Экономика ядерной энергетики: Основы технологии и экономики производства ядерного топлива. 3-е изд. - Синев Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
Сухой пар
АУК (кек спеченный)
Разложение АУК и восстановление до UO3 6 печи с пседдаожиженным слоем (t=550°C). После подачи всей партии (500 кг) t= 6500Z
Порошок UO2
Холодный воздух
Стабилизация порошка в охлаждаемом контейнере
Рис. 9.13. Схема конверсии UF6 в UO2 «мокрым> АУК-процессом (ФРГ) 312
Гексафторид урана UF6
HF
Пар
Гидролиз UF6 в статическое реакторе с внешним подогревом (t = 150 + 300'Z)
H2
N2
H2
Пар
UO2F2 (уранилфторид)
Пирогидролиз UO2F2 и восстановление во UO2 во вращающейся печи с подогревающим муфелем (t і 550°С)
HF
Порошок UO2
Стабилизация порошка холодным воздухом или четьфеххлористын углеродом
Рис. 9.14. Схема конверсии UF6 в UO2 «сухим» пирогидролизным методом
Порошки обогащенной UO2 получают по «сухой» технологии (пирогидролиз) непосредственно также из UF6, воздействуя на него водяным паром в специальных реакторах, где применяется обычно двухстадийный процесс: сначала получают UO2F2 или UF4, а затем UO2. Фтор при этом процессе образует плавиковую кислоту, которая поступает на сублиматный завод для получения UF6. На рис. 9.14 показана технологическая схема пирогидролизного процесса, применяемая во Франции.
Диоксид урана может быть получен в виде очень тонкодисперсного порошка (крупностью несколько десятых долей микрометра) восстановлением в водороде некоторых соединений урана (UO3, U3Os, диураната аммония, пероксида, оксалата урана), а также окислением водяным паром металлического урана или гидрата урана.
Тонкодисперсные порошки UO2 неудобны и трудны для прессования из них брикетов, поэтому они проходят предварительную стадию гранулирования перед прессованием (при мокрой связке) и просушку. На спекаемость порошков большое влияние оказывают пористость, удельная площадь поверхности (м2/г), плотность и размер кристаллов.
При автоматическом холодном прессовании к сухим порошкам добавляют сухую (например, беганат цинка) или жидкую (типа вазелина со спиртом) связку на органической основе, которая за-
тем при спекании выгорает, влияя на характеристику таблеток по пористости. Прессование проводится в металлических пресс-формах, размеры которых выбирают с учетом усадки при спекании, чтобы получить изделия «в размер» в пределах заданных допусков без последующей шлифовки.
Спеченный диоксид урана — очень твердое и хрупкое соединение. Усилие прессования таблеток выбирается весьма высоким — до 2•1O3 кгс/см2 (2•1O2 МПа). Холодное прессование порошка UO2 при давлении (1,4—1,5)-103 кгс/см3 (1,4—1,5 МПа) дает плотность изделия около 6 г/см3. Более высокая плотность достигается в процессе спекания. Теоретическая плотность UO2 равна 10,96 г/см3. Обычно в промышленном производстве получают плотность таблеток из спеченной UO2 в пределах 10,4—10,6 г/см3, т. е. 95—97% теоретической.
9.3. МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО НА ОСНОВЕ УРАНА
В начальный период развития ядерной энергетики в реакторах на тепловых нейтронах двухцелевого назначения (например, в английских магноксовых и французских реакторах на природном уране), имевших невысокую энергонапряженность и малую глубину выгорания, широко использовалось и продолжает использоваться металлическое урановое топливо. Ныне на всех строящихся и эксплуатируемых АЭС с легководными и тяжеловодными реакторами применяется преимущественно керамическое (оксидное) топливо. Причины этого перехода — несовместимость металлического урана с водой, что будет иметь место в случае разгерметизации твэлов, и нестабильность размеров уранового топлива при облучении, особенно в условиях большой глубины выгорания топлива, высоких флюенсов нейтронов и температур.
Взаимодействие металлического урана с нагретой водой приводит к быстрому гидратированию, окислению и растворению урана. Скорость коррозии металлического урана в воде при 300 °С очень высока — примерно 9 г/(см2-ч). Таким образом, при потере герметичности твэла окисление и вымывание урана вызовут сильное загрязнение радиоактивными продуктами деления всего контура теплоносителя.
Изменение размеров твэлов при облучении в условиях эксплуатации обусловлено несколькими физическими явлениями: радиационным ростом, распуханием, ползучестью и др. Обычно различают три области: 1) область радиационного роста и радиационно-уско-ренной ползучести — при температурах до 500°С; 2) область кави-тационного (катастрофического) распухания — 370—520 °С; 3) область газового распухания (свеллинга) — выше 500 °С.
Радиационный рост металлического урана обусловлен анизотропным изменением размеров отдельных зерен урана в процессе облучения и возникающими при этом напряжениями.
Кавитационное распухание заключается в образовании пор неправильной формы и наблюдается при температурах, когда еще
сохраняются напряжения радиационного роста, но происходит значительное разупрочнение урана и, в первую очередь, разупрочнение по границам зерен,
Газовое распухание обусловлено выделением газообразных продуктов деления и ростом пузырьков инертных газов (гелия, криптона и др.).
Переход на оксидное топливо для обеспечения большей надежности работы реактора заставил
