Перспективы ХМЗ ОАО «СХК - Сибирский Химический Комбинат

ПЕРСПЕКТИВЫ ХМЗ ОАО «СХК» НА РЫНКЕ ТОПЛИВА
ДЛЯ БЫСТРЫХ РЕАКТОРОВ
Нестеров В.О., Абрамов О.Ю., Житков С.А., Карташов Е.Ю., Кочетов В.Г.,
Кузнецов М.В., Скрипников В.В.
ОАО «Сибирский химический комбинат», г. Северск
E-mail: shk@seversk.tomsknet.ru
Перспективным направлением в развитии ядерной энергетики, как в России, так и в мире,
является использование реакторов на быстрых нейтронах, с загрузкой активной зоны нитридным
топливом, работающих в пристанционном замкнутом ядерно-топливном цикле.
Для внедрения данного вида реакторов необходимы комплексные исследовательские
работы, одной из составляющей которых является исследование нейтронного потока от таблеток
из нитрида природного или обедненного урана на большом физическом стенде (БФС) в ГНЦ РФ
«ФЭИ».
В настоящее время на Химико-металлургическом заводе ОАО «СХК» проводятся
исследования, направленные на разработку технологии изготовления таблеток из нитрида
обедненного урана. В качестве исходной схемы выбран процесс синтеза нитрида урана из металла.
Данная схема включает в себя следующие основные технологические операции:
- гидрирование металлического урана;
- синтез нитрида урана;
- классификация нитрида урана по крупности;
- смешение со связующим;
- прессование;
- спекание;
- герметизация в защитные оболочки.
На первом этапе синтеза нитрида урана металлический уран переводится в
порошкообразную форму посредством гидрирования водородом. Типичный график изменения
давления водорода при гидрировании урана представлен на рисунке 1.
А – нагрев; Б – индукционный период; В – гидрирование;
1 – давление; 2 – температура
Рисунок 1 – График изменения давления водорода при гидрировании
Начальная стадия гидрирования сопровождается индукционным периодом, длительность
которого главным образом определяется температурой процесса, давлением и чистотой водорода,
а также чистотой поверхности исходного металла.
урана.
Продуктом гидрирования является очень активный мелкодисперсный порошок гидрида
Синтез нитрида урана происходит при нагреве гидрида урана в среде азота. Трудность
ведения процесса нитрирования заключается в отсутствии изменения технологических
параметров, по которым можно судить об окончании реакции. Так давление в реакторе не
претерпевает существенных изменений за счет того, что поглощение азота сопровождается
выделением водорода. Нитрид урана, полученный описанным способом, представляет собой
мелкодисперсный порошок. Порошок нитрида урана обладает пирофорными свойствами и
склонен к самопроизвольному возгоранию на воздухе, поэтому дальнейшие операции с ним
необходимо проводить в осушенной инертной атмосфере.
С целью вторичного использования водорода для гидрирования, экспериментально
исследовали процесс дегидрирования гидрида урана при повышенной температуре, с
последующим нитрированием полученного мелкодисперсного металлического урана. График
изменения давления при дегидрировании представлен на рисунке 2.
1 – давление; 2 – температура
Рисунок 2 – График изменения давления при дегидрировании гидрида урана
В процессе нагрева дегидрированного урана в среде азота происходит его нитрирование,
график изменения температуры и давления представлен на рисунке 3.
Положительным моментом в нитрировании металлического урана является возможность
судить об окончании процесса по изменению давления в реакторе. Нитрид урана, полученный
азотированием дегидрида урана, представлял собой спеченную массу, что требует введение
дополнительной операции по его измельчению или проведение дополнительных исследований,
направленных на снижение скорости реакции.
1 – давление; 2 – температура
Рисунок 3 – График изменения давления азота и температуры при
нитрировании урана
Продуктом синтеза по двум исследованным схемам является полуторный нитрид UN1,5,
который разлагается в вакууме при повышенных температурах до мононитрида урана.
Следующим этапом изготовления таблеток является смешение полученного нитрида урана
со связующим. Подготовленный таким образом пресс-порошок подвергается прессованию и
последующему спеканию.
Полученная таблетка герметизируется в оболочку при помощи аргонно-дуговой сварки.
Для реализации рассмотренной технологии в Опытно-технологической лаборатории ХМЗ
ОАО «СХК» разработана схема размещения производственного комплекса, с учетом
использования имеющегося оборудования.
После изготовления таблеток из нитрида урана для БФС, высвободившуюся
технологическую линию можно использовать для изготовления смешанного мононитридного
уран-плутониевого топлива.
Предварительные исследования, проведенные в Опытно-технологической лаборатории
ХМЗ ОАО «СХК», дали положительные результаты о возможности синтеза мононитрида урана.
Целесообразность размещения установки по изготовлению таблеток для БФС на ХМЗ ОАО
«СХК» определяется полувековым опытом работы с радиационно-опасными и делящимися
материалами. На ОАО «СХК» имеется вся необходимая инфраструктура по обращению и
утилизации всех видов радиоактивных отходов. Размещение данной установки является
перспективным решением, которое позволит использовать ее для производства смешанного
нитридного уран-плутониевого топлива для лицензирования и первых загрузок реакторов на
быстрых нейтронах. Развитие топливного направления на ХМЗ ОАО «СХК» становится особо
актуальным в связи с вхождением ОАО «СХК» в структуру ОАО «ТВЭЛ».
Список литературы
1 Копырин А.А. и др. Технология производства и радиохимической переработки ядерного
топлива: Учеб. пособие для вузов / А.И. Карелин, В.А. Карелин. – М.: ЗАО «Издательство
Атомэнергоиздат», 2006. – 576 с.
2 Сокурский Ю.Н. и др. Уран и его сплавы / Я.М. Стерлин, В.А. Федорченко. – М.:
Атомиздат, 1971. – 448 с.