Оптимизация структуры уран-гадолиниевых таблеток в обеспечение перспективных требований новых проектов топлива ВВЭР
Содержание
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
1 Аналитический обзор
2 Определение механизмов изменения микроструктуры топливных таблеток
3 Исследования структуры уран-гадолиниевых таблеток
3.1 Выбор способов изменения структуры уран-гадолиниевых таблеток, разработка программы исследований
3.2 Исследование характеристик исходного порошка диоксида урана, пресспорошка, прессовок, спеченных таблеток
3.3 Данные по штатному уран-гадолиниевому топливу
3.4 Выводы по главе
4 Анализ и обобщение полученных экспериментальных данных исследований свойств уран-гадолиниевых таблеток
4.1 Анализ основных технологических свойств уран-гадолиниевых таблеток экспериментальных партий
4.2 Определение влияния изменения пористой структуры на термическую стабильность геометрических размеров уран-гадолиниевых топливных таблеток
4.3 Рекомендации в технологический процесс изготовления уран- гадолиниевых таблеток
4.4 Апробация сделанных рекомендаций
4.5 Выводы по главе
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Во введении обоснована актуальность регулирования параметров
пористости уран-гадолиниевых топливных таблеток; сформулированы цель
работы и решаемые задачи, указана новизна и практическая значимость
работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен обзор литературы по производству уран-
гадолиниевых таблеток. Рассмотрено текущее состояние производства,
технологическая схема изготовления топливных таблеток, используемые
компоненты для изготовления таблеток, влияние исходных материалов и
технологических режимов изготовления на свойства таблеток.
Показано, чтомикроструктуратопливныхтаблетокопределяет
плотность, термическую стабильность геометрических размеров, прочность и
выход газообразных продуктов деления.
Установлено,чторегулированиепористостиуран-гадолиниевых
таблеток в диапазоне от 0,1 до 1,0 мкм позволяет регулировать термическую
стабильность геометрических размеров (доспекаемость).
Определены основные технологические параметры изготовления уран-
гадолиниевых таблеток, влияющие на пористость показатели:
– исходные компоненты;
– способ подготовки пресспорошка;
– давление прессования;
– температура, время и среда спекания;
– глубина съема и скорость ведущего круга при шлифовании.
На основе проведенного аналитического обзора выпущено учебное
пособие по технологии изготовления ядерного топлива на основе диоксида
урана.
Во второй главе диссертационной работы рассмотрены механизмы,
ответственныеза изменениепараметровмикроструктурытопливных
таблеток, в частности, размера пор. Первый механизм – объединение пор при
увеличении размера зерна. Второй механизм – объединение пор за счет
разницы в кривизне поверхности – большие поры поглощают поры малого
размера (так называемое «созревание» по Оствальду). Эти два механизма
проявляются одновременно, и степень доминирования одного или другого
механизма определить трудно.
Показано, что наиболее распространенным способом регулирования
пористости является введение различных порообразователей (в настоящее
время наиболее часто используются в качестве порообразователей закись-
окись урана (U3O8) и азодикарбонамид (Porophor)). Помимо этого,
пористость также можно изменить за счет введения в шихту различных
микродобавок, например, оксида алюминия (гидроокись алюминия) и/или
оксида кремния.
Показано, что режимы приготовления пресспорошка влияют на
параметрыпористоститопливныхтаблеток.Так,способвведения
порообразователя (микродобавки) в пресспорошок, скорость вращения
барабана мельницы, число и размер размольных тел, масса измельчаемого
материала, продолжительность и среда размола являются определяющими
факторами.
Рассмотреныдействующиеметодикивыполненияизмерений
параметров микроструктуры уран-гадолиниевых таблеток.
Показано, что для штатного контроля партии на соответствие
требований технической и конструкторской документации при проведении
оценки параметров микроструктуры используется методика ОИ 001.619-
2006, а для измерения параметров пористости в диапазоне от 0,1 до 100 мкм
разработана методика измерения параметров пористости топливных таблеток
№ 323.000.815-2017 МВИ. Методика № 323.000.815-2017 МВИ необходима
для полного описания параметров пористости, включая субмикронные поры
(от 0,1 до 1 мкм).
Показано, что одновременное использование описанных методик
контроляпараметровмикроструктурыпозволяетдостаточноточно
определить параметры пористой структуры таблеток, а также прогнозировать
термическую доспекаемость топливных таблеток.
В третьей главе на основе проведенного анализа действующей
технологии производства уран-гадолиниевых таблеток и теоретических
возможностей изменения структуры топливных таблеток предложены пути
измененияпористойструктуры:изменениеспособавведение
порообразователя за счет частичного добавления его в шаровую мельницу на
первом этапе и частичного добавления в смеситель при смешивании с
пластификаторомнапоследнемэтапеприготовлениипресспорошка;
количество вводимого порообразователя увеличить с 0,4 мас.% до 0,8 мас.%;
уменьшить температуру спекания с 1750-1765 оС до 1730-1700 оС.
В главе описана разработанная автором программа изготовления
экспериментальных партий по измененным технологическим режимам и
исследований уран-гадолиниевых таблеток с 5 мас.% оксида гадолиния.
В соответствии с разработанной программой на каждом этапе
изготовления исследованы характеристики исходного порошка диоксида
урана, пресспорошка, прессовок, спеченных таблеток.
Показано, что все качественные показатели пресспорошка, прессовок,
спеченныхтаблеток,исследованные накаждомэтапеизготовления
соответствуют требованиям, предъявляемым к уран-гадолиниевым таблеткам
с 5 мас.% оксида гадолиния в действующем технологическом процессе.
В соответствие с разработанной программой для последующего
анализа были исследованы плотность, объемная доля открытых пор,
доспекаемость, кислородный коэффициент, массовая доля водорода и
параметры микроструктуры уран-гадолиниевых таблеток экспериментальных
партий.
Дляпроведенияпоследующегоанализасделанныхизменений
технологических операций для изменения пористой структуры таблеток
собраны данные по качественным показателям уран-гадолиниевых таблеток
с 5 мас.% оксида гадолиния текущих проектов ВВЭР, изготовленных по
действующему технологическому процессу (порообразователь добавляют в
гранулят при смешивании с пластификатором на последнем этапе
приготовления пресспорошка, температура спекания – 1750-1765 оС).
Изпроанализированныхэкспериментальныхданныхиданных
авторскогонадзораследует,чтовсепоказатели,заисключением
доспекаемости отдельных экспериментальных партий уран-гадолиниевых
таблеток, соответствуют требованиям действующих технических условий и
чертежей, таблица 1.
Таблица 1 –Свойства уран-гадолиниевых таблеток экспериментальных
партий в сравнении с текущим производством и нормой
ПараметрЭкспериментальные партииТекущееНорма
1-1-11-1-21-2-11-2-22-1-12-1-22-2-12-2-2пр-во
Плотность,10,4810,4610,4910,4710,4610,4310,4710,4410,5710,3-
г/см310,6
Доспекаемость,0,020,030,020,030,010,040,010,030,020,0-
%0,4
Кислородный2,0292,0282,0302,0282,0292,0302,0292,0292,0292,010-
коэффициент2,040
Средний14,212,213,112,515,412,813,212,213,0-15,08-25
эффективный
диаметр
зерна, мкм
Макс.диаметр771761019598189134162249 500
Фере
отдельных пор
наполе
шлифа, мкм
Количеств.91,887,787,886,384,882,084,284,788 80
доляпор,
наблюдаемых
в плоскости
шлифаи
имеющих
эффективный
диаметр
1-10 мкм, %
Доля площади97,296,598,798,398,698,798,698,797 80
шлифа,
занятой
твердым
раствором
UO2-Gd2O3, %
Примечание – В обозначении варианта: первая цифра – вариант приготовления
пресспорошка (1 – порообразователь 0,4 мас.% добавлен на последней стадии
приготовления пресспорошка, 2 – порообразователь 0,4 мас.% добавлен в шаровую
вибромельницу на первой стадии приготовления прессопорошка + 0,4 мас.%
порообразователя добавлено на последней стадии приготовления пресспорошка), вторая
цифра – вариант давления прессования (1 – 1,5/1,5 тс/см2, 2 – 1,7/1,7 тс/см2), третья цифра
– температура спекания (1 – 1730˚С, 2 – 1700˚С).
В четвертой главе проанализированы полученные в третьей главе
результаты исследований по изменению структуры уран-гадолиниевых
таблеток и влиянию этих изменений на свойства уран-гадолиниевых
таблеток.
Из полученных результатов следует:
Всепоказателиуран-гадолиниевыхтаблеток,соответствуют
требованиям конструкторской и технологической документации новых
проектов ВВЭР.
Плотность уран-гадолиниевых таблеток снижается с изменением
способа введения порообразователя и увеличением его количества до 0,8
мас.%, а также при снижении температуры спекания с 1750-1765 оС до 1700-
1730 оС.
Одновременное использование этих двух подходов обеспечивает для
уран-гадолиниевых таблеток с 5 мас.% Gd2O3 значение плотности, близкое к
номинальному значению 10,45 г/см3, установленному в конструкторской
документации для новых проектов ВВЭР.
Масса столба таблеток длиной 1000 мм напрямую определяется
величиной плотности уран-гадолиниевых таблеток. Таким образом, влияние
изменения способа введения порообразователя и изменения температуры
спекания на данный параметр такое же, как и для плотности: снижается с
увеличением количества вводимого порообразователя и при снижении
температуры спекания;
При уменьшении температуры спекания с 1750-1765 оС до 1700-
1730 оС средняя по партии доспекаемость уран-гадолиниевых таблеток с 5
мас.%Gd2O3положительнаянауровне0,02-0,03%.Отдельные
отрицательные значения доспекаемости обнаружены на партиях таблеток с
температурой спекания 1730 оС при увеличении давлении прессования до
1,7тс/см2ивслучаяхдобавленияпорообразователятолькона
заключительном этапе приготовления пресспорошка.
При использовании режимов спекания при температуре 1700 оС, когда
в пресспорошок порообразователь добавляли на первом этапе при
приготовлении гранулята, а затем прессовали таблетки при давлении
1,5 тс/см2, уран-гадолиниевые таблетки имели стабильную положительную
доспекаемость на уровне 0,02-0,05 %.
Увеличение давления прессования с 1,5 тс/см2 до 1,7 тс/см2 приводит к
увеличению средней плотности для всех экспериментальных партий уран-
гадолиниевых таблеток, и к снижению доспекаемости на 0,01-0,02 %.
Полученные данные по параметрам микроструктуры и фазового
состава характерны для уран-гадолиниевых таблеток массового производства
с соответствующим номинальным содержанием оксида гадолиния 5 мас.% и
соответствуют требованиям конструкторской документации.
Проведенные исследования пористой структуры уран-гадолиниевых
таблетокэкспериментальныхпартийпоказали,чтостабильная
положительнаядоспекаемостьобеспечиваетсяприиспользовании
модернизированныхрежимоввведенияпорообразователя(половина
порообразователя (0,4 мас.%) вводится на первом этапе приготовления
пресспорошка в вибромельницу с остальными компонентами шихты, другая
половина порообразователя вводится на заключительном этапе – в смеситель
при введении пластификатора) и спекания (уменьшения температуры
спекания до 1700-1730 оС). В этих случаях плотность уран-гадолиниевых
таблеток находится в пределах 10,43-10,45 г/см3, а максимальное количество
пор приходится на диапазоны от 0,1 до 1,0 мкм и от 1,0 до 10,0 мкм.
Показано, что из-за образования твердого раствора замещения диоксид
урана – оксид гадолиния при спекании уран-гадолиниевых таблеток
происходит заметное снижение количества пор в диапазоне от 0,1 до 1,0 мкм
(в 8-9 раз меньше у уран-гадолиниевых таблеток с 5 мас.% Gd2O3, по
сравнению с таблетками из UO2), таблица 2. Таким образом, добавляя
порообразователь частично на первом этапе приготовления пресспорошка,
обеспечиваются требования новых проектов таблеток для ВВЭР по
плотностиимассестолбатаблетокссохранениемстабильной
положительной доспекаемости.
На рисунках 1-3 представлено изменение размеров пор после
проведения теста на доспекаемость наиболее характерных рассматриваемых
экспериментальных партий уран-гадолиниевых таблеток в сравнении с
таблетками штатной партии с 5 мас.% Gd2O3 (производство АО «МСЗ»). На
рисунке 2 представлена результаты по экспериментальной партии 2-1-2
(порообразователь 0,4 мас.% добавлен в шаровую вибромельницу на первой
стадии приготовления прессопорошка + 0,4 мас.% порообразователя
добавлено на последней стадии приготовления пресспорошка давления
прессования – 1,5/1,5 тс/см2, температура спекания – 1700˚С), имеющей
максимальноезначениедоспекаемости.Нарисунке3представлена
результаты по экспериментальной партии 2-1-2 (порообразователь 0,4 мас.%
добавлен в шаровую вибромельницу на первой стадии приготовления
прессопорошка + 0,4 мас.% порообразователя добавлено на последней стадии
приготовления пресспорошка давления прессования – 1,7/1,7 тс/см2,
температураспекания–1730˚С),имеющейминимальноезначение
доспекаемости.
Таблица 2 – Плотность, доспекаемость и концентрация пор уран-
гадолиниевых таблеток экспериментальных партий в сравнении с таблетками
из диоксида урана и штатной партии УГТ с 5 мас.% Gd2O3
№ партииUO2УГТ2-1-22-2-21-1-21-2-2 1-1-1 1-2-1 2-1-1 2-2-1
Плотность,10,5910,5110,4310,4410,4610,47 10,48 10,49 10,46 10,47
г/см3
Доспекаемость,0,20,030,040,030,030,030,020,020,010,01
%
Концентрация
пор, мм-2
– общая70459789084327868831478768604841885607478
– в диапазоне
0,1-1,0 мкм67340615166596386676365357172704069316123
– в диапазоне
1,0-10,0 мкм3046167917121412149312881383133015731299
– в диапазоне
10-100 мкм7360616985249485656
Рисунок 1 – Изменение концентрации пор после теста на доспекаемость,
уран-гадолиниевых таблеток с 5 мас.% Gd2O3 штатной партии
Рисунок 2 – Изменение концентрации пор после теста на доспекаемость, уран-
гадолиниевых таблеток с 5 мас.% Gd2O3 экспериментальной партии №2-1-2
Рисунок 3 – Изменение концентрации пор после теста на доспекаемость, уран-
гадолиниевых таблеток с 5 мас.% Gd2O3 экспериментальной партии №2-2-1
Данные,приведенныенарисунках1-3,экспериментально
подтверждают, что изменение концентрации пор в диапазоне их размеров от
0,1 до 1,0 мкм напрямую определяет доспекаемость уран-гадолиниевых
таблеток. Помимо этого, рисунки 1-3 графически подтверждают, что
положительную доспекаемость можно обеспечить путем модернизации
режима введения порообразователя и понижения температуры спекания.
Получена эмпирическая зависимость доспекаемости от концентрации
субмикронных пор (поры размером от 0,1 до 1,0 мкм). Данная зависимость
может быть использована для прогнозирования доспекаемости путем
контроляпараметровпористостиприизменениипараметров
технологических операций изготовления уран-гадолиниевых таблеток без
проведения прямого теста на доспекаемость.
Зависимость доспекаемости от концентрации пор приведена на рисунке
4 и может быть описать аппроксимирующей функцией вида
,(1)
гдеD/D – доспекаемость по диаметру, %;
N* – взвешенная концентрация пор по (2), мм-2.
Взвешеннаяконцентрацияопределяетсясуммойпроизведений
концентрации пор для каждой категории размеров на весовой коэффициент.
Весовыекоэффициентыустанавливаются,какзначенияфункции
нормальногораспределениясзаданнымисреднимидисперсией,
умноженными на квадрат диаметра пор в данной категории.
∑,(2)
()
,(3)
где: N* – взвешенная концентрация пор;
Ni – концентрация пор в i-категории;
ωi – весовой коэффициент для i-категории;
Di – эффективный диаметр пор в i-категории;
µ – математическое ожидание нормального распределения;
σ2 – дисперсия нормального распределения;
C – нормирующий коэффициент.
Рисунок 4 – Доспекаемость топливных таблеток в зависимости от
концентрации пор
Сделаныиапробированырекомендациипоизменению
технологического процесса изготовления уран-гадолиниевых таблеток с
5 мас.% оксида гадолиния.
Проведенные на АЭС «Темелин» визуальные инспекции, выполненные
персоналом АЭС, подтвердили отсутствие разновысотности твэлов и твэгов.
Тем самым, обоснована правильность подхода по изменению пористой
структуры топливных таблеток за счет увеличения количества пор в
диапазоне от 0,1 до 1,0 мкм путем модернизации способа введения
порообразователя. То есть, подтверждена правильность подхода управления
пористостьюдляобеспечениязаложенноговтехническомпроекте
формоизменения уран-гадолиниевых таблеток и твэгов.
Благодарность.
Автор выражает благодарность сотрудникам АО «ВНИИНМ» и АО
«МСЗ», принявшим участие в проведении экспериментальных работ и
предоставившимдляанализасвойствауран-гадолиниевыхтаблеток,
выпускающихсявдействующемпроизводстве.Кромеэтого,автор
благодарен специалистам в области производства и эксплуатации ядерного
топлива за позитивную критику, учтенную при написании работы.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Сохранение качества производимых уран-гадолиниевых таблеток в
условиях увеличения объёмов производства и обеспечения полного
выполнениятребованийтехническихпроектоврешаетсяпутем
регулированиямикроструктурытопливныхтаблеток,определяющей
плотность, термическую стабильность геометрических размеров и прочность
таблеток и выход газообразных продуктов деления.
2. Впервые разработана эмпирическая зависимость доспекаемости от
концентрации пор уран-гадолиниевых таблеток. Полученную зависимость
рекомендовано использовать для прогнозирования величины доспекаемости
путем контроля параметров пористости, включая субмикронную пористость,
в процессе изготовления уран-гадолиниевых таблеток.
3. Разработан способ регулирования субмикронной пористости уран-
гадолиниевыхтаблетокдляобеспечениястабильнойположительной
доспекаемости:
– изменение последовательности операций введения порообразователя:
добавление порообразователя в шаровую мельницу на первом этапе и
добавление на последнем этапе при смешивании с пластификатором (ранее
порообразователь вводился на последнем этапе);
– увеличение количества вводимого порообразователя с 0,4 мас.% до
0,8 мас.%;
– уменьшение температуры спекания с 1750-1765 оС до 1700-1730 оС.
4. Проведены исследования основных свойств уран-гадолиниевых
таблеток (плотность, доспекаемость, параметры микроструктуры) при
изменении технологических режимов их изготовления. Исследования
подтвердили правильность предлагаемых изменений операции введения
порообразователя при изготовлении уран-гадолиниевых таблеток для
управления их пористостью.
5. ПоизмененномутехнологическомупроцессувАО«МСЗ»
выпущены уран-гадолиниевые таблетки для твэгов проектов АЭС «Темелин»
mod.2 и ТВС-КВАДРАТ.
6. Тепловыделяющие сборки ТВСА-Т mod.2 с уран-гадолиниевыми
таблетками, изготовленные по измененному технологическому процессу,
успешно эксплуатируются с 2018 года на АЭС «Темелин».
Проведенные на АЭС «Темелин» визуальные инспекции, выполненные
персоналом АЭС, подтвердили отсутствие разновысотности твэлов и твэгов.
Тем самым, обоснована правильность подхода управления пористостью для
обеспечения заложенного в техническом проекте формоизменения уран-
гадолиниевых таблеток и твэгов.
Одним из современных решений обеспечения безопасности эксплуатации ядерного топлива ВВЭР является использование для регулирования реактивности интегрированного выгорающего поглотителя – оксида гадолиния [1,2]. В результате имеются тепловыделяющие элементы гадолиниевые (твэг), не занимающие полезное место в составе тепловыделяющей сборки (ТВС).
В действующем промышленном производстве уран-гадолиниевых таблеток типа ВВЭР оксид гадолиния вводят в количестве от 3,35 мас.% до 8 мас.%. Введение оксида гадолиния в диоксид урана приводит к отличию в свойствах между урановыми и уран-гадолиниевыми таблетками и, как следствие, к отличию в поведении твэлов и твэгов во время эксплуатации. Так, уран-гадолиниевые таблетки имеют низкую термическую стабильность геометрических размеров (доспекаемость) 0,1 % и менее, в то время как урановые таблетки имеют доспекаемость на уровне 0,1-0,2 %. При увеличении содержания оксида гадолиния до 5 мас.% и выше доспекаемость уран- гадолиниевых таблеток становится нулевой. Низкая доспекаемость приводит распуханию уран-гадолиниевых таблеток и контакту с оболочкой уже в первый год облучения. Взаимодействие топливо-оболочка считается ответственным за более быстрый рост твэгов на первом и втором году эксплуатации ТВС [3]. Стоит также не забывать, что внесение в матрицу диоксида урана заметно отличающегося от него по свойствам оксида гадолиния приводит к снижению прочностных характеристик и уменьшению теплопроводности таблеток [4-7]. Снижение прочности таблетки приводит к увеличению возможности появления сколов и увеличения их размеров, что при снижении теплопроводности приводит к увеличению напряжений в оболочке в месте скола и разгерметизации твэга [8,9].
В настоящее время при реализации новых технических проектов на ядерное топливо ужесточаются требования и к топливным таблеткам. Ужесточение требований направлено на достижение высоких эксплуатационных показателей, в частности, на снижение напряжений в оболочке твэга при эксплуатации за счет минимизации количества сколов и их размеров при обеспечении ненулевой доспекаемости.
Также необходимо учитывать, что с момента промышленного внедрения технологии изготовления уран-гадолиниевого топлива объёмы его производства возросли в 8-10 раз. Это накладывает необходимость сохранения заданных в техническом проекте характеристик топлива и воспроизводимости свойств топлива от партии к партии.
К моменту проведения начала работ по тематике диссертации данная проблема была решена только для уран-гадолиниевых таблеток с содержанием оксида гадолиния не более 3,35 мас.%. Таблетки с 5 мас.% и 8 мас.% от партии к партии могли отличаться по свойствам и, соответственно, по разному вести себя при эксплуатации.
Возможным путем решения указанных выше проблем и обеспечения требуемых характеристик топлива может быть регулирование пористой микроструктуры топливных таблеток за счет изменения технологических операций изготовления таблеток. Перспективным методом регулирования пористости топливных таблеток является изменение способа введения порообразователя при одновременном снижении температуры спекания. Достоинством такого подхода является то, что не добавляются дополнительные операции, и в результате не происходит снижения производительности процесса изготовления топливных таблеток. Также достоинством регулирования микроструктуры таблеток является возможность определения доспекаемости уран-гадолиниевых таблеток по величине пористости за счет анализа накопленного массива данных по параметрам микроструктуры и доспекаемости. Определенная на основе анализа зависимость между параметрами пористости и доспекаемости в перспективе позволит сократить или перевести в разряд периодических длительный и дорогостоящий тест на определение доспекаемости таблеток. Для реализации подхода прогнозирования величины доспекаемости от количества пористости необходимо иметь корректный инструмент (методику) измерения параметров микроструктуры топливных таблеток. На сегодняшний день при штатном контроле параметров микроструктуры таблеток используется методика, основанная на оптической микроскопии [10]. Но из-за большой погрешности измерений по данной методике [10] параметров микроструктуры менее 1 мкм было предложено комбинирование оптической и электронной микроскопии, что позволяет определять параметры пористой структуры от нанометров до микрон [11,12]. В результате разработана методика [13] и программное обеспечение [14], позволяющие полностью описывать распределение пор по размерам. Достоинством этой методики [13] является возможность использования образцы, используемые при штатном контроле микроструктуры без дополнительной обработки. Несмотря на то, что вновь разработанная методика [13] требует более высокой квалификации исследователя, результаты измерений дают возможность определить связь доспекаемости и параметров пористости [15], что особенно важно при проведении расчетов по обоснованию безопасности эксплуатации твэлов и твэгов. Также разработанные подходы для комплексной оценки параметров пористой структуры позволяют проводить их оценку и для других видов топлива, например, уран-молибденового топлива, полученного методами порошковой металлургии [16].
Цель диссертационной работы
Разработка способа изменения пористой структуры изменения уран- гадолиниевых таблеток для обеспечения стабильной положительной доспекаемости при сохранении остальных параметров таблеток в соответствии с требованиями технического проекта. Для достижения этой цели решены следующие задачи:
-предложены и оценены пути изменения пористой структуры уран- гадолиниевых таблеток для обеспечения требований технического проекта;
– рассмотрены и модернизированы методики контроля параметров уран- гадолинивых таблеток для повышения достоверности контроля структуры таблеток;
– проведены исследования физико-химических свойств и микроструктуры таблеток для подтверждения правильности выбранных параметров структуры уран-гадолиниевых таблеток;
– предложена зависимость доспекаемости от параметров пористой микроструктуры уран-гадолиниевых таблеток.
Научная новизна результатов работы
– установлено, что регулирование пористой микроструктуры уран- гадолиниевых таблеток в диапазоне от 0,1 до 1,0 мкм позволяет регулировать термическую стабильность геометрических размеров (доспекаемость);
– разработан способ регулирования пористой микроструктуры уран- гадолиниевых таблеток;
– разработана эмпирическая зависимость доспекаемости от концентрации пор для прогнозирования величины доспекаемости уран-гадолиниевых таблеток.
Практическая значимость
– совместно со специалистами АО «ВНИИНМ» и ПАО «МСЗ» внедрены в технологический процесс изготовления уран-гадолиниевых таблеток разработанные в ходе выполнения диссертационной работы рекомендации по способу регулирования пористой структуры;
– разработанный способ регулирования пористой структуры уран- гадолиниевых таблеток использован при реализации проектов топлива для твэгов АЭС «Темелин» mod.2 и твэгов ТВС-КВАДРАТ.
– разработанная эмпирическая зависимость доспекаемости от концентрации пор позволяет прогнозировать изменение и величину доспекаемости уран-гадолиниевых таблеток при изменении параметров технологических операций изготовления уран-гадолиниевых таблеток без
проведения длительного (примерно 40 часов) прямого теста на доспекаемость за счет результатов контроля параметров микроструктуры (4-6 часов).
Основные положения, выносимые на защиту
– способ изменения пористой структуры уран-гадолиниевых таблеток для обеспечения стабильной положительной доспекаемости;
– результаты исследования основных свойств уран-гадолиниевых таблеток при изменении технологических режимов их изготовления;
– результаты промышленной эксплуатации уран-гадолиниевых таблеток на коммерческой АЭС «Темелин»;
-эмпирическая зависимость доспекаемости от концентрации пор для прогнозирования доспекаемости путем контроля только параметров пористости при изменении параметров технологических операций изготовления уран- гадолиниевых таблеток.
Личный вклад автора
– определение способа изменения пористой структуры уран- гадолиниевых таблеток для используемого в промышленном производстве оборудования без снижения производительности;
– разработка программы экспериментов по исследованию влияния изменения технологических режимов изготовления на основные свойства уран- гадолиниевых таблеток;
-анализ экспериментальных данных, включая обработку изображений микроструктуры топливных таблеток с помощью специализированного программного обеспечения;
– разработка рекомендаций и внедрение в промышленное производство способа изменения пористой структуры уран-гадолиниевых таблеток;
– анализ результатов планово-предупредительных работ при промышленной эксплуатации уран-гадолиниевых таблеток на коммерческой АЭС «Темелин»;
– разработка эмпирической зависимости доспекаемости от концентрации пор;
-на основе проведенных аналитических работ выпущено учебное пособие по технологии изготовления ядерного топлива на основе диоксида урана [17].
Достоверность
Достоверность представленных в работе результатов подтверждается:
– внедрением результатов диссертационной работы по способу регулирования пористой структуры в технологический процесс изготовления уран-гадолиниевых таблеток;
– изготовлением по измененному технологическому процессу топливных уран-гадолиниевых таблеток проектов АЭС «Темелин» mod.2 и ТВС- КВАДРАТ;
– результатами промышленной эксплуатации уран-гадолиниевых таблеток на коммерческой АЭС «Темелин»: отсутствием разновысотности твэлов и твэгов, а также непроектным искривлением твэгов после первых двух лет эксплуатации.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих российских и международных научно-технических конференциях и семинарах:
– научно-техническая конференция АО «ТВЭЛ» «Ядерное топливо нового поколения для АЭС», Сочи, «ОЗК Дагомыс», 09-10.10.2018 (2 доклада);
– всероссийская научно-техническая конференция «Материалы ядерной техники» МАЯТ-2019», 8 октября 2019, г.Москва, АО «ВНИИНМ»;
– научно-технический семинар по ядерному топливу «Эксплуатация российского топлива на АЭС ВВЭР: опыт, анализ, перспективы», г. Прага, Чехия, 10.09.2018 – 14.09.2018;
– IAEA Technical Meeting on Light Water Reactor Fuel Enrichment beyond the 5% Limit: Perspectives and Challenges. AZIMUT Hotel Olympic Moscow, Russian Federation, 27-30 августа 2018;
– TopFuel 2021, Spain, Santander, 2021; – Международный семинар по вопросам, связанным с проектированием, производством и эксплуатацией ядерного топлива для ВВЭР-1000, 12- 18.09.2021, г. Несебр, Болгария.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 2 статьи [15,16] в реферируемых научных журналах из перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, трех глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 135 страницах, содержит 69 рисунков, 15 таблиц и список цитируемой литературы из 133 наименований.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (522 отзыва)
4.8 (17 отзывов)
4 (15 отзывов)
4.5 (80 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
5 (8 отзывов)
5 (49 отзывов)
4.4 (59 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
