Закономерности процесса спекания таблетированного оксидного ядерного топлива

• Автор: Тимошин, Игнат Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Обзор литературы
1.1. Технологические основы изготовления топливных таблеток ио?
1.2. Факторы, определяющие спекаемость порошка диоксида урана
1.3 Технологические аспекты получения пресспорошка и гранулята
1.4. Спекание таблетированного оксидного ядерного топлива
1.4.1. Теория спекание в твердой фазе
1.4.2 Механизмы спекания
1.4.3 Рост зерна в процессе спекания
1.4.4 Подвижность поры на границе зерна
1.4.5.Разделение пор и границы
1.4.6. Аномальный рост зерна
1.4.7. Спекание топливных таблеток при различных режимах
1.5. Влияние кислородного потенциала газовой среды и отношения О/и на процесс
спекания
1.6. Получение таблеток иОг с регулируемой микроструктурой
Выводы по главе
2. Постадийное изучение структуры в процессе получения топливных компактов
2.1. Методы исследования
2.2. Описание объекта исследования
2.3. Изучение структуры порошка, пресспорошка, прессованных компактов и компактов
нагретых до заданной температуры
Выводы по 2 главе
3. Исследование процесса усадки прессовок ГЮ: при спекании с постоянной скоростью нагрева
3.1 Дилатометрические исследования усадки прессовок иСЪ при спекании с постоянной скоростью нагрева
3.2 Термогравиметрические исследования усадки прессовок ТЮг при спекании с постоянной скоростью нагрева
Выводы по главе
4. Оптимизация производственных режимов спекания топливных таблеток
4.1 Имитация производственного режима спекания на лабораторном оборудовании

4.2 Имитация производственного процесса спекания топливных таблеток при различных скоростях нагрева
4.3. Оптимизация температурных режимов спекания топливных таблеток,
изготовленных по «сухой» технологии в производственных условиях
Выводы по главе
5. Оптимизация технологического процесса получения топливных таблеток с крупным зерном
5.1 Анализ существующих технологий введения легирующих добавок
5.2 Альтернативные способы получения топливных таблеток с крупным зерном
5.3. Усовершенствование технологии изготовления топливных таблеток с укрупненным
размером зерна
Выводы по главе
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
На протяжении более 50 лет диоксид урана является основным видом ядерного топлива в энергетических реакторах типов: PWR, BWR, Candy, ВВЭР, РБМК, БН и др. Получение топливных таблеток с повышенными эксплуатационными характеристиками является основной задачей при исследовании оксидного ядерного топлива. В технологической схеме получения таблеток оксидного ядерного топлива одним из основных следует считать процесс спекания, который, если не принимать во внимание шлифование и приемочный контроль, является завершающей стадией компактирования ядерного топлива. Непрерывный поток работ [1-4] по высокотемпературному спеканию застехиометрических оксидов и оксидов с добавками показывает, что разработанные технологические режимы приготовления изделий не всегда оптимальны, как с позиции рентабельности производства, так и с позиции получения топливных таблеток с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Процесс спекания, как завершающая стадия компактирования материала, представляет собой комплексное формирование свойств материала, определяемых его структурой. С позиции структурообразования, процесс спекания сопровождается: уплотнением, ростом прочности пористой заготовки, рекристаллизацией, распределением зерен по размерам, слиянием пор, изменением распределения пор по размерам на фоне общего уменьшения их количества и объема. Кроме того, спеканию могут сопутствовать химические и фазовые превращения, гомогенизация, релаксация напряжений различного происхождения. Все перечисленные процессы являются термически активируемыми, взаимосвязанными и даже конкурирующими. Поэтому весьма важным представляется разработка методов непрерывного контроля за развитием структуры, и еще более важным - методов управления процессом, с целью формирования заданной структуры. Безусловно, получение заданной структуры может достигаться различными способами: это введение добавок; приложение давления; вариация скоростью нагрева, временем изотермической выдержки, количеством выдержек; использование переменной газовой среды.
В большинстве случаев спекание организовано по схеме: фиксированное время нагрева до изотермической выдержки — сама выдержка. Основным параметром спекания как кинетического процесса считается скорость уплотнения, которая аккумулирует в себе все особенности структуры, состава материала, его взаимодействия с окружающей средой и отражает реакцию системы на внешнее воздействие. Этот параметр можно непрерывно контролировать на протяжении всего времени эксперимента. Следовательно, контролируя

Рисунок 1.12. Зависимость типа взаимодействия между порами и границей от параметров микроструктуры. Поры мигрируют по механизму поверхностной диффузии [49]
Несмотря на попытку в большинстве работ выделить в качестве механизма, контролирующего рост зерна и миграцию пор в диоксиде урана, только механизм испарения-конденсации, эта теория кажется несостоятельной в силу низких значений давления пара диоксида урана при температурах порядка 1700°С. Но как было показано нами выше, при температурах выше 1900°С появляется существенный вклад механизма переноса вещества путем испарения-конденсации.
1.4.6 Аномальный рост зерна
Все что было сказано выше относилось к нормальному росту зерна. Однако при спекании керамических материалов при определенных условиях наблюдается аномальный рост зерна. Структура, которая соответствует такому процессу выглядит как небольшое количество необычно крупных зерен в мелкозернистой матрице (рис.1.13) [54]. При аномальном росте зерна наблюдаетя бимодальное распределение зерен по размеру, в отличие от нормального роста, при котором распределение зерен по размеру мономодальное.
В 1Ю2 аномальный рост зерна наблюдается при спекании в окислительной газовой среде [54].