Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов - Обжатие порошкообразного топлива в оболочке давлением газа

Метод обжатия давлением газа при повышенной температуре широко применяется для соединения топливного сердечника с оболочкой: металла или сплава с металлом или сплавом, металла или сплава с керамикой, дисперсией и различными по составу сердечниками.
Давление газа, различное для разных материалов, обеспечивает плотный контакт между деталями, что необходимо для облегчения диффузии в твердой фазе. На механизм процесса сцепления топливного сердечника с оболочкой могут оказать влияние температура при обжатии, время обжатия, размеры и рост зерен, примеси и чистота поверхностей.
Для предотвращения взаимодействия металлического сердечника с оболочкой при повышенной температуре во время процесса обжатия применяют промежуточные слои из различных материалов: графита, меди, железа, ниобия, олова, титана, никеля и др.
Особое значение этот метод находит при соединении металлической оболочки с сердечником из хрупких керамических материалов, таких как UO2, UO3, UAU, UC и других соединений.
Газовое обжатие твэла с сердечником из двуокиси урана и оболочкой из нержавеющей стали глубоко исследовалось, и в этом направлении достигнуты определенные результаты. Обжатие обычно проводят при температуре 1150— 1260 °С.
Газовое обжатие пластинчатого твэла с сердечником из двуокиси урана и оболочкой из циркалоя осуществляют методом «рамочной» технологии. Изготовление таких твэлов каким-либо другим методом представляется весьма затруднительным. Пластины из циркалоя и двуокиси урана соединяли под вакуумом и заваривали на электронно-лучевой сварочной установке. Газовое обжатие проводили при температуре 845 °С в течение 4 ч и давлении 70 МПа. Готовые твэлы шлифовали карбидом кремния (окись алюминия не рекомендуется применять, так как она реагирует с цирконием); в качестве охлаждающей жидкости рекомендуют использовать масло, а не воду, шлифование проводят при малых скоростях—11,2—14,1 м/с. Двуокись урана реагирует с цирконием при температуре 680 °С и выше, что отрицательно влияет на коррозионную и радиационную стойкость. Поэтому двуокись урана необходимо покрывать РуС (толщина слоя 15—40 мкм) или хромом (толщина слоя 4—25 мкм). Хром образует эвтектику с цирконием при температуре 835 °С. Детали из циркалоя часто покрывают никелем, после чего герметизируют и подвергают обжатию давлением газа (гелием) при температуре 810 °С в течение 4 ч и давлении газа 70 МПа. После этой операции выдерживают при температуре 1010 °С (выше температуры образования эвтектики Ni — Zr) в течение 5 мин и быстро охлаждают. Такая термообработка обеспечивает переход циркония в Р-фазу, что улучшает сцепление.
Методом газового обжатия изготовляют твэлы с сердечником из урана и его сплавов в алюминиевой, магниевой и других оболочках. Обычно перед обжатием для создания диффузионного барьера сердечник покрывают никелем, кремнием или другими материалами, образующими диффузионный слой. Температура при обжатии поддерживается равной 520—570 °С, давление 20—70 МПа.
Метод газового обжатия был применен и для изготовления сложного твэла с дисперсионным сердечником с многочисленными отверстиями с топливом двуокись урана — нержавеющая сталь. Сердечник в виде сот изготовляли отдельно из порошков прессованием и спеканием. В отверстия сот вставляли трубки для теплоносителя из нержавеющей стали; всю сборку с трубками в отверстиях заключали в многогранную трубу из нержавеющей стали. Предварительно все соприкасающиеся поверхности оболочек и поверхности сотового сердечника покрывали никелем, затем проводили герметизацию сваркой, опрессовывали под давлением 70—140 МПа и выдерживали при температуре 1120°С. Вся поверхность сотового сердечника из топлива двуокись урана — нержавеющая сталь прочно сцеплялась через никель с трубами из нержавеющей стали.
При газовом обжатии карбида урана в оболочке из нержавеющей стали с прослойкой в виде тонкой медной фольги при высокой температуре происходит соединение с медной фольгой без расплавления. Получается хорошее сцепление, которое не растрескивается при охлаждении и термоциклировании.
Получают также хорошее сцепление урана с оболочкой из тугоплавких металлов, у которых коэффициент термического расширения ниже, чем у аустенитной нержавеющей стали.
Сцепление карбида урана с оболочкой из ферритной стали методом газового обжатия при температуре выше температуры плавления фольги получается очень хорошим, причем без повреждения после охлаждения и гермоциклирования. Следовательно, подбор материалов с близкими коэффициентами термического расширения имеет существенное значение для качества соединения.
В качестве соединительного металла, образующего с циркалоем эвтектику, исследовали медь, никель, железо. На основании тщательного изучения установлено, что лучшим сцепляющим элементом является медь. Толщина прослойки меди выбрана 0,003 мм. Температура нагрева в гелии составляла 10³8 °С в течение 30 мин, качество сцепления высокое.
Для одного и того же процесса при использовании одинаковых материалов (сердечник из двуокиси урана, оболочка из циркалоя) различные исследователи предлагают различные соединительные металлы. Вероятно, этот метод еще недостаточно изучен и требует тщательных дополнительных исследований.