В системе UO2-PuO2 имеется большая область твердых растворов при содержании PuO2, по крайней мере, до 30 %. Требуемое же содержание плутония в топливе для тепловых реакторов составляет 4-10 %, чаще всего около 5 %. Поэтому получить гомогенизированное топливо со столь небольшим содержанием плутония, что требуется и для более успешной эксплуатации твэлов, и для обеспечения его хорошей растворимости в азотной кислоте, не представляется трудной задачей. Она может быть решена несколькими методами. Некоторые из них аналогичны для твэлов реакторов на быстрых нейтронах с некоторым отличием, обусловленным различным содержанием плутония в топливе.
Заманчивым представляется метод механического смешения порошков оксидов урана и плутония с учетом того, что накапливающийся плутоний хранится в виде оксида. Такой метод был разработан и успешно использовался. Обращает на себя внимание то, что в приведенной технологической схеме отсутствует операция шлифования таблеток. Трудно представить, чтобы без шлифования можно удовлетворить современные жесткие требования к диаметру таблеток. Перед смешением порошки оксидов подвергают предварительной обработке с целью корректировки таких параметров, как удельная поверхность, размер и форма частиц, которые оказывают наибольшее влияние на стабильность и спекаемость порошков.
Порошок диоксида урана
Если порошки UO2 обладают хорошей текучестью, как например, порошки, полученные по АУК-процессу, то и смесь UO2 — 5 % PuO2 сохраняет это свойство, что позволяет исключить промежуточные стадии предварительного прессования и размола смеси порошков. Такой процесс был разработан фирмой ALKEM (Германия). Это топливо показало и отличные эксплуатационные характеристики. Однако вскоре был обнаружен существенный недостаток этого метода, заключающийся в том, что при растворении в азотной кислоте такого топлива после его облучения заметная часть плутония остается нерастворенной. Это затрудняет реализацию замкнутого топливного цикла. Еще хуже растворяется необлученное топливо.
Поэтому фирма ALKEM и Belgonucleaire (BN, Бельгия) разработали сходные между собой процессы: ОКОМ (Optimierte Komahler-fahren) — Германия и MIMAS (Micronized Master Blend Process) -Бельгия, обеспечивающие практически полное растворение топлива в азотной кислоте. Основным отличием этих процессов от описанного выше является введение операции размола порошков при их смешении, что обеспечивает получение тонкодисперсного порошка, хорошо усредненного по составу. Таким образом готовят основную смесь с высоким содержанием плутония (около 30 %). Эту смесь затем направляют на смешивание с необходимым количеством порошка UO2, чтобы получить топливо с заданным содержанием плутония. Исследования фирмы BN показали, что этот процесс обеспечивает равномерное распределение плутония в топливе и достаточно высокую текучесть порошка (U, Pu)O2 для прямого прессования его в таблетки, минуя стадии предварительного прессования и грануляции. Этот процесс внедрен на заводе в Десселе. Растворимость изготовленного таким образом топлива составляет более 99 %.
Из химических методов получения порошков (U, Pu)O2, отвечающих требованиям гомогенного распределения плутония и полной растворимости в азотной кислоте, наибольшее распространение получили процессы химического соосаждения. Так, фирма ALKEM разработала AU/PuC-процесс (модификацию АУК-процесса получения порошка UO2 применительно к уран-плуто-ниевому топливу), основанный на осаждении из нитратных растворов уранилплутонилкарбоната аммония. После отделения этого промежуточного соединения от раствора, промывки и восстановления в азото-водородной смеси (при содержании водорода около 3 %) при температуре 600-650 °С получают порошки (U, Pu)O2 с хорошей текучестью. Форма частиц в виде кристаллов приводит к образованию относительно небольшого количества пыли. Растворимость такого топлива в азотной кислоте очень высока и составляет 99,6-99,9 %.
Этим способом, как и описанным выше, получают своего рода лигатуру — порошок (U, Pu)O2 с содержанием PuO2 около 40 %. Затем этот порошок смешивают с необходимым количеством порошка UO2, получаемого также по карбонатной технологии. Поскольку физические свойства этих порошков близки, трудностей в процессе смешивания их не возникает. Хорошая текучесть смеси порошков позволяет прессовать их без предварительных операций прессования шашек, размола и грануляции, что упрощает и удешевляет изготовление таблеток.
В США фирма Kerr-Mc-Gee разработала процесс соосаждения урана и плутония из нитратных растворов аммиаком. Аммонийную соль после фильтрации и сушки разлагают в восстановительной атмосфере (N2 + 8 % H2) при 750-850 °С и получают порошки (U, Pu)O2 с содержанием PuO2 до 35 %. Дальнейшие операции с этими порошками аналогичны описанным выше.
Во Франции фирма Comurhex разработала Nitrox-nponecc приготовления UO2— и (U, Pu)O2-топлива из нитратных растворов после переработки облученного топлива методом термической денитрации. На операциях дегидратации и денитрации температуру, время нагрева и давление в аппарате регулируют таким образом, чтобы не допустить расплавления нитрата. Этот процесс позволяет получать порошки топлива с широким диапазоном характеристик. Программа разработки этого процесса предусматривает его промышленное использование.
В Японии корпорация PNC (Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corporation) разработала процесс получения порошков (U, Pu)O2 прямой денитрацией смеси нитратных растворов урана и плутония микроволновым нагревом (токами СВЧ). Процесс отличается простотой и стабильностью, небольшими объемами жидких отходов, высоким качеством получаемых порошков и их хорошей растворимостью. Процесс позволяет получать порошки с содержанием PuO2 от 0 до 100 %.
Исследовалась также возможность и целесообразность использования микросферического уран-плутониевого топлива или непосредственно для изготовления виброуплотненных твэлов, или для изготовления из них таблеток для твэлов легководных реакторов (по аналогии с работами, проводившимися для реакторов на быстрых нейтронах). Заманчивым представлялось использовать преимущества микросфер перед порошками: более удобная форма для обращения с топливом на всех стадиях технологического процесса, существенно меньшее пылеобразование, что обеспечивает более безопасную работу операторов; микросферы также хорошо растворяются в азотной кислоте, поскольку они получаются соосаждением урана и плутония. Но в отличие от предыдущих процессов микросферы необходимо получать сразу с заданным содержанием плутония, поскольку усреднить должным образом высокообогащенные плутонием микросферы с урановыми микросферами не представляется возможным. Для получения микросфер используют в основном золь-гель-процесс с его разновидностями внутреннего и наружного гелеобразования. Это направление исследований смешанного топлива для тепловых реакторов заметного развития пока не получило.
Технология изготовления таблеток из порошков, содержащих около 5 % PuO2, аналогична той, которая применяется и для уранового топлива. Так же в зависимости от технологии получения порошков может вводиться или исключаться операция подготовки пресспорошка, на чем мы кратко уже останавливались, характеризуя различные методы получения смешанных оксидов. Есть, однако, принципиальное отличие в организации самого производства топлива, содержащего плутоний, особенно если учесть сложный изотопный состав используемого плутония. Для создания нормальной радиационной обстановки в производственных помещениях все оборудование необходимо размещать в надежно герметичных камерах, а весь процесс должен быть в максимальной степени механизирован и автоматизирован, включая и контроль.
Все это приводит к удорожанию изготовления ТВС в 4-5 раз по сравнению с урановым топливом. При этом затраты на производство (U, Pu)O2-топлива составляют 32-36 % затрат на топливный цикл, а для уранового 7-9 %. Проведенные оценки показывают, что с увеличением масштаба производства разница в стоимости изготовления ТВС из смешанного и уранового топлива может быть существенно уменьшена. Так, ожидается, что с вводом в эксплуатацию более крупного завода MELOX, Франция, стоимость смешанного топлива будет превышать стоимость уранового только в три раза. Фирма ALKEM планирует увеличить мощность завода в Вольфганг-Ханау до 40 т/год, что позволит ей выпускать уран-плутониевое топливо конкурентоспособное по стоимости с урановым топливом.
Современные ёмкости для хранения различных технических жидкостей. Еврокубы в Москве можно заказать перейдя по ссылке.