на второй стадии имеется аналогичный привод 49 и на третьей стадии барабан-смеситель 50 с узлом шнековой загрузки 51 из контейнера-смесителя 47 и узлом шнековой выгрузки 52 в свободный контейнер-смеситель 47.

В качестве транспортного средства 29 проводки пресс-порошка из агрегата 1 смешения в агрегат 2 прессования использован грузоподъемный механизм, аналогичный грузоподъемному механизму 28 с транспортировкой пресс-порошка в контейнере-смесителе 47.

Перед агрегатом 2 прессования установлен кантователь 53 поворота контейнера-смесителя 47 на 180^o, т.е. горловиной к низу, а агрегат 2 снабжен гнездом 54 установки контейнера-смесителя 47 горловиной к низу с вибратором 55 и дозатором 56.

В качестве транспортного средства 30 таблеток 3 из агрегата 2 в агрегат 8 удаления связующего и спекания использованы передвижной бокс-накопитель 36 и передвижной загрузочный бокс 39.

В качестве транспортного средства 31 проводки из агрегата 8 в агрегат 16 мокрого шлифования может быть использован грузоподъемный механизм, аналогичный грузоподъемному механизму 28 с транспортировкой спеченных таблеток в контейнере-смесителе 47, а также передвижной загрузочный бокс, аналогичный боксу 39.

В качестве транспортного средства 32 проводки шлифованных таблеток 3 с агрегата 16 на агрегат 21 сушки таблеток 3 использован рольганг.

В качестве транспортного средства 33 проводки бракованных таблеток 3 в агрегат 22 их переработки использован грузоподъемный механизм, аналогичный грузоподъемному механизму 28 с транспортировкой таблеток в контейнере 47.

В качестве транспортного средства 34 использован грузоподъемный механизм, аналогичный грузоподъемному механизму 28 с транспортировкой порошка U₃O₈ в контейнере 47 на агрегат 1.

Способ изготовления таблетированного топлива для ТВЭЛ и устройство для его осуществления работают следующим образом.

Диоксид урана UO₂, обогащенный ураном 235 от 2-5% (делящийся материал в воспроизводящем материале U₂₃₈), полученный по классической схеме (АДУ-процесс) без предварительного уплотнения смешивают с сухим связующим-стеаратом цинка [Zn(C₁₇H₃₅COO)₂] в следующих пропорциях.

На первой стадии 5-10 частей UO₂ с 02-05% стеарата цинка в контейнере-смесителе 47 агрегата 1, который с помощью грузоподъемного механизма 28 устанавливают в привод вращения 48 агрегата 1 и осуществляют вращение контейнера-смесителя 47 как вокруг своей оси, так и в горизонтальном положении.

На второй стадии полученную смесь порошка UO₂ и стеарата цинка вместе с контейнером-смесителем 47 грузоподъемным механизмом 28 снимают с привода 48 и устанавливают контейнер в привод 49. В контейнер-смеситель добавляют 5-10 частей порошка UO₂ (АДУ-процесс) и смешивают со смесью, находящейся в контейнере-смесителе 47.

На третьей стадии контейнер-смеситель 47 грузоподъемным механизмом 28 снимают с привода 49 и устанавливают на узел шнековой загрузки 51 барабана-смесителя 50, куда подают из контейнера-смесителя 47 смесь порошков, остальной диоксид урана UO₂ (АДУ-процесс) и оксид U₃O₈, полученный окислением брака таблеток UO₂ (АДУ-процесс) до U₃O₈.

На всех стадиях смешение осуществляется в инертной газовой среде азота.

После смешения всех порошков смесь пресс-порошка из барабана-смесителя 50 шнеком узла выгрузки 52 выгружается в контейнер 47, который грузоподъемным механизмом 29, аналогичным грузоподъемному механизму 28, транспортируют на кантователь 53, переворачивают контейнер 47 горловиной к низу, и тем же транспортным средством 29 транспортируют на агрегат 2 прессования таблеток 3, и устанавливают в гнездо 54. На агрегате 2, с помощью вибратора 55 и дозатора 56, пресс-порошок заполняет матрицы 4 с иглами 5, имеющими на длину таблетки конусную заходную часть матрицы до 50 мкм и конусную часть иглы до 30 мкм. С помощью верхнего пуансона 6 и нижнего пуансона 7 прилагают усилия, достаточные для надежного формования таблетки 3. Затем, верхний пуансон 6 поднимается вверх и нижним пуансоном 7 таблетка 3 выпрессовывается из матрицы.

В качестве смазки используется ранее введенный в пресс-порошок стеарат цинка.

Благодаря конусности матрицы и иглы выпрессовка осуществляется без ее сколов и разрушений. После выпрессовки пуансоном 7 осуществляют холостой ход для удаления остатков пресс-порошка с иглы 5. Отпрессованные таблетки загружаются в лодочки 15 и в загрузочный передвижной бокс-накопитель 39, который стыкуют стыковочным узлом 40 с передвижным боксом-накопителем 36 и с помощью транспортного средства 38 лодочки 15 с таблетками 3 размещают в этом боксе 36.

Транспортным средством 30, включающим передвижной бокс 36 на колесах и передвижной бокс 39 на колесах, перемещают по направляющим рельсам 35 боксы 36, 39 между агрегатом 2 и агрегатом 8.

Для удаления связующего и спекания сырых таблеток передвижной бокс 36 перемещают по рельсам 35 и стыковочным узлом 37 стыкуют с тоннельной печью 9, имеющей три зоны 10, 11, 12; где в первой зоне удаляют связующее при температуре 400-700^oC; во второй зоне таблетки 3 спекают в среде водорода или диссоциированного аммиака при температуре 175050 и в третьей зоне таблетки 3 охлаждают.

Подачу восстановителя в тоннельную печь 9 осуществляют через штуцер 13, а перемещение лодочек с таблетками по тоннельной печи осуществляют транспортным средством 14.

Спеченные таблетки 3 ссыпаются в контейнер 47 и транспортным средством 31, аналогичным транспортному средству 28, транспортируются на агрегат 16 шлифования их или подаются в лодочках 15 непосредственно на агрегат 16 в передвижном боксе, аналогичном боксу 39.

В агрегате 16 шлифования поверхности таблеток 3 верхнюю 17 и нижнюю 18 опоры устанавливают по формуле:
X = + A + 0,1 мм
где X – высота нижней кромки верхней опоры 17 до верхней кромки нижней опоры 18;
– диаметр таблетки, мм;
A – максимальный припуск, снимаемой за один проход при шлифовании и
X₁ = N – M + a – M₁,
где X₁ – высота нижней опоры 18;
N – расстояние от базовой плоскости суппорта до линии центров кругов (ведущий 19 и с алмазным покрытием 20);
M – расстояние от базовой плоскости суппорта до опорной поверхности опоры;
M₁ – расстояние от линии центров таблеток 3 до линии центров кругов;
а – величина, равная разнице между 1/2 диаметра таблетки 3 и расстоянием от линии движения таблеток 3 по опорной поверхности нижней опоры 18 до кромки опоры 18 нижней.

Установка опор гарантирует качество таблеток 3 за счет исключения недошлифовки и перешлифовки с нарушением диаметра таблетки 3.

Мокрую шлифовку поверхности таблеток 3 после спекания осуществляют набором, по крайней мере, из четырех кругов с алмазным покрытием от грубого до тонкого шлифования, ширину поверхности всех кругов определяют по формуле:
L = L₁+H,
где L – ширина алмазной поверхности круга 20;
L₁ – ширина ведущего круга 19;
Н – высота таблетки 3.

В качестве транспортного средства 32 используют рольганг, которым подают шлифованные таблетки 3 в агрегат 21 сушки, где сушку таблеток после мокрого шлифования осуществляют в среде азота при температуре 200-300^oС в сетчатых лодочках с их перемещением по агрегату 21 сушки.

Транспортным средством 33, аналогичным транспортному средству 28, контейнер 47 выводится из процесса с годными таблетками, а бракованные таблетки транспортным средством 33 в контейнере 47 транспортируются на агрегат 22 переработки бракованных таблеток 3, где бракованные таблетки 3 через узел загрузки 25 загружаются в барабан 41 с приводом 42 его вращения. При вращении барабана 41 бракованные таблетки 3 диоксида урана UO₂ подхватываются продольными ребрами 44 и интенсивно перемещаются во внутрь барабана. Через штуцер 27 и трубу 43 с перфорированной поверхностью подается горячий воздух с температурой 500-600^oC и диоксид урана UO₂ окисляется до оксида урана U₃O₈, ссыпается через сетчатую поверхность 24 барабана в нижнюю часть вертикальной печи 23 к узлу выгрузки 26, где самоочищаемыми шнеками 45, 46 порошок U₃O₈ выводится из агрегата 22 в контейнер 47 и транспортным средством 34, аналогичным транспортному средству 28, контейнер 47 с регенерированным оксидом U₃O₈ транспортируется в голову процесса на агрегат 1 смешения, где до 15% подшихтовывается к пресс-порошку диоксида урана UO₂ в смеси со стеаратом цинка.

Все минимальные и максимальные параметры являются оптимальными, проверены на практике и любое отклонение в меньшую или большую сторону приведет к снижению качества таблеток.

Проведены испытания предложенного способа и при этом получен положительный результат.

В прилагаемой таблице приведены данные, позволяющие увеличить выгорание ядерного топлива ТВЭЛ и продолжительность компании.

Формула изобретения

1. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающий подготовку пресспорошка диоксида урана UO₂, обогащенного ураном 235 до 2 – 5%, смешение с сухим связующим – стеаратом цинка [Zn(C₁₇H₃₅COO)₂] и с порошком оксида урана U₃O₈, прессование со смазкой в матрице, термическое удаление связующего, спекание таблеток в газообразной восстановительной среде, мокрое шлифование таблеток алмазным кругом, сушку и отбраковку бракованных таблеток, отличающийся тем, что в качестве порошка диоксида урана UO₂ применяют порошок диоксида урана UO₂, полученный методом мокрого превращения с восстановлением из диураната аммония, который используют без операций уплотнения, смешение диоксида UO₂ с сухим связующим – стеаратом цинка [Zn(C₁₇H₃₅COO)₂] осуществляют постадийно, где на первой стадии смешивают 5 – 10 ч. от порошка диоксида урана UO₂ со всем количеством стеарата цинка, требуемым на партию, на второй стадии полученную смесь смешивают с 5 – 10 ч. порошка диоксида урана UO₂ от партии; на третьей стадии полученную смесь смешивают с остальной частью порошка диоксида урана UO₂ и с оксидом урана U₃O₈, полученным после термического окисления воздухом брака таблеток диоксида урана UO₂, в качестве смазки при прессовании таблеток используют стеарат цинка, ранее введенный в пресс-порошок, мокрую шлифовку поверхности таблетки после спекания в восстановительной среде осуществляют набором кругов, алмазное покрытие которых выбирают от грубой зачистки до тонкого шлифования, ширину поверхности всех кругов определяют по формуле
L = L₁ + H,
где L – ширина алмазной поверхности круга;
L₁ – ширина ведущего круга;
H – высота таблетки,
а в агрегате шлифования поверхности таблеток верхнюю и нижнюю опоры устанавливают по формуле
X = + A + 0,1 мм,
где X – высота нижней кромки верхней опоры до верхней кромки нижней опоры;
– диаметр таблетки, мм;
A – максимальный припуск снимаемой за один проход при шлифовании и
X_I = N – M + a – M_I,
где X_I – высота нижней опоры;
N – расстояние от базовой плоскости суппорта до линии центров кругов, мм;
M – расстояние от базовой плоскости суппорта до опорной поверхности опоры;
M_I – расстояние от линии центров таблеток до линии центров кругов;
a – величина, равная разнице между 1/2 диаметра таблетки и расстоянием от линии движения таблеток по опорной поверхности нижней опоры до кромки опоры нижней,
после чего сушку проводят в инертной газовой среде.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество стеарата цинка, требуемое на партию, составляет 0,2 – 0,5%.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество регенерированного оксида урана U₃O₈, вводимого в партию пресс-порошка, составляет до 15%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическое удаление связующего из таблеток проводят при 400 – 700^oC.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сушку таблеток после мокрого шлифования осуществляют в среде азота при 200 – 300^oC.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для окисления бракованных таблеток используют воздух с температурой 500 – 600^oC.

7. Устройство для осуществления способа изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов, включающее: агрегат смешения порошков диоксида урана UO₂ и стеарата цинка; агрегат прессования таблеток из смеси порошков диоксида UO₂ и стеарата цинка, содержащий матрицу; агрегат спекания таблеток, содержащий печь тоннельного типа, имеющую три температурные зоны нагревания и спекания таблеток в восстановительной среде и охлаждение с продвижением лодочек с таблетками через три зоны печи; агрегат мокрого шлифования поверхности таблеток и агрегат сушки таблеток, отличающееся тем, что устройство снабжено агрегатом переработки брака, содержащим вертикальную печь, узел загрузки бракованных таблеток, узел выгрузки порошка оксида урана U₃O₈ и штуцер ввода в печь газовой окислительной среды, а агрегат спекания таблеток снабжен передвижным боксом-накопителем лодочек с таблетками с узлом стыковки с тоннельной печью с транспортным средством перемещения лодочек с таблетками внутри бокса-накопителя и передвижным, загрузочным боксом со стыковочным узлом с передвижным боксом-накопителем.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в агрегате переработки бракованных таблеток внутри вертикальной печи под углом к горизонтальной оси размещен барабан с приводом вращения, соосно размещенной в нем трубы с перфорированной поверхностью ввода в барабан горячей газообразной окислительной среды от штуцера, сито размещено по образующей барабана, внутри которого размещены продольные ребра, а узел выгрузки оксида урана U₃O₈ размещен в нижней части печи, выполненный в виде двух параллельных перекрывающих лопастями друг друга самоочищающихся шнеков выгрузки.

9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что барабан в печи размещен под углом 15 – 30^o к горизонтальной оси.

10. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что узел загрузки бракованных таблеток сообщен с внутренней полостью барабана.

РИСУНКИ