Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 8
1.1 Обзор технологий изготовления топливных таблеток 8
1.1.1 Характеристика диоксида урана 9
1.1.2 Отечественные технологии топливных таблеток из диоксида урана 10
1.1.3 Зарубежные технологии топливных таблеток 21
1.2 Свойства таблеток и их зависимость от свойств исходного порошка диоксида урана 24
1.2.1 Прочность таблеток 24
1.2.2 Влияние свойств исходного порошка диоксида урана на качество топливных таблеток 28
1.3 Технологические виды брака 33
1.3.1 Виды брака прессовок 33
1.3.2 Виды брака спеченных таблеток ; 34
2 Исследование технологических операций, определяющих качество таблеток . 35
2.1 Приготовление пресспорошка 35
2.1.1 Смешивание компонентов : 35
2.1.2 Смешивание и использование порошков, различных по гранулометрическому составу 46
2.2 Прессование таблеток ..55
2.2.1 Механическая прочность таблеток 61
2.2.2 Влияние фаски на кромках на характеристики таблеток . 70
2.2.3 Напряженно-деформируемое состояние таблетки при прессовании 73
2.2.4 Пути решения проблемы скалывания таблеток в процессе изготовления 78
2.3 Спекание топливных таблеток 89
2.3.1 Математическая модель спекания топливных таблеток 89
2.3.2 Оптимизация режимов спекания 107
3 Обсуждение результатов 119
Заключение 120
Список использованных источников 122
Приложения І 125
- Отечественные технологии топливных таблеток из диоксида урана
- Влияние свойств исходного порошка диоксида урана на качество топливных таблеток
- Смешивание и использование порошков, различных по гранулометрическому составу
- Пути решения проблемы скалывания таблеток в процессе изготовления
Введение к работе
Темпы развития современного общества в значительной степени определяются уровнем его энерговооруженности. Проблемы электроэнергетики в России в настоящее время заключаются в следующем:
рост потребления электроэнергии, составляющий 1,5 — 3 % в год;
инвестиционный кризис, включающий необходимость замещения до 2010 г в Европейской части России 30 — 35 % отслуживших срок мощностей ТЭС, продление срока службы энергоблоков АЭС, заморозку строительства новых энергоблоков АЭС;
кризис эффективности использования топливных ресурсов, заключающийся в перерасходе газа на действующих ТЭС по сравнению с современными установками (от 15 до 40 %), недоиспользование мощностей на АЭС (до 15 %);
структурный кризис, состоящий в том, что доля газа в топливном балансе ТЭС в Европейской части составляет 86 % (90 млрд. м3/год), в то же время происходит сокращение поставок газа в электроэнергетику ~.15млрд. м3/год.
Эти проблемы в значительной степени могут быть разрешены за счет развития атомной энергетики. В таблице 1 представлена доля выработки электроэнергии атомными электростанциями в различных регионах [1,2]:
Таблица 1 — Доля выработки электроэнергии атомными электростанциями в различных регионах
Следует отметить, что исчерпывание запасов полезных ископаемых ведет к удорожанию себестоимости электроэнергии, в связи с чем рациональное использование природных ресурсов органического топлива (в первую очередь нефти и газа) диктуется все возрастающей ролью его как сырья для химической промышленности, позволяющего получать вещества в огромном диапазоне - от пластмасс и композиционных материалов до жиров и белков.
Таким образом все большее внимание уделяется атомной энергетике как альтернативе остальным источникам энергии в связи с тем, что она имеет ряд преимуществ:
конкурентоспособность по сравнению с ТЭС в Европейской части России;
запас топливообеспечения (отсутствие складов и необходимости постоянного снабжения топливом), низкая топливная составляющая;
согласованные площадки для размещения АЭС;
экология (выполнение Киотского Протокола);
высвобождение транспорта;
замещение не возобновляемых ресурсов на возобновляемые.
Альтернативные источники энергии (солнечная, геотермальная) по мнению специалистов даже в первой половине XXI века смогут внести не более 20 % в общий энергобаланс, а промышленное освоение управляемого термоядерного синтеза возможно, видимо, только во второй половине XXI века. Становится очевидным, что широкое применение ядерной энергии — неизбежный и единственный технически и экономически целесообразный путь энергообеспечения в настоящее время.
Ядерная энергетика, развитие которой началось с пуска в Советском Союзе в 1954 году
Первой атомной электростанции, уже стала самостоятельной развитой отраслью и важным звеном
в общей системе энергетического производства. В мире уже 20 — 25 % от всей электроэнергии
производится на АЭС [3]. Следует подчеркнуть, что принципиальные возможности использования
ядерной энергии не исчерпываются производством электроэнергии. Планируется использовать ее
также в качестве источника тепловой энергии в коммунальном хозяйстве, промышленности,
сельскохозяйственном производстве, для решения транспортных проблем. Наряду с оптимальным
решением топливно-энергетической проблемы ядерная энергетика по сравнению с традиционной
теплоэнергетикой более приемлема и с точки зрения охраны окружающей среды. Вместе с тем
использование ядерной энергетики порождает ряд специфических проблем и вызывает
определенную общественную оппозицию, прежде всего из-за опасности радиоактивного
загрязнения среды обитания и распространения ядерного оружия. Эксплуатация предприятий
атомной промышленности сопровождается образованием радиоактивных отходов,
представляющих серьезную опасность всему живому на земле, и, вследствие этого, вызывает
необходимость их надежного хранения и изоляции. Данная проблема является общей для всех
стран мира и должна решаться с особой ответственностью. Реализация ядерно-энергетических
программ требует пропорционального сбалансированного развития всех, отраслей атомной
промышленности — от добычи и переработки уранового сырья до обработки и удаления
радиоактивных отходов.
В настоящее время наиболее значимые проблемы, стоящие перед отраслью по производству ядерного топлива для водо-водяных реакторов (LWR), обусловлены 50-100%-ным превышением предложения над спросом, то есть значительным избытком производственных мощностей в
условиях, когда для ядерной энергетики большинства стран мира, за исключением Азиатско-Тихоокеанского региона (Японии, Республики Кореи и Китая), в среднесрочной перспективе наиболее вероятным является отсутствие роста или спад. Исходя из этого производители топлива вынуждены предпринимать определенные шаги по повышению эффективности производства.
В настоящее время в мире на производстве ядерного топлива для промышленных и опытных реакторов специализируется более 30 фирм. Наиболее прочные позиции на рынке сбыта с точки зрения конкурентоспособности занимают крупные фирмы и объединения, располагающие большими материальными ресурсами, квалифицированными техническими кадрами и опытом производства, что позволяет им обеспечивать высокое качество продукции.
В сложившихся условиях возникла объективная необходимость в создании консолидированных корпоративных структур в сфере ядерного бизнеса - как в ядерной энергетике, так и в промышленности ядерного топливного цикла (ЯТЦ). В 1999-2000 гг. было создано несколько объединений: фирма «British Nuclear Fuels Ltd» (BNFL), Великобритания, приобрела ядерный бизнес фирм «Westinghouse», США, и ABB, Швеция-Швейцария; фирмы «Framatome», Франция, и «Siemens», Германия, образовали компанию «Framatome Advanced Nuclear Power» («Framatome ANP»), а фирмы «General Electric», США, «Hitachi» и «Toshiba», Япония, — компанию «Global Nuclear Fuel» [4]. Таким образом современные предприятия, производящие ядерное топливо, представляют собой промышленные комплексы, технологический цикл которых включает все операции, начиная с получения порошка диоксида урана и кончая изготовлением тепловыделяющих сборок.
Успешно конкурирует с западными фирмами на мировом рынке ядерного топлива российская компания ОАО «Машиностроительный завод» (ОАО «МСЗ»), поставляя свою продукцию во многие страны мира: на Украину, в Армению, Литву, Чехию, Словакию, Венгрию, Болгарию, Финляндию, Германию и Швейцарию.
Разработка и постоянное совершенствование системы контроля качества полуфабрикатов и продукции является международно признанным направлением для решения проблем повышения эффективности производства, постоянной его оптимизации и улучшения качества продукции. Развитие ядерной энергетики обуславливает жесточайшую борьбу за увеличение экономической эффективности производства топливных таблеток и ужесточение требований к конечной продукции (твэлов и сборок) с целью увеличения их конкурентоспособности и времени работы в реакторах АЭС. Следовательно, возрастают требования и к топливным таблеткам по их геометрическим параметрам (ужесточению допусков на них), химическому составу, качеству поверхности, микроструктуре и др. Усложнение и удорожание технологических процессов изготовления таблеток, вызванное повышением требований к свойствам таблеток и их стабилизация, разработка методов статистического управления технологическими процессами, а
также высокая себестоимость исходных материалов актуализируют работу по оптимизации соответствующих технологий. Таким образом, ставится задача — на основе анализа существующих технологий топливных таблеток выявить операции, существенно влияющие на конечные свойства таблеток и их стабильность. Предложить пути оптимизации выявленных операций технологического процесса и увеличения выхода в годное.
Практически все исследования проводились на топливных таблетках типа ВВЭР. Топливные таблетки для реакторов типа ВВЭР широко применяют в качестве ядерного топлива и по объему занимают как правило более половины производственных мощностей предприятия изготовителя. Большое разнообразие номенклатур как исходного порошка, так и топливных таблеток часто заставляет подбирать необходимые режимы изготовления таблеток с требуемыми характеристиками. Оценить исходные порошки диоксида урана на возможность получения из них спеченных таблеток со стабильными свойствами в заданном диапазоне можно только технологическим опробованием, то есть путем предварительного проведения практически всех основных операций — приготовление пресспорошка, прессование, спекание и шлифование. Очевидно, что такой метод тестирования не эффективен, дорог и часто требует многочисленных повторных экспериментов. Следовательно, есть необходимость более простых методов прогнозирования получения стабильных свойств топливных таблеток в требуемом интервале, позволяющих на основе исходных характеристик порошка априори рассчитывать конечные свойства получаемых топливных таблеток и назначать технологические режимы.
На основании исследования таких ключевых операций как смешивание, приготовление пресспорошка (включающего смешивание с пластификатором, уплотнение, грануляцию и сушку), прессование таблеток и их спекание, в данной работе сделана попытка подбора оптимальных режимов изготовления таблеток, для чего предложена методика определения оптимальных величин давления уплотнения и прессования на основе рассмотрения безразмерного коэффициента рпр/рупл и коэффициента суммарной переданной порошку нагрузки рпр*Руп, для получения бездефектной спеченной таблетки. Оценено напряженно-деформируемое состояние таблетки при прессовании, включающее разработку конечно-элементной модели прессования изделия в матрице с использованием программного комплекса «ANSYS»; разработана математическая модель спекания топливных таблеток, позволяющая оценивать технологичность исходного порошка диоксида урана и выбирать режимы прессования, обеспечивающие требуемую плотность и геометрию топливных таблеток после спекания без применения порообразователя.
Отечественные технологии топливных таблеток из диоксида урана
Альтернативные источники энергии (солнечная, геотермальная) по мнению специалистов даже в первой половине XXI века смогут внести не более 20 % в общий энергобаланс, а промышленное освоение управляемого термоядерного синтеза возможно, видимо, только во второй половине XXI века. Становится очевидным, что широкое применение ядерной энергии — неизбежный и единственный технически и экономически целесообразный путь энергообеспечения в настоящее время. Ядерная энергетика, развитие которой началось с пуска в Советском Союзе в 1954 году Первой атомной электростанции, уже стала самостоятельной развитой отраслью и важным звеном в общей системе энергетического производства. В мире уже 20 — 25 % от всей электроэнергии производится на АЭС [3]. Следует подчеркнуть, что принципиальные возможности использования ядерной энергии не исчерпываются производством электроэнергии. Планируется использовать ее также в качестве источника тепловой энергии в коммунальном хозяйстве, промышленности, сельскохозяйственном производстве, для решения транспортных проблем. Наряду с оптимальным решением топливно-энергетической проблемы ядерная энергетика по сравнению с традиционной теплоэнергетикой более приемлема и с точки зрения охраны окружающей среды. Вместе с тем использование ядерной энергетики порождает ряд специфических проблем и вызывает определенную общественную оппозицию, прежде всего из-за опасности радиоактивного загрязнения среды обитания и распространения ядерного оружия. Эксплуатация предприятий атомной промышленности сопровождается образованием радиоактивных отходов, представляющих серьезную опасность всему живому на земле, и, вследствие этого, вызывает необходимость их надежного хранения и изоляции. Данная проблема является общей для всех стран мира и должна решаться с особой ответственностью. Реализация ядерно-энергетических программ требует пропорционального сбалансированного развития всех, отраслей атомной промышленности — от добычи и переработки уранового сырья до обработки и удаления радиоактивных отходов. В настоящее время наиболее значимые проблемы, стоящие перед отраслью по производству ядерного топлива для водо-водяных реакторов (LWR), обусловлены 50-100%-ным превышением предложения над спросом, то есть значительным избытком производственных мощностей в
условиях, когда для ядерной энергетики большинства стран мира, за исключением Азиатско-Тихоокеанского региона (Японии, Республики Кореи и Китая), в среднесрочной перспективе наиболее вероятным является отсутствие роста или спад. Исходя из этого производители топлива вынуждены предпринимать определенные шаги по повышению эффективности производства. В настоящее время в мире на производстве ядерного топлива для промышленных и опытных реакторов специализируется более 30 фирм. Наиболее прочные позиции на рынке сбыта с точки зрения конкурентоспособности занимают крупные фирмы и объединения, располагающие большими материальными ресурсами, квалифицированными техническими кадрами и опытом производства, что позволяет им обеспечивать высокое качество продукции. В сложившихся условиях возникла объективная необходимость в создании консолидированных корпоративных структур в сфере ядерного бизнеса - как в ядерной энергетике, так и в промышленности ядерного топливного цикла (ЯТЦ). В 1999-2000 гг. было создано несколько объединений: фирма «British Nuclear Fuels Ltd» (BNFL), Великобритания, приобрела ядерный бизнес фирм «Westinghouse», США, и ABB, Швеция-Швейцария; фирмы «Framatome», Франция, и «Siemens», Германия, образовали компанию «Framatome Advanced Nuclear Power» («Framatome ANP»), а фирмы «General Electric», США, «Hitachi» и «Toshiba», Япония, — компанию «Global Nuclear Fuel» [4]. Таким образом современные предприятия, производящие ядерное топливо, представляют собой промышленные комплексы, технологический цикл которых включает все операции, начиная с получения порошка диоксида урана и кончая изготовлением тепловыделяющих сборок.
Успешно конкурирует с западными фирмами на мировом рынке ядерного топлива российская компания ОАО «Машиностроительный завод» (ОАО «МСЗ»), поставляя свою продукцию во многие страны мира: на Украину, в Армению, Литву, Чехию, Словакию, Венгрию, Болгарию, Финляндию, Германию и Швейцарию.
Разработка и постоянное совершенствование системы контроля качества полуфабрикатов и продукции является международно признанным направлением для решения проблем повышения эффективности производства, постоянной его оптимизации и улучшения качества продукции. Развитие ядерной энергетики обуславливает жесточайшую борьбу за увеличение экономической эффективности производства топливных таблеток и ужесточение требований к конечной продукции (твэлов и сборок) с целью увеличения их конкурентоспособности и времени работы в реакторах АЭС. Следовательно, возрастают требования и к топливным таблеткам по их геометрическим параметрам (ужесточению допусков на них), химическому составу, качеству поверхности, микроструктуре и др. Усложнение и удорожание технологических процессов изготовления таблеток, вызванное повышением требований к свойствам таблеток и их стабилизация, разработка методов статистического управления технологическими процессами, а также высокая себестоимость исходных материалов актуализируют работу по оптимизации соответствующих технологий. Таким образом, ставится задача — на основе анализа существующих технологий топливных таблеток выявить операции, существенно влияющие на конечные свойства таблеток и их стабильность. Предложить пути оптимизации выявленных операций технологического процесса и увеличения выхода в годное.
Практически все исследования проводились на топливных таблетках типа ВВЭР. Топливные таблетки для реакторов типа ВВЭР широко применяют в качестве ядерного топлива и по объему занимают как правило более половины производственных мощностей предприятия изготовителя. Большое разнообразие номенклатур как исходного порошка, так и топливных таблеток часто заставляет подбирать необходимые режимы изготовления таблеток с требуемыми характеристиками. Оценить исходные порошки диоксида урана на возможность получения из них спеченных таблеток со стабильными свойствами в заданном диапазоне можно только технологическим опробованием, то есть путем предварительного проведения практически всех основных операций — приготовление пресспорошка, прессование, спекание и шлифование. Очевидно, что такой метод тестирования не эффективен, дорог и часто требует многочисленных повторных экспериментов. Следовательно, есть необходимость более простых методов прогнозирования получения стабильных свойств топливных таблеток в требуемом интервале, позволяющих на основе исходных характеристик порошка априори рассчитывать конечные свойства получаемых топливных таблеток и назначать технологические режимы.
Влияние свойств исходного порошка диоксида урана на качество топливных таблеток
Спеченный диоксид урана — хрупкий материал. Механические свойства образца в значительной степени зависят от технологии его изготовления, от свойств исходного порошка. Средняя прочность на сжатие, измеренная на образцах, диаметр и длина которых была 5 мм (плотность материала 95%, размер зерна 15 мкм), равна 72 МПа [6]. При исследовании прочности образцов, спеченных в течение 20 мин. при различных температурах, на кривой предел прочности - температура спекания обнаружен максимум прочности, соответствующий температуре спекания 1550 С (рисунок 1.6) [6], который не соответствует наибольшей плотности образца. Это объясняется тем, что спекание при низких температурах (1500 — 1550 С) сопровождается лишь сокращением пористости, а при спекании выше 1550 ЧС происходит еще и рост зерен, что приводит к снижению прочности.
Образцы диоксида урана разрушаются по границам зерен. Избыточный кислород снижает механическую прочность [19]. Для диоксида урана, спеченного в среде водорода до относительной плотности 95%, модуль упругости и предел прочности при сжатии составляет соответственно 199 ГПа и 577 МПа [20].
В статье. [21] исследована ползучесть при сжатии стехиометрического поликристаллического UC«2 при температурах до 1750 С. Выявлены три области деформации. Если представить скорость ползучести как є=/(Т)ст", то в области (o7G) 5-Ю"4 величина л=1 (ползучесть Набарро-Херинга); в области 5-10ч (o7G) 10 3 л=4,5 (переползание дислокаций внутри зерен); в области (o7G) 10"3 /1=5 (контролирующий механизм — трубочная диффузия по ядрам дислокаций). В первой области скорость ползучести обратно пропорциональна диаметру зерна, в других - не зависит от диаметра. (G - модуль сдвига; а — напряжение; Т — температура) [21].
Металлографическим анализом испытанных образцов установлено, что в процессе ползучести образуются интеркристаллитные трещины. .Увеличение содержания кислорода в образцах по сравнению со стехиометрическим составом способствует более интенсивному образованию трещин. Изучалась термостойкость диоксида урана. Установлено, что при термокачках материал выдерживает напряжения 89,2 МПа без разрушения [22].
С керамическими материалами обычно связано представление об их хрупкости и ломкости. Однако можно получить керамику с повышенной пластичностью и прочностью. Подобные свойства характерны для многофазных керамических материалов, а также для материалов, в которых под действием больших напряжений возникают вакансии, дислокации или технологические разориентированные микротрещины.
Соответствующим механическим параметром, описывающим поведение материала, является эффективное сопротивление распространению трещины Kic, называемое также вязкостью разрушения. Необлученное оксидное топливо с небольшим количеством дефектов характеризуется вязкостью разрушения около 2x10 Н-м" , а максимальное значение этого параметра для облученного ядерного топлива достигает примерно 2x10 Н-м" . Эти значения получены в результате испытаний образцов при комнатной температуре, но могут использоваться для соответствующих оценок при температуре до 1200 С непосредственно, а до 1500 С после введения поправок, определяемых путем исследований на растровом электронном микроскопе [23].
Из результатов рентгенографических исследований облученного ядерного топлива и измерений твердости следует, что образование продуктов деления сопровождается появлением искажений кристаллической решетки ІЮг, вносящих соответствующую дополнительную энергию. В случае материалов с небольшим числом дефектов эта энергия рассеивается при достижении критического внутреннего напряжения в условиях почти идеального плоского растяжения; при этом материал претерпевает хрупкое разрушение.
Поведение керамического ядерного топлива с большим числом дефектов отличается от поведения хрупкого топлива. Продукты деления осаждаются на вакансиях, дислокациях. и : технологических разориентированных микротрещинах. Эти дефекты служат препятствиями для снятия искажений решетки, вызванных продуктами деления. Согласно теории распространения трещин, около этих препятствий вследствие скопления дислокаций возникают особенно большие упругие искажения решетки. Исследования при помощи растрового электронного микроскопа показали, что вследствие таких процессов происходит образование сеток трещин, причем, согласно анализу снимков структуры, эти сетки характеризуются упругостью и способностью к скольжению. Подобное ядерное топливо обладает особенно высокой пластичностью [23].
К числу основных причин повреждений твэлов в процессе эксплуатации следует отнести изменение формы и размеров их сердечника вследствие радиационного роста и распухания, термических циклов и аллотропических превращений, а также разрушение оболочки вследствие протекания коррозионных и эрозионных процессов, диффузионного взаимодействия материалов горючего и оболочки, перегрева отдельных участков оболочки вследствие образования отложений.
Разрывы в топливном столбе, между таблетками и трещины в топливе являются участками, где возникают локальные напряжения в оболочке твэл и высокая концентрация легколетучих продуктов деления, поэтому эти участки являются наиболее благоприятными для химического взаимодействия продуктов с оболочкой. Термин «взаимодействие топливо — оболочка» (ВТО) употребляется для описания этих эффектов в твэлах легководных реакторов. Послереакторные исследования установили, что ВТО имеет два аспекта: механический и химический [15].
Механическое взаимодействие топливного сердечника возникает вследствие различия в термическом расширении топливных таблеток и оболочки, при этом растягивающие напряжения в оболочке имеют максимальное значение на границах топливных таблеток и в местах, где трещины топливных таблеток соприкасаются с оболочкой.
Взаимодействие таблеток с оболочкой как правило возникает на средних или поздних этапах срока службы топлива, когда возникает механический контакт между таблеткой и оболочкой и имеется достаточное количество продуктов деления для зарождения растрескивания в условиях коррозии под напряжением. Предрасположенность к повреждениям по причине ВТО является общим свойством, присущим всем видам топлива с оболочкой из циркаллоя [17]. Установлено, что повреждения качественных твэлов из-за ВТО всегда связаны со скачками мощности реактора. Механизм взаимодействия таблеток с оболочкой проявляется в образовании трещин в оболочке после некоторого порогового выгорания ядерного горючего под действием изменений мощности, превышающих достигавшихся ранее [24]. Центр таких трещин приходится на поверхность раздела между таблетками или на поперечные трещины в таблетках (почти напротив трещин в таблетках, но иногда и напротив других дефектов, например сколов или осколков, вклинившихся в зазор между таблеткой и оболочкой).
Химическое взаимодействие связано с коррозионным повреждением оболочки химически агрессивными продуктами деления при наличии в ней растягивающих напряжений, то есть с коррозионным растрескиванием (наиболее опасный в этом отношении - йод). Кроме того, йод, находясь в паровой фазе, наиболее быстро достигает оболочки, перемещаясь либо вдоль трещин в топливном сердечнике, либо по границам топливных таблеток.
Одной из возможных причин выхода из строя твэлов является гидрирование оболочки, происходящее в основном из-за адсорбированной влаги на поверхности и в порах таблетки. Следовательно, для предотвращения этого надо уменьшить открытую пористость.
Смешивание и использование порошков, различных по гранулометрическому составу
При проектировании паллет возникло две тенденции: делать паллеты жесткими, то есть из листа большой толщины, либо более мягкими.
Жесткая паллета при ее толщине в 2 - 3 мм позволяет удерживать вес таблеток и других паллет, находящихся на ней, и при этом сохранять свою форму, то есть обеспечивать жесткость всей укладки. Угол при вершине, равный 90, выбран с целью создания наиболее плотной упаковки таблеток при условии касания ребер паллет. Таким образом, высота паллеты выбирается так, чтобы зазор между сложенными паллетами и находящимися между ними таблетками до спекания был минимальным (или отсутствовал). После спекания таблетки претерпевают усадку по диаметру, и жесткость конструкции обеспечивается жесткостью паллет, стоящих друг на друге ребрами.
Достоинство такой паллеты: она не давит на таблетки, следовательно, не вызывает появления овальности и других геометрических отклонений формы таблеток; обеспечивает жесткость конструкции расположения таблеток и придает паллетами дополнительную жесткость лодочке; Ш после спекания таблетки сохраняют свое упорядоченное положение, хотя и произошла усадка, а это, в свою очередь, исключает такие операции как перетаривание из лодочки в тару, затем из тары в виброчашу шлифования и другие мелкие операции. Таким образом, после спекания паллета извлекается из лодочки, затем идет на операцию шлифования, и столбики таблеток сталкиваются с паллеты на линейку шлифования специальным автоматом.
Несмотря на все преимущества такой паллеты, она обладает рядом недостатков: требует много дорогостоящего материала; в лодочку будет помещаться примерно 10 паллет, что увеличит вес лодочки с таблетками на 10 — 15 кг; определенные виды паллет могут использоваться только с теми таблетками, которые несильно различаются по диаметру. «Мягкая» паллета с углом при вершине 120
«Мягкую» паллету делают из молибдена или жаропрочного сплава; ее толщина меньше, чем у жесткой паллеты, и составляет 0,5 — 0,8 мм. В «мягкой» паллете таблетки располагаются так, что они подпирают друг друга, а между ними находятся паллеты, которые упорядочивают их . расположение. При угле паллеты в 120 получается самая плотная упаковка топливных таблеток. Каждая таблетка касается паллеты в четырех точках: две — на нижней паллете и две - на верхней. Таким образом, паллеты испытывают минимальное напряжение, которое могло бы их деформировать, а вся масса таблеток равномерно перераспределена, то есть таблетки давят друг на друга, а не на паллеты. Применяя стандартные лодочки (количество паллет с таблетками в каждой лодочке около 10), на таблетки, находящиеся в нижнем ряду, будет действовать максимальная нагрузка, но, так как она равномерно распределена по всему нижнему слою таблеток, то давление на отдельно взятую таблетку будет невелико и не приведет к ее разрушению.
При высоких рабочих температурах (1700С) велика вероятность расползания паллет и заклинивания их в лодочке. Предполагается, что для нижней паллеты, на которую давит вся стопа паллет с таблетками, вероятно не только расползание, но и оплывание ребер - их скругление. Возможное оплывание при высокой температуре будет происходить под действием веса выше лежащих таблеток, то есть таблетки будут как бы вминаться в размягченную паллету, оставляя округлые отпечатки, что, в принципе, подтвердилось экспериментами.
Для «мягких» паллет был отмечен «краевой эффект», связанный с расположением паллет с таблетками в лодочке. Первый ряд таблеток располагается на каком-то расстоянии от стенки лодочки, что вызвано технологическими причинами, пренебрегаем этим расстоянием и считаем за начало точку 0 - край таблетки первого ряда. Тогда второй ряд будет располагаться над первым со смещением, равным а. В случае максимально плотной упаковки, а равно радиусу таблетки. Следующий третий ряд снова пойдет от 0. Таким образом, выявляется область, где отсутствует подпор для верхней и нижней паллет из-за того, что там нет таблетки. На рисунке 2.21 эта область обозначена штриховкой. Следовательно, возникает опасность деформации паллет под действием сил тяжести и сил расползания при выполнении операции спекания таблеток. Чтобы паллеты не выгибались, можно делать в местах «краевого эффекта» вставки-подпорки, либо сделать края паллет подогнутыми, что усложнит их конструкцию. В целом, укладка таблеток в лодочки, применяя такие паллеты, эффективна, так как эти паллеты обеспечивают максимальное заполнение лодочки; из-за малой своей толщины они экономически выгоднее рассмотренных жестких паллет. Если сделать их перфорированными, тогда не возникнет проблем с доступом водорода при спекании. Для устранения «краевого эффекта» нами была предложена квадратной паллета.
Квадратная паллета представляет собой рифленый лист, профилем ручьев которого является прямоугольник либо квадрат. Возможны два вида паллет, принципиальное различие которых состоит в расположении в них таблеток. В первом случае (вариант а) таблетки касаются между собой цилиндрическими поверхностями и располагаются рядами, во втором типе паллет (вариант б) таблетки расположены столбиками и касаются между собой торцами. Квадратная паллета является «мягкой», так как ее толщина 0,5 — 0,8 мм, но взаимно перпендикулярные ребра этой паллеты должны обеспечить достаточную жесткость. В связи с такой конструкцией отсутствует расползание паллеты при высоких температурах. Паллеты проектировались так, чтобы после усадки таблеток при спекании паллеты ложились друг на друга, то есть расстояние от цилиндрической поверхности таблетки до паллеты, стоящей сверху, уменьшалось до 0. Исходя из этого получаем, что глубина ручья должна быть равна с, радиусу спеченной таблетки. При таком условии выгибание паллет и «краевой эффект» отсутствуют. Недостаток таких паллет: конкретный вид паллеты пригоден только для таблеток определенных размеров; касание таблеткой паллеты в двух точках — в верхней и нижней, что может привести к отклонению от цилиндрической формы и возникновению овальности.
Касание таблетки только в двух точках придает всей укладке некоторую гибкость, то есть верхняя паллета может слегка смещаться относительно нижней. Это явление трудно конкретно отнести к преимуществам или недостаткам, и зависит от технологического процесса, в котором будет использоваться такая паллета.
Нами была сделана и опробована стержневая паллета, состоящая из двух боковин и стержней между ними (диаметр стержней 5 мм). В процессе опробования таких паллет после нескольких циклов спекания обнаружилось сильное прогибание и коробление стержней из-за чего от них отказались.
Пути решения проблемы скалывания таблеток в процессе изготовления
При анализе результатов спекания выделены две категории пористости - «активная», исчезающая в процессе спекания, и «пассивная», остающаяся после спекания. На основе этого предложено оценивать способность пресспорошка обеспечить требуемую плотность таблетки после спекания, построив зависимости плотности спеченной таблетки от плотности прессовки и расчетную зависимость (по уравнению 2.21) доли «активных» пор от плотности прессовок; это делает возможным сравнивать между собой различные технологии таблеток и подбирать оптимальные режимы прессования. Введен параметр Z(p) - функция деформации пористости, характеризующая изменение объема пористости в процессе прессования, для которой установлена линейная зависимость после превышения некоторого давления р (например, для приведенного в расчетах пресспорошка это давление 0,5 т/см ). Как правило, при промышленном производстве давление прессования значительно превышает указанную величину р.
На основании проведенных опытов показана хорошая сходимость расчетных и экспериментальных результатов.
Предложенная математическая модель спекания позволяет после проведения тестирования порошка на двух различных давлениях уплотнения рассчитывать зависимость плотности гранул пресспорошка для данной технологии от давления уплотнения.
Математическая модель позволяет рассчитывать необходимые значения режимов уплотнения и прессования для изготовления таблеток, а также получить заданную плотность спеченных таблеток за счет подобранных режимов, а не добавкой порообразвателя, как это принято делать в настоящий момент (см. пример раздела 2.1). Экономический эффект обеспечивается исключением затрат на порообразователь, подготовку и смешивание исходного порошка с порообразователем, уменьшением времени выдержки прессовок в печи при проведении операции удаления связки в процессе спекания.
Предложенная математическая модель позволяет оценить технологичность порошка (способность к его переработке по выбранной технологии).
Спекание таблеток является важной операцией, в процессе которой развиваются устойчивые связи между частицами, обеспечивая таблеткам соответствующие механические и физико-химические свойства. Спекание прессовок проводят в среде водорода при постепенном нагреве, в процессе которого происходит удаление связки; изотермическая выдержка завершает формирование таблетки с требуемыми свойствами. Плотность прессовок колеблется в пределах 5,6 — 6,1 г/см (51 - 56% теоретической плотности UO2), а спеченные таблетки имеют плотность 94 - 98%. Графически зависимость изменения плотности спекаемых образцов из диоксида урана от температуры обычно имеет вид S-образных кривых. Первый перегиб кривой при Т=0,48ТабС (рисунок 2.32 [6]) соответствует началу быстрого роста плотности и объясняется диффузионным крипом с энергией активации 76 ккал/моль.
Большая роль в процессе усадки диоксида урана играет диффузия ионов кислорода в объеме материала, скорость которой значительно больше скорости диффузии ионов урана (при 1750С энергия активации ионов урана равна 90—125 ккал/моль, в то время как энергия активации ионов кислорода при 1700С равна 29,7 ккал/моль [6]). Отношение О/U в исходном диоксиде урана колеблется в пределах 2,04...2,09, в спеченных в водороде таблетках это отношение близко к 2,00...2,03. Усадка прессовок за счет диффузии ионов кислорода заметно проявляется при их избытке в составе спекаемого диоксида урана, особенно при использовании подшихтовки U3O8. Так, подшихтовка 5 — 10 % масс. L Os к исходному порошку диоксида урана увеличивает отношение О/U вплоть до 2,15,- активирует процесс спекания и призвана уменьшить , технологические отходы.
Формирование структуры таблеток определяется процессом роста зерен во время спекания. При спекании в атмосфере водорода, когда еще до начала роста зерен материал брикета восстанавливается до UO2 стехиометрического состава, получить крупное зерно можно лишь путем увеличения продолжительности или температуры спекания. При спекании в окислительной среде в оксидах состава L CVy рост зерна происходит гораздо быстрее, чем в оксидах состава иОг+х- Регулирование фазового состава таблетки во время спекания дает возможность обеспечить быстрый рост зерен без увеличения продолжительности или температуры спекания. Кроме того, не требуется вводить никаких посторонних добавок в исходный порошок диоксида урана [12]. При спекании в окислительной среде наряду с двумя параметрами (время и температура) действует и третий параметр - отношение О/U в процессе спекания, зависящее от активности кислорода в окружающей среде — обеспечивающий чрезвычайно эффективное и гибкое формирование микроструктуры спеченной иОг.
Введение добавок U3O8 и переход к низкотемпературному спеканию в окислительной среде с последующим восстановлением водородом при температуре ниже 1600С дают возможность обеспечить требуемые значения плотности и открытой пористости спеченных таблеток при заданной микроструктуре. Однако этот вид спекания сложно осуществить при массовом производстве.
Наиболее часто спекание топливных таблеток проводят в трехсекционных печах с шагающим подом. Первая секция обеспечивает отгонку связки и состоит из трех зон. Температура задается от 200С в первой зоне до 800С в третьей. Каждая зона оснащена отдельным нагревателем и термопарой, регистрирующей температуру в центре зоны. Вторая секция служит для предварительного нагрева и состоит из двух зон с регулируемым температурным интервалом от 1000С до 1200С. Третья секция — секция высокотемпературного нагрева, где фактически происходит спекание таблеток- (изотермическая выдержка); она состоит из трех зон с температурным режимом от 1700С до 1770С и в этой секции таблетки находятся не менее 6 часов, что обеспечивает им получение требуемого размера зерна в спеченной таблетке, заданной плотности и доспекаемости. Противотоком движению лодочек с прессовками подается сухой (технический) водород. В секции предварительного нагрева и высокотемпературной секции печи имеется возможность подавать водород после увлажнения. Спрессованные таблетки поступают на спекание в лодках с перфорированными бортами, высота свободной засыпки таблеток в лодку около 15 см.
Похожие диссертации на Оптимизация технологии топливных таблеток из диоксида урана для обеспечения стабильности их качества в условиях массового производства
