Технические науки /1. Металлургия

к.т.н. Кокаева Г.А., магистрант Карачанский А.Е., ведущий инженер исследователь Кириллов Е.В., доктор PhD Әділқанова М.Ә.

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д. Серикбаева, АО «УМЗ», Казахстан

Исследование и обоснование технологического регламента, обеспечивающего эффективность смешения порошков оксидов урана

Неуклонный рост производства и все возрастающих потребностей общества неизбежно приводит к вовлечению в сферу использования все большего количества энергоресурсов. Основным источником энергии в настоящее время является органическое топливо: каменный уголь, нефть, горючий газ. Однако запасы указанных источников энергии ограничены, и всё большее число развитых стран начинают зависеть от импорта энергоресурсов. Решение этой проблемы заключается в изыскании и освоении новых высокоэффективных методов получения электроэнергии за счет использования других источников энергии. Таким источником является атомная энергия.

Основу атомной энергетики составляют атомные электростанции (АЭС). В настоящее время в мире 197 АЭС обеспечивают производство 16 % электроэнергии, потребляемой (86 %) преимущественно в промышленно развитых странах. Особенностями современного состояния мировой ядерной энергетики являются стабилизация производства электроэнергии на АЭС и практически постоянное потребление урана (около 35 тыс. т урана).

Казахстан обладает громадными запасами природного урана. По последним данным, опубликованным Лондонским Урановым институтом, запасы природного урана в Казахстане составляют четверть мировых запасов. Благодаря запасам урана, Казахстан имеет неплохие перспективы по развитию атомной промышленности, энергетики и вхождению в рынок урана.

В настоящее время наблюдается ужесточение требований, предъявляемых к конструкциям ядерных энергетических установок, конструкциям твэлов и качеству ядерного топлива. Так, российскими потребителями топлива был определен ряд перспективных требований к качеству топлива, важнейшими из которых следует считать требования к размеру зерна (20-25 мкм), к термической стабильности (0,1-0,3 %) и величине объемной доли открытых пор в таблетках (< 1 %). В настоящее время в АО «УМЗ» все эти требования к топливным таблеткам достигнуты. Однако отдельные иностранные потребители выставляют несколько иные требования, как к таблеткам, так и к порошкам диоксида урана, из которых они в дальнейшем производятся. Так, например, иностранные компании выставляют более жесткие требования к таким характеристикам исходных порошков диоксида урана, как гранулометрический состав, насыпная плотность, спекаемость и химические примеси. К топливным таблеткам также предъявляются определенные требования по: форме и геометрическим размерам таблеток, отсутствию дефектов внешнего вида, плотности, объемной доле открытых пор, гомогенности пористой и зеренной микроструктуры таблеток, термической стабильности при высоких температурах, химическим примесям. Некоторые требования к характеристикам порошков и топливных таблеток сегодня представляют определенную проблему для АО «УМЗ», в силу того, что используемая технологическая схема получения пресс-порошков и задействованное оборудование не рассчитаны на выполнение таких требований.

Поэтому в настоящее время часть исследовательских работ направлена на оптимизацию технологического процесса предварительной обработки исходных порошков, гранулирования измельченных порошков и подготовки пресс-порошков, пригодных для изготовления таблеток по спецификациям потребителей.

В настоящее время технологическая схема смешения порошков оксидов урана в барабанном смесителе имеет ряд недостатков, такие как явление сегрегации, неоднородность партий порошков после операции смешения и узкий диапазон масс смешиваемых партий порошков.

Указанные недостатки снижают стабильность технологического процесса получения и качества топливных таблеток, что, снижает конкурентоспособность выпускаемой продукции. По этой причине являются важными исследовательские работы по внедрению в технологию более эффективного смесительного оборудования.

Схема барабанного смесителя, используемая в настоящее время на урановом производстве, представляет собой горизонтально расположенный цилиндрический барабан с цапфами на торцах. При вращении барабана находящиеся в нем порошки оксидов урана пересыпаются и благодаря относительному смещению слоев перемешивается в вертикальной плоскости. Продолжительность смешения составляет 2,5 часа.

Недостатками данной технологии являются:

- явление сегрегации (расслоение перемешиваемого материала по крупности либо по удельному весу частиц);

- неоднородность порошков партий диоксида урана;

- узкий диапазон масс смешиваемых порошков оксидов урана;

- низкая однородность смешиваемых порошков оксидов урана за длительный интервал времени с высоким потреблением энергии;

- большие остатки продуктов в смесительном сосуде в связи с особенностями конструкции барабанного смесителя.

Поэтому исследователями было предложено производить смешение порошков в планетарно-шнекового смесителя с продолжительностью 30 минут.

Принцип работы планетарно-шнекового смесителя основан на трёхстороннем смешивающем действии, которое является результатом совместного движения вращающихся элементов в коническом смесительном сосуде.

Смесительный шнек, вращающийся вокруг вала, перемещает продукт из нижней и боковых частей камеры к поверхности.

Вращающийся рычаг с планетарным движением одновременно двигает вращающийся смесительный шнек вдоль внутренней стенки смесительного сосуда и вызывает таким образом конвективное перемешивание частиц внутри смесительного сосуда.

Благодаря конической форме скорость частиц порошка в нисходящем потоке массы при рециркуляции под действием гравитации увеличивается по мере уменьшения диаметра камеры.

Результатом одновременных действий оборудования является быстрое и интенсивное перемешивание с низким потреблением энергии и высокой однородностью смешивания.

С целью оценки однородности смешивания порошков оксидов урана были проведены следующие работы в планетарно-шнековом смесителе:

- в соответствии с технологическим регламентом комплектования партий порошков оксидов урана скомплектовали две партии порошков (смесь порошков UO₂ и U₃O₈), соответствующих требованиям ведомостей операций контроля;

- для сравнительной оценки гомогенности партий порошков оксидов урана комплектация партий проводилась с максимальной загрузкой планетарно-шнекового смесителя 2850 кг (партия №1) и с минимальной загрузкой планетарно-шнекового смесителя 500 кг (партия №2);

В соответствии с технологическим регламентом провели гомогенизацию скомплектованных партий порошков в планетарно-шнековом смесителе при определенной частоте вращения рычага планетарного движения и частоте вращения смесительного шнека. Каждую партию порошка усредняли в две стадии по следующему режиму:

1 стадия: от скомплектованной партии порошка в смеситель загружали примерно 1/2 массы порошка диоксида урана и расчетную массу порошка закиси-окиси урана, проводили усреднение;

2 стадия: после окончания первой стадии в смеситель загружали остаток порошка диоксида урана и проводили усреднение. Общая продолжительность усреднения по двум стадиям составила 0,5 ч.

Проверка на однородность смешения исходных порошков оксидов урана для максимальной и минимальной партии проводилась методом двухфакторного дисперсионного анализа (по критерию Фишера) для каждого параметра.

По окончанию операции смешения порошков щупом отбирали из каждого контейнера партий (максимальной и минимальной) по 15 точечных проб порошка оксидов урана массой не менее 30 г каждая, (по пять проб из каждого слоя (верх, середина, низ) вдоль любого, случайно выбранного вертикального направления каждого контейнера).

Контроль на однородность проводили по следующим параметрам:

- кислородный коэффициент (О/U);

- массовая доля урана;

- удельная поверхность.

Статистическую оценку однородности контролируемых показателей проводили по следующим критериям:

– внутри каждого контейнера не должно быть статистически значимых различий между средними значениями каждого слоя порошка (верхним, средним и нижним) с доверительным интервалом 95 %;

– между всеми контейнерами партии порошка не должно быть статистически значимых различий между средними значениями каждого контейнера с доверительным интервалом 95 %.

Результаты проведенных ранее исследований позволили выявить, что использование планетарно-шнекового смесителя обеспечивает высокую однородность смешения:

- при максимальной загрузке смесителя (2450 кг) по показателям: массовая доля урана, кислородный коэффициент, удельная поверхность.

- при минимальной загрузке смесителя (500 кг) по показателям: массовая доля урана, кислородный коэффициент, удельная поверхность.

Также получаемый порошок по технологии с использованием планетарно-шнекового смесителя обеспечивает однородность смешения значительно лучше по сравнению с порошками, полученными по штатной технологии.