Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива


Тарасова М.С.(НИЯУ МИФИ, Москва, Россия),  Тарасов Б.А. (АО «ВНИИНМ», Москва, Россия)

 

Введение

Современное развитие ядерной энергетики идет по пути замыкания ядерного топливного цикла, который возможен при использовании реакторов на быстрых нейтронах. Привлекательным топливом для данного вида реакторов оказывается нитридное ядерное топливо. Однако широкое применение нитридного ядерного топлива сталкивается с проблемами при его изготовлении и, в частности, при спекании уже готового порошкового материала. Так для изготовления таблеток из нитрида урана традиционно используют технологию свободного спекания. Для достижения требуемой плотности (85–95 % т.п.) таблеток требуются выдержки при высоких температурах (1900–2000 °С) в течение нескольких часов, а так же применение дополнительных предварительных операций: гранулирование порошков и их прессование при высоких давлениях ( до 1,5 ГПа). Весь процесс оказывается достаточно время, энерго- и трудозатратным.

В качестве перспективного метода, позволяющего получать изделия высокой плотности из СНУП-топлива, в том числе с минорными актинидами, выступает высоковольтная электроимпульсная консолидация (ВЭИК).

В основе данного метода лежит пропускание импульса электрического тока через порошковую прессовку, с одновременным приложением давления. Это позволяет объединить технологические стадии прессования порошка и спекания таблеток в одну, что значительно уменьшает количество вовлекаемого в производство оборудования и количество пылящих операций.

Основным преимуществом ВЭИК является короткое время компактирования (доли секунды), а также низкая средняя макроскопическая температура образца, что полностью исключает испарение минорных актинидов из топлива. Варьирование параметров спекания позволяет получать таблетки в широком интервале плотностей (до 97–98 %). Таблетки после процесса получаются « в размер» и не требуют доводочного шлифования.

Отсутствие стадий нагрева и выдержки, а также весьма короткое время процесса делает возможным встраивание аппаратуры ВЭИК в существующие модели высокопроизводительных роторных прессов.

 

1.Разработка лабораторной установки для ВЭИК

1.1. Модуль спекания

Установка включает в себя два основных блока: генератор импульсов тока и прессовую часть, размещенную в герметичном перчаточном боксе, снабженном автономной системой газоочистки инертного газа (аргона) и рассчитанном на работу с плутоний-содержащими материалами; высоковольтный генератор с батареей конденсаторов.

Принципиальная схема установки ВЭИК приведена на рисунке 1. Генератор импульсов тока разрабатывали в соответствии со следующими особенностями, обеспечивающими работоспособность метода ВЭИК. Генератор импульсов тока (ГИТ) включает: 1) зарядное устройство (1), которое содержит повышающий трансформатор, выпрямитель и ограничительное сопротивление; 2) модуль накопления энергии, включающий батарею высоковольтных конденсаторов (2; 3) коммутирующее устройство (комплект разрядников); 4)систему блокировок высокого напряжения.

Батарея конденсаторов позволяет накапливать энергию до 40 кДж при зарядке до напряжения 6 кВ. Модуль управления электрической частью установки (4) включает в себя схемы управления коммутирующим устройством, пускатели и приборы контроля.

Модуль регистрации параметров импульса тока 7 состоит из измерительного устройства, запоминающего устройства, калибратора. В качестве измерительного устройства используется пояс Роговского с интегрирующей RC – цепочкой.

 


Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис. 1. Принципиальная схема установки ВЭИК: 1) зарядное устройство; 2) батарея высоковольтных конденсаторов;  3) коммутирующее устройство; 4) управляющее устройство; 5) пневмосистема; 6) матрица; 7) модуль регистрации импульсов тока

 

Импульс тока разряда батареи конденсаторов имеет колебательный характер не превышает 1,3 мс.

Генератор импульсов тока комплектуется необходимой аппаратурой для контроля импульсов тока (пояс Роговского, запоминающий осциллограф).

Также был разработан комплекс: Бокс перчаточный с газоочисткой со встроенным пресс-блоком включает в себя: 1) бокс перчаточный односторонний, на два рабочих места (4 перчаточных порта); 2) блок газоочистки с сенсорной панелью; 3) пресс-блок с пневмоцилиндром, компрессором, штампом и газораспределительным оборудованием.

Перчаточный бокс в комплексе с газоочисткой позволяет работать с порошковыми материалами в инертной атмосфере (аргон, гелий, азот). При этом у внутрибоксовой атмосферы поддерживаются следующие параметры – содержание воды <20 ppm, содержание кислорода <20 ppm.

Бокс должен иметь стальную защиту на уровне перчаточных портов. Перчаточные порты с перчатками должны закрываться крышками. Бокс комплектуется освинцованными резиновыми перчатками, с толщиной свинцового слоя не менее 0,1 мм.

1.2. Матрица

Для ВЭИК классическая пресс-форма состоит из металлической обоймы с жестко закрепленной в ней керамической матрицей. В качестве керамического изоляционного вкладыша используются муллитовые трубки. Пуансоны изготовляются из тугоплавких металлов с максимальной электропроводностью, таких как сталь, молибден или вольфрам.

Однако применение такой конструкции пресс-формы недопустимо для спекания высокотемпературных керамик и, в частности, нитридного топлива. Это связано с тем, что во время прохождения импульса происходит разогрев порошка, что приводит к разогреву и всей пресс-формы. Температуры при этом превышают температуры размягчения, а в некоторых случаях и плавления, муллита. Вследствие чего спекаемый порошок припекается к вкладышам. Выемка такого образца происходит только путем разбиения муллитового вкладыша, при этом на образце остаются следы муллита. Кроме того, внутренний диаметр таких втулок может варьироваться в широком диапазоне.

Указанные обстоятельства не позволяют применять метод ВЭИК для спекания СНУП топлива. Требуется принципиальное изменение конструкции и материалов пресс-инструмента, для возможности получения таблеток в размер и многократности использования пресс-формы в целом (исключения одноразовых муллитовых трубок).

Основными элементами пресс-оснастки для ВЭИК являются втулка, бандаж и пуансоны. Бандаж предназначается для предотвращения разрушения керамической втулки из-за растягивающих напряжений, возникающих при приложении давления к порошковой засыпки, значения которого может достигать нескольких сотен МПа. Металл, из которого он может быть изготовлен, должен обладать высокими значениями теплоемкости для отвода тепла от втулки и быть технологичным. В качестве кандидатных в работе рассматривались медь и сталь.

К материалу пуансонов предъявляются следующие требования: высокая электропроводность; высокая температура плавления; теплопроводность сравнимая с материалом втулки, совместимость со спекаемым порошком. Наиболее подходящими оказываются вольфрам и молибден.

Как было описано выше, основная проблема в традиционной пресс-оснастке для ВЭИК – это материал втулки. При спекании не должно происходить взаимодействия спекаемого порошка и втулки. Втулка должна выдерживать напряжения, возникающие в процессе. Сочетание теплофизических свойств материала втулки обеспечивать максимально равномерное распределение температуры по сечению спекаемого образца и минимизировать возможность размягчения внутренней рабочей поверхности. Твердость втулки превосходить твердость спекаемого материала для сохранности размеров внутреннего диаметра. Материал втулки должен быть диэлектриком. Втулка должна выдерживать большие перепады температуры и быть термостойкой.

В качестве кандидатных материалов втулки при выполнении работы были рассмотрены AlN, Si3N4, SiAlON.

На следующем этапе был произведен теплофизический расчет распределения температуры в процессе ВЭИК для трех выбранных материалов втулки. На рисунке 2 представлена расчетная ячейка пресс-оснастки. Диаметр втулки составлял 20 мм, длина пресс-формы 60 мм. Молибденовые пуансоны и медный бандаж. В качестве спекаемого материала выступал нитрид урана. В качестве начала процесса принимался момент максимального разогрева порошка и рассматривался процесс охлаждения.

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива


Рис. 2. Расчетная ячейка пресс-оснастки

 

В процессе охлаждения части образца имеют разную температуру. На рисунках 3–5 приведены кривые охлаждения образца для трех вариантов материала втулок. На всех представленных графиках видно, что центральная часть образца остается нагретой значительно дольше остальных. Для всех материалов втулки время выравнивания температуры всех частей совпадает с временем охлаждения до температур 250–300 °С и соответствует времени 10 с. Однако для втулки из нитрида алюминия остывание части соприкасающейся с пуансоном имеет более резкую зависимость, по сравнению со случаями использования карбида кремния и сиалона. Данный факт означает, что при использовании втулки из нитрида алюминия внутренние напряжения в спекаемом образце, возникающие при охлаждении, приведут к его разрушению.

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

 Рис . 3 Кривые охлаждения образца при охлаждении в пресс-форме с втулкой из AlN, начальная температура 2000 °C: 1 – центр образца; 2 – место касания образца и втулки на середине высоты образца;  3 – место касания образца и пуансона на оси образца;  4 – место касания образца, втулки и пуансон

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис . 4 Кривые охлаждения образца при охлаждении в пресс-форме с втулкой из Si3N4, начальная температура 2000 °C: 1 – центр образца; 2 – место касания образца и втулки на середине высоты образца;  3 – место касания образца и пуансона на оси образца;  4 – место касания образца, втулки и пуансона

 Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис . 5. Кривые охлаждения образца при охлаждении в пресс-форме с втулкой из SiAlON, начальная температура 2000 °C: 1 – центр образца; 2 – место касания образца и втулки на середине высоты образца;  3 – место касания образца и пуансона на оси образца;  4 – место касания образца, втулки и пуансона

 

Показателем равномерности распределения температуры по сечению таблетки является температурный градиент. Для примера на рисунках 6–8 приведены градиенты для втулок из AlN, Si3N4, SiAlON, соответственно, и для двух времен 0,5 и 6 с с начала процесса ВЭИК. Из рисунков видно, что более равномерное распределение температуры по сечению образца в начальный период процесса наблюдается для случая пресс-формы с втулкой из сиалона. При этом максимальны градиенты температуры образец испытывают в осевом направлении, меньшие чем при расчете пресс-формы с втулкой из нитрида кремния. В случае втулки, выполненной из нитрида алюминия максимальные градиенты температуры наблюдаются и в осевом  и в радиальном направлении образца, что крайне нежелательно для процесса уплотнения порошковой насыпки, так как приводит к дополнительной неоднородности плотности в таблетке.

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива


Рис.6 Градиент температуры по сечению образца в момент времени 0,5 с (а) и 6 с (б) при ВЭИК в пресс-форме с втулкой из AlN, начальная температура 2000 °C

 

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис. 7. Градиент температуры по сечению образца в момент времени 0,5 с (а) и 6 с (б) при ВЭИК в пресс-форме с втулкой из Si3N4, начальная температура 2000 °C

 

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис.8. Градиент температуры по сечению образца в момент времени 0,5 с (а) и 6 с (б) при ВЭИК в пресс-форме с втулкой из SiAlON, начальная температура 2000 °C

 

На основании проведенных обзора физико-химических свойств кандидатных материалов втулки и теплофизического расчета процесса ВЭИК в качестве материала втулки был выбран SiAlON.

В соответствии с разработанной конструкторской документацией на прессинструмент для ВЭИК нитридного топлива были изготовлены 4 комплекта прессинструмента. Пример внешнего вида одного из изготовленных комплектов приведен на рис. 9. Получен патент на конструкцию пресс-формы [1].

 

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис.8. Пресс-инструмент для ВЭИК нитридного топлива

 

2. Экспериментальное спекание нитрида урана методом ВЭИК

По результатам анализа закономерностей компактирования нитридов титана и циркония методом ВЭИК, проведенных ранее и представленных в работе [2, 3], проведено спекание таблеток нитрида урана Результаты представлены в таблице 1. Из сравнения данных таблицы 1 и данных, полученных для нитрида титана и циркония можно сделать следующие выводы. Получение более плотных компактов нитрида урана по сравнению с нитридами циркония и титана можно связать с большим электросопротивлением, которое влияет на разогрев межчастичных контактов в процессе спекания и соответственно интенсификацией процесса уплотнения при меньших величинах плотности тока и давления. Характерная микроструктура нитрида урана представлена на рисунке 9.

Таблица 1

Зависимость плотности прессовок UN от режимов спекания

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

 

На рисунке 3.17 показана эволюция микроструктуры компакта нитрида урана после ВЭИК. Наблюдается увеличение степени равномерности структуры при возрастании плотности. Так же как и в случае с нитридам титана и циркония разрушение образцов происходит по местам контакта между частицами пока плотность компакта не превышает 90–93 %.

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис. 9. Микроструктура таблетки после ВЭИК (плотность 78,3 % ТП)

 

На рисунке 10 показана эволюция микроструктуры компакта нитрида урана после ВЭИК. Наблюдается увеличение степени равномерности структуры при возрастании плотности. Так же как и в случае с нитридам титана и циркония разрушение образцов происходит по местам контакта между частицами пока плотность компакта не превышает 90–93 %.

При превышении порогового значения плотности компактов происходит рекристаллизация зерен путем объединения частичек исходного порошка и образования структуры с полностью закрытой пористостью, расположенной в теле зерна. После спекания также проводили рентгеновский фазовый анализ спеченных образцов, в ходе которого установлено, что прессовки содержат небольшое количество оксидной фазы урана, соответствующая дифрактограмма спеченного компакта приведена на рисунке 11. Наличие оксидной фазы связано с окислением на воздухе при переносе порошка в рабочую камеру.

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис. 10. Фрактограммы поверхностей излома компактов нитрида урана: а – плотность 78,3 %; б – плотность 85,1 %; в – плотность 92,5 %

 

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис. 11. Дифрактограмма образца UN после ВЭИК

 

Важным параметром таблеток ядерного топлива является стабильность в процессе эксплуатации, поэтому важно изучение поведения таблеток нитрида урана при нагреве. Эксперименты проводили в дилатометре NETZSCH Dil 402c. На рисунке 12 представлен график зависимости изменения длины образца UN от времени нагрева с постоянной скоростью 6 К/мин в аргоно-водородной среде (Ar–8%H2). Начальная плотность образца (после ВЭИК) составляла 85,1 % ТП. Образец нагревали до 1873 К, после чего охлаждали с той же скоростью. Анализ дилатометрической кривой показал, что доспекание начинается при температуре 1573 К, общая усадка после охлаждения до 1173 К составляет 1,18 %.

После доспекания отмечается рост зерна. На рисунке 13 представлены фотографии микроструктуры образца после доспекания. После нагрева полученного компакта происходит термическое доспекание таблетки и начинается рост зерна. Кроме того, на рисунке 13 видно, что зерна растут неравномерно, причем различить их можно только на участках высокой плотности, возникающих после ВЭИК. В местах повышенной пористости образца микроструктура осталась прежней.

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис. 12. Зависимость изменения длины образца UN спеченного методом ВЭИК  при нагреве до 1873 К в атмосфере Ar–8%H2

 

Сверхбыстрое спекание нитридного ядерного топлива

Рис.13. Микроструктура нитрида урана после нагрева  до 1873 К в атмосфере Ar–8%H2

 

Данные эффекты связаны с диссоциацией нитрида урана в атмосфере Ar–8%H2. При температуре 1573 К начинается разложение нитрида урана с выделением жидкого металлического урана по границам зерен. Это приводит к началу жидкофазного спекания, что видно по округленным границам зерен на рисунке 13.

Необходимо отметить, что при ВЭИК порошка нитрида урана диссоциации не происходит, хотя температура процесса явно превышает 1573 К, что связано с кратковременностью процесса спекания.

 

Заключение

В работе установлены общие закономерности влияния параметров высоковольтной электроимпульсной консолидации на плотность компактов нитрида урана. Показано, что плотность компактов линейно зависит от напряжения на батареи конденсаторов (энергии в импульсе) в исследуемом диапазоне энергий. Зависимость от приложенного давления носит характер возрастающей кривой с насыщением. Получены компакты с плотностями 85–96 % т.п. Изучены особенности формирования макро и микроструктуры, а так же фазового состава образцов нитрида урана и его имитаторов. Установлено, что в процессе спекания по методу ВЭИК не происходит разложения нитрида урана и образования жидкой фазы.

 

Список литературы

  1. Патент RU188873U1 Устройство для электроимпульсного прессования порошковых материалов / Башлыков С.С., Шорников Д.П., Тарасова М.С., Тарасов Б.А. // 19.12.2018
  2. Densification of zirconium nitride by spark plasma sintering and high voltage electric discharge consolidation: A comparative analysis / G. Lee, M.S. Yurlova, D. Giuntini et al. // Ceramics International. 2015. Vol. 41. Is. 10. P. 14973-14987.
  3. Comparative study of spark plasma sintering and high voltage electric discharge consolidation of zirconium nitride powder / G. Lee, M.S. Yurlova, E.G. Grigoryev et al. // Advanced Powder Particle Materials. 2015. Vol. 8. P. 112-116.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все об энергетике, электротехнике и электронике
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: