Оптимизация технологии топливных таблеток из диоксида урана для обеспечения стабильности их качества в условиях массового производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат технических наук Бочаров, Александр Сергеевич

• Бочаров, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бочаров, Александр Сергеевич

Введение.

1 Обзор литературы.

1.1 Обзор технологий изготовления топливных таблеток.

1.1.1 Характеристика диоксида урана

1.1.2 Отечественные технологии топливных таблеток из диоксида урана

1.1.3 Зарубежные технологии топливных таблеток

1.2 Свойства таблеток и их зависимость от свойств исходного порошка диоксида урана.

1.2.1 Прочность таблеток

1.2.2 Влияние свойств исходного порошка диоксида урана на качество топливных таблеток

1.3 Технологические виды брака. щ 1.3.1 Виды брака прессовок

1.3.2 Виды брака спеченных таблеток

2 Исследование технологических операций, определяющих качество таблеток.

2.1 Приготовление пресспорошка.

2.1.1 Смешивание компонентов

2.1.2 Смешивание и использование порошков, различных по гранулометрическому составу

2.2 Прессование таблеток.

2.2.1 Механическая прочность таблеток

2.2.2 Влияние фаски на кромках на характеристики таблеток.'

2.2.3 Напряженно-деформируемое состояние таблетки при прессовании

2.2.4 Пути решения проблемы скалывания таблеток в процессе изготовления

2.3 Спекание топливных таблеток.

2.3.1 Математическая модель спекания топливных таблеток

2.3.2 Оптимизация режимов спекания

3 Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация технологии топливных таблеток из диоксида урана для обеспечения стабильности их качества в условиях массового производства»

Темпы развития современного общества в значительной степени определяются уровнем его энерговооруженности. Проблемы электроэнергетики в России в настоящее время заключаются в следующем:

1) рост потребления электроэнергии, составляющий 1,5 — 3 % в год;

2) 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;

3) 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 %);

4) 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 15 млрд. 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

Регион Доля выработки электроэнергии АЭС, %

Россия 14

Европейская часть России, 22 в том числе

Центр 28

Северо-Запад 41

Поволжье 23

Западная Европа 43

Франция 76

США 19

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:

1) конкурентоспособность по сравнению с ТЭС в Европейской части России;

2) запас топливообеспечения (отсутствие складов и необходимости постоянного снабжения топливом), низкая топливная составляющая;

Щ 3) согласованные площадки для размещения АЭС;

4) экология (выполнение Киотского Протокола);

5) высвобождение транспорта;

6) 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 ф 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 ф 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, ф 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 р„/руПл и коэффициента суммарной переданной порошку нагрузки р„р*рупл 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.

1 Обзор литературы

Заключение диссертации по теме «Порошковая металлургия и композиционные материалы», Бочаров, Александр Сергеевич

Выводы и рекомендации для производства.

Проведен анализ веществ, вводимых в порошок в качестве связки (вода, порообразователь, поливиниловый спирт, глицерин). Проверены предложения по уменьшению температуры в зонах отгонки связки, обоснованные тем, что температура разложения веществ связки находится в интервале от 100 до 300°С. Однако, на шлифах таблеток после спекания обнаружились дефекты в виде цепочки пор, трещин, межгранульной пористости, так как при переходе таблеток из секции отгонки связки в секцию предварительного нагрева был увеличен градиент температуры с 1,64 до 2,74°С/мин.

Предложен оптимизированный температурный режим спекания для таблеток ВВЭР с температурами по зонам печи Ti=550°C, Т2=650°С, Т3=750°С, Т4=1000°С, Т5=1100°С, Тб=1700°С, Т7= 1720°С, Т8=1750°С. Свойства спеченных таблеток практически не отличались от штатной продукции, процент брака по их внешнему виду был несколько ниже.

3 Обсуждение результатов

На рисунке 3.1 представлена оптимизированная схема изготовления топливных таблеток.

Рисунок 3.1 — Оптимизированная схема изготовления топливных таблеток

Благодаря внедренным решениям, представленным в данной работе, ожидаемый экономический эффект заключается в увеличении выхода в годное минимум на 2 %, что составит при объеме производства в 500 тонн топливных таблеток в год порядка 20 млн. руб. Представлены методики для поиска оптимальных режимов изготовления топливных таблеток и получены результаты, позволившие стабилизировать качество таблеток по параметрам: плотность после спекания, доспекаемость, внешний вид, микроструктура.

Заключение

1. На основе анализа технологии и проведенных исследовательских работ оптимизирована технология массового производства топливных таблеток ВВЭР из диоксида урана на ОАО «МСЗ».

01483fl-e0,0435 т-)

2. Получено уравнение Pr=l —е ' v ' для определения степени однородности смеси диоксида урана с добавками (закисью-окисью и порообразователем), на основании которого рассчитано время смешивания, составившее 90 мин при степени однородности более 99%, вместо применявшихся в штатном режиме 70 мин со степенью однородности менее 95%.

3. Предложен смеситель Cyclomix фирмы Hosokawa для снижения трудозатрат вследствие объединения двух последовательных операций (операции смешивания UO2 с U3O8 и порообразователем и операции смешивания полученной смеси с пластификатором) и повышения качества смешивания. Проведено его опробование, получены удовлетворительные результаты, подобран оптимальный режим смешивания и оптимальная конструкция ротора: однонаправленные лопатки, наклоненные под углом 60° по отношению к вертикали, время смешивания: 10 сек при 100 об/мин, 30 сек при 1200 об/мин, далее заливка пластификатора в течение необходимого времени, смешивание с пластификатором 120 сек при 200 об/мин и разгрузка смесителя 10 сек при 1000 об/мин.

4. Предложено решать проблему низкой насыпной плотности исходного порошка подбором гранулометрического состава для получения максимально плотной упаковки частиц пресспорошка, а не предварительным уплотнением, предусмотренным штатным режимом. Из пресспорошка, состоящего из смеси фракций менее 0,100 мм и <0,400.>0,315 мм, по «сухой» технологии изготовлены таблетки, качество которых удовлетворяет предъявляемым требованиям.

5. Рассчитано уравнение для описания процесса уплотнения пресспорошка: •g(r.-yJ=0,2l31gp + C где С — константа, определяемая по соответствующему графику и зависящая от величины давления уплотнения. Степень аппроксимации предложенного уравнения и экспериментальных данных равна 0,986.

6. Предложена и внедрена методика определения оптимальных режимов уплотнения пресспорошка и его прессования на основе проведения тестирования исходного порошка и нахождения оптимальных коэффициентов рпр/рупл и Рпрфупл- Предложенная методика обеспечивает получение спеченных таблеток максимально возможной механической прочности и минимальным уровнем дефектов.

7. На основании расчета напряженно-деформируемого состояния таблетки в процессе прессования, предложен и осуществлен переход от геометрии таблеток с углом фаски 15° на угол фаски 25°.

8. В производство внедрена упаковка топливных таблеток в транспортные контейнера на паллетах, их транспортировка и дальнейшее снаряжение оболочек твэл непосредственно с паллет.

9. Предложена и экспериментально подтверждена математическая модель спекания топливных таблеток, позволяющая после проведения тестирования пресспорошка при двух давлениях прессования выбрать режим прессования, обеспечивающий получение требуемой геометрии и плотности таблеток после спекания, пользуясь формулой (2.51). Регулирование плотности проводят за счет подбора режимов прессования, без добавки порообразователя.

Математическая модель позволяет также оценивать технологичность исходного порошка и сравнивать различные технологии таблеток из него.

10. Предложен и опробован в условиях ОАО «МСЗ» оптимальный режим спекания с целью наиболее «мягкого» удаления связки из прессовок и исключения дефектов, образующихся при быстрой отгонке связки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бочаров, Александр Сергеевич, 2005 год

1. Деменътев Б.А. Ядерные энергетические реакторы: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

2. Нигматулин Б.И. Стратегия развития атомной энергетики в Российской Федерации // Сборник докладов международной научно-технической конференции. Атомная энергетика на пороге XXI века. Электросталь: ОАО «МСЗ», 2000. - С.221 - 254.

3. Смирнов Ю.В., Соколов Д.Д., Соколова ИД. и др., под ред. Круглова А.К., Смирнова Ю.В. Атомная промышленность зарубежных стран. М.: Атомиздат, 1980. — 288 с.

4. Lettau Н., Spierling Н., Urban P. Progress in fuel assembly development // Journal «Nuclear Europe Worldscan», 2000. №5. - p.48.

5. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник / Под ред. И.М.Федорченко. Киев: Наукова думка, 1985. - 624 с.

6. Котельников Р.Б., Башлыков С.Н., Каштанов А.И., Меньшикова Т.С. Высокотемпературное ядерное топливо. М.: Атомиздат, 1986. - 386 с.

7. Фрост Б. Твэлы ядерных реакторов М.: Энергоатомиздат, 1986.-284 с.

8. Самойлов А.Г. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов: Учебное пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 224 с.

9. Патент РФ № 2148279. Способ получения топливных таблеток / Потаскаев Г.Г., Курское

10. B.C., Балагуров Н.А. и др. Per. 20.05.1997 г.

11. Майоров А.А., Браверман КБ. Технология получения керамической двуокиси урана. — М.: Энергоатомиздат, 1985. 128 с.

12. Радфорд К. Влияние технологических параметров и микроструктуры на механическую прочность топливных таблеток из UO2 // Атомная техника за рубежом. 1980. - №9. —1. C.23-31.

13. Патент РФ № 2158971. Способ изготовления таблетированного топлива из диоксида урана и оборудование для его осуществления / Рожков В.В., Чапаев И.Г., Забелин Ю.В. и др. Per. 21.04.1999 г.

14. Патент РФ № 2158030. Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов и устройство его осуществления / Афанасьев B.JI., Рожков В.В. Забелин Ю.В. и др. Per. 18.11.1998 г.

15. Патент РФ № 2181221. Способ изготовления спеченных топливных таблеток и лодочка для спекания / Рожков В.В., Чапаев И.Г., Батуев В.И. и др. Per. 31.012000 г.

16. Р.фон Ян Г. Штем. Основные причины повреждения твэлов в реакторах с водяным охлаждением / Перев. Ф. Гарцаролли. — Крафтверк юнион актиенгезелынафт эрланген, ФРГ, 1979. 124 с.

17. Самойлов А.Г. Твэлы энергетических ядерных реакторов // Атомная техника за рубежом. -1984. №7. - С.11-16.

18. Решетников Ф.Г., Бибилашвили Ю.К., Головнин КС. и др. Разработка, производство и эксплуатация ядерных реакторов. В двух книгах. Книга первая. — М.: Энергоатомиздат, 1995.-315 с.

19. Самойлов А.Г., Каштанов А.И.,.Волков B.C. Дисперсионные твэлы. В двух томах. Том первый: Материалы и технология. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 224 с.

20. Характеристики ползучести диоксида урана. Пер. с англ. В. Геминова. / Mohamed Farghalli А., Soliman Mahmoud S. On the creep behavior of uranium dioxide // Mater. Sci. and Eng. — 1982. -№2. -C. 185-190.

21. Самойлов А.Г., Каштанов А.И., Волков B.C. Дисперсионные твэлы. В двух томах. Том второй: Конструкция и работоспособность. М.: Энергоатомиздат, 1982. — 224 с.

22. Карстен Г.Ж. К вопросу о возможности изменения пластичности и прочности керамического топлива // Атомная техника за рубежом. —1985. — №2. С.31-33.

23. Самойлов А.Г., Волков B.C., Солонин М.И. Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1996.- 400 с.

24. Махова В.А., Соколова И.Д. Оптимизация микроструктуры ГЮг-топлива // Атомная техника за рубежом. 1988. - №10. - С.3-8.

25. Перев. с англ. Кохтева С. Вызванное термическим градиентом растрескивание таблеток в топливных элементах / Thermaly induced radial cracking in fuel element pellets. Sumi Y„ Keer L.M., Nemat-Nasser S. //J. ofNucl. Mater. 1981. - №1. - C.147-159.

26. Технические условия на таблетку ядерного керамического топлива для твэлов энергетических реакторов типа ВВЭР 407.00.014 ТУ.

27. Технические условия на двуокись урана. 52.000-28 ТУ.

28. Standard specification for nuclear grade sinterable uranium dioxide powder. ANSI / ASTM С 753-94.

29. Либенсон Г.А., .Лопатин В.Ю., Комарницкий Т.В Процессы порошковой металлургии. В 2-х томах. Том второй: Формование и спекание. Учебник для вузов. М.: МИСиС, 2002. - 320 с.

30. Больший М.Ю. Научные основы порошковой металлургии и металлургии волокна. М.: Металлургия, 1972. - 336 с.

31. Жданович Г.М. Теория прессования металлических порошков. М.: Металлургия, 1969. -264 с.

32. Меерсон Г.А. Вопросы порошковой металлургии // Порошковая металлургия. 1973. -№10. -С.З.

33. ANSYS. Structural Nonlinearities. User's Guide for Revision 5.0. SASI, 1994.

34. Перелъман B.E. Формование порошковых материалов. — M.: Металлургия, 1979. — 253 с.

35. Коллиер Дж., Хьюитт Дж. Введение в ядерную энергетику. М.: Энергоатомиздат, 1989. -255 с.

36. Патент Великобритании № 2056155, G21C3/62, 1981г.

37. Патент ЕПВ № 0277708, G21C3/62, 1988г.

38. Патент США № 3692887, G21C3/62,1987г.

39. Патент ЕПВ № 0377077, G21C3/62, 1990г.

40. Андреев Э.И., Бочаров А.С., Иванов А.В., Либенсон ГА., Лисин А.Н., Маловик В.В. Математическая модель оптимизации технологии топливных таблеток из порошка диоксида урана // Изд. Вузов. Цветная металлургия. — 2003. — №1. — С.48-52.

41. Васильев В.В. Курилов П.Г., Лигачев А.Е., Мишин Б.С. Порошковая металлургия и композиционные материалы. — М.: МАТИ, 1983. — 62 с.

42. Григорьев А.К., Рудской А.И. Энергетические методы решения технологических задач пластичности пористых материалов // Порошковая металлургия. — 1988. — №5. -С.6-10.

43. НрИЛОШ&Сие, //. (о5ц$а7ельное)

44. СХЕМА ТРАНСПОРТИРОВКИ ТОПЛИВНЫХ ТАБЛЕТОК В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

45. ВЫПРЕССОВЫВАНИЕ таблетки из матрицы1. ДЕЗАКТИВАЦИЯтары (возможно переворачивание)1. ТРАНСПОРТИРОВКАтаблеток из зоны прессования1. ТРАНСПОРТИРОВКАтары в бокс дезактивации (толканием тары)1. ЗАГРУЗКА ТАРЫвысота падения спрессованных таблеток в тару 300 мм

46. ЗАГРУЗКА виброчаши (пересыпание таблеток из вибробункера в виброчашу)

47. ТРАНСПОРТИРОВКА тары из форкамеры в бокс снаряжения1. ТРАНСПОРТИРОВКАтары в форкамеру бокса снаряжения

48. ВЫГРУЗКА тары из транспортного контейнера1. ТРАНСПОРТИРОВКАтранспортного контейнера на снаряжение1. ТРАНСПОРТИРОВКАтранспортного онтейнера на спецсклад1. ВИБРОСТОЛ (вибрация)

49. СНАРЯЖЕНИЕ твэл (вибрация)