МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОСФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ АКТИНОИДОВ

 

Кобзарь Н.Ю., Федоров А.В.

 

ФГУП «Сибирский химический комбинат», г. Северск

 

В настоящее время микросферические гранулированные материалы находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Большой интерес представляет использование микросферических керамических материалов в качестве топливной составляющей различных типов тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). В последнее время гранулированное керамическое ядерное топливо применяется для производства большого класса дисперсных ТВЭЛов с металлокерамической композицией, ТВЭЛов на основе графитовой матрицы, микроТВЭЛов с различными типами покрытий, используемых в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах, а также виброуплотненных стержневых ТВЭЛов [1, 2].

Основные преимущества использования гранулированного микросферического топлива:

а) возможность создания автоматизированного дистанционно-управляемого технологического процесса приготовления рециркулируемого топлива из актиноидов;

б) отсутствие пылеобразующих операций по сравнению с традиционно используемой порошковой технологией;

в) более удобная, чем порошки форма материала на всех стадиях технологического процесса, что максимально сокращает длительность виброуплотнения;

г) микросферы могут быть изготовлены от нескольких микрон до 2…3мм с тщательным контролем их на стадии получения геля;

д) дефектные некондиционные микросферические частицы могут быть возвращены в начало процесса;

е) микросферы смешанных окислов актиноидов могут быть спечены до высокой плотности (более 95 % теоретической плотности) при температуре на 200°С ниже, чем температура спекания таблеток;

ж) возможность получения и контроля микросфер с пористостью от 10 до 30 % при высокой механической прочности, что создает дополнительные технологические преимущества.

Первые технологические схемы были основаны на методах порошковой металлургии. Отличительной особенностью этих методов получения микросферического керамического топлива является использование в качестве исходного материала порошка ядерного топлива, состав которого соответствует конечному продукту. В последнее десятелетие интенсивно разрабатываются методы производства микросферического топлива, где в качестве исходных продуктов применяются водные растворы солей делящихся  и воспроизводящих материалов. Одним из "водных" методов получения микросферического керамического топлива является золь-гель процесс.

Методы получения микросфер физико – химическими (золь – гель) процессом

Золь-гель процесс имеет несколько вариантов гелеобразования актиноидов:

1) Осаждение гелей - процесс основан на образовании геля актиноидов в рабочем растворе, в котором равномерно распределены компоненты, затвердевающие в щелочной среде. Метод также характеризуется массопереносом [3,4].

2) Внешнее гелеобразование – характеризуется переносом массы через границу раздела фаз (сферообразующая щелочная среда – аммиачный раствор  газ, содержащий осадительные компоненты). Различается прямое внешнее гелеобразование и обратное внешнее гелеобразование [5, 6].

3) Внутреннее гелеобразование - основано на том, что рабочий раствор содержит гелирующие добавки (доноры аммиака), которые при повышенной температуре разлагаются в сферообразующей среде. Характерной чертой процесса является отсутствие массопереноса через границу раздела фаз [8-10].

В процессе внешнего и внутреннего гелирования в качестве дисперсионной среды используются органические жидкости нерастворимые или слаборастворимые в воде.

Физические методы получения микросфер

 

Порошковые методы изготовления топливных кернов, наряду с золь-гель процессом, получили достаточно широко развитие технологии топливных элементов ВТГР. Наибольшее распространение получил способ изготовления изделий из пластифицированных масс. Разновидностью этого способа является метод механической сфероидизации мерных топливных заготовок, который и выбран в качестве основы для разработки технологии топливных микросфер (ТМ). Метод заключается в обкатывании топливных заготовок из пластифицированных масс до совершенных микросфер.

В заключении следует отметить, что в целом из рассмотренных методов получения микросфер метод внутреннего гелеобразования является наиболее перспективным с технологической и экономической точек зрения, что было подтверждено решением 4 – го Заседания Руководящего комитета (Решение 4 – го заседания Руководящего комитета по проекту ГТ-МГР, Нижний Новгород, (02-06),06.1996) в рамках международного концептуального проекта ГТ-МГР (газо – турбинный модульный гелиевый реактор) о применении технологии производства микросферических частиц (кернов) методом ВГО. 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.             Колпаков Г. Н. Ядернотопливные материалы. –Томск: ТПУ, 1996.    72 с.

2.             Макаров В. М., Хрулёв А. А. и др. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы за рубежом. Выпуск 2. Топливо и ТВЭЛы для высокотемпературных реакторов (аналитический обзор).- М.: АИНФ, 1977. 164 с.

3.             Филиппов Е. А., Папков А. С., Кокорин И. И. Радиохимия, 1980, т. 22, №3. 305с;

4.             Патент №1542346 (Франция);

5.             Патент №3290122 (США);

6.             Патент №2601684 (Германия);

7.             Патент №3312632 (США);

8.             Патент №3312631 (США);

9.             Патент №1302682 (Великобритания);

10.         Патент №1157012 (Великобритания).