Диоксид урана. Изготовление таблеток

В системе уран-кислород установлены шесть оксидов: UO, UO₂, U₄O₉, U₃O₈ и UO₃. Для них характерна широкая область гомогенности от UO_1,60 до UO_2,27. Кристаллы диоксида урана изоморфны диоксидам тория и плутония и могут образовывать с ними смешанные кристаллы.

В настоящее время диоксид урана UO₂ является самым распространенным и хорошо освоенным в промышленном производстве видом керамического ядерного топлива, используемого на АЭС. Это топливо применяется почти во всех современных водно-охлаждаемых реакторах, включая кипящие и тяжеловодные, а также реакторы БН.

Диоксид урана – вещество темно-коричневого цвета, обладающее высокой твердостью и хрупкостью. Его трудно получить стехиометрического соотношения, состав в зависимости от способа получения может изменяться от UO_1,8 до UO_2,3, поэтому его иногда выражают формулой UO_2±х. Отличается от других кислородных соединений урана способностью испаряться без разложения. При рабочих температурах давление паров низкое, при 2360 ⁰С оно составляет около 1 мм рт. cт.

UO₂ – полупроводник. Температурный коэффициент линейного расширения диоксида урана равен 9,3×10^‑6 К^‑1 при температуре 293-373 К и резко увеличивается с ростом температуры.

Диоксид урана не взаимодействует с водой и щелочами, с трудом растворяется в разбавленных соляной и серной кислотах, несколько лучше – в азотной кислоте и ее смесях с соляной и плавиковой кислотами.

Основные качества двуокиси урана, обеспечивающие широкое применение в атомной энергетике, следующие:

а) высокая температура плавления (около 2850 ⁰С, U – 1135 ⁰С);

б) не имеет фазовых переходов в интервале рабочих температур;

в) менее подвержен газовому распуханию, чем металлический уран и его сплавы;

г) химическая устойчивость в широком диапазоне температур по отношению к веществам, которые применяются в качестве замедлителей и теплоносителей (вода, водяной пар, углекислый газ, жидкий натрий);

д) не взаимодействует с большинством конструкционных материалов (нержавеющей сталью, цирконием, ниобием, алюминием, медью, молибденом и др.) при высоких температурах.

е) возможность получения высокой плотности таблеток (выше 95 % теор), что позволяет обеспечить хорошее удержание продуктов деления;

ж) высокая радиационная стойкость при больших потоках нейтронов (до ~ 10¹⁴ , интегральных ~ 10²² ) при температурах, близких к точке плавления диоксида;

з) изотропность диоксида урана позволяет также эффективно осуществлять высокотемпературный процесс спекания.

Эти свойства позволяют применять диоксид урана в ядерных реакторах, получая высокие температуры и, следовательно, высокий КПД реактора.

Основным серьезным недостатком диоксида урана является низкая теплопроводность, которая резко снижается с увеличением температуры от 6 при 500 ^оС до 2,2 при 1500 ^оС. Малая теплопроводность вызывает появление в твэлах очень резких перепадов температуры от центра сердечника к периферии. Например, в твэле реактора БН температура в центре таблетки радиусом 3 мм при работе на максимальной мощности может превосходить 2000 ⁰С в то время как допустимая температура на поверхности стальной оболочки твэла не должна превышать 700 ⁰С, т.е. температурный перепад 1500 ⁰С имеет место на длине менее 3 мм.

Теплопроводность диоксида урана снижается также с увеличением кислорода сверх стехиометрического соотношения (UO_2±х). При производстве порошков и спеченных таблеток стремятся к получению состава, максимально близкого к стехиометрическому, допуская значения х не более нескольких сотых, т.к. при облучении нестехиометричность способствует росту зерна и выделению газообразных продуктов деления.

Порошок диоксида урана гигроскопичен, окисляется на воздухе при комнатной температуре, поэтому обращение с ним требует применения защитных средств: инертной сухой атмосферы или высокого вакуума. Содержание влаги в порошке UO₂ не должно превышать 0,1 %.

После спекания в инертной атмосфере при 1600-1700 ⁰С диоксид урана становится более устойчивым к окислению на воздухе. Но и этих условиях могут происходить насыщение влагой и адсорбционное насыщение поверхности кислородом воздуха. Поэтому перед укладкой в оболочки готовые таблетки из диоксида урана подвергают сушке, гарантирующей удаление влаги и адсорбированного кислорода. Остаточные влага и кислород способствуют гидратации и окислению материала оболочки твэла и могут привести к его разрушению и разгерметизации. При взаимодействии с водой стехиометрический состав диоксид урана заметно меняется, доходя до UO_2,2, что резко уменьшает его теплопроводность. Если при нарушении герметичности через трещину в оболочке внутрь твэла будет просачиваться вода (теплоноситель), это может привести к аварии: локальный перегрев, распухание и разрушение твэла.

К недостаткам диоксида урана, как топлива, следует также отнести значительное влияние присутствующего в нем кислорода на замедление быстрых нейтронов, что приводит к некоторому смягчению спектра нейтронов в активной зоне и снижению коэффициента воспроизводства топлива.

Диоксид урана применяется в твэлах в виде брикетов, таблеток или стерженьков, которые получают холодным прессованием с последующим спеканием в печи при температурах 1600-1700 ⁰С в инертной среде. Чем выше температура спекания, тем выше точность брикетов. Сейчас ведутся исследования по вибрационному уплотнению гранулированного (~10-100 мкм) порошка диоксида урана, засыпаемого в оболочки твэлов («холодный» процесс). При этом достигается плотность сердечника 9 г/см³.

В случае применения твэлов из смешанного уран-плутониевого топлива, например, в ВВЭР (до 5 % PuO₂) или БН (до 15 % PuO₂) смесь UO₂ и PuO₂ должна быть однородной и предпочтительно быть твердым раствором. Это лучше всего достигается совместным осаждением в форме оксалатов, с последующим прокаливанием получаемого осадка.

Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 969; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!