РАДИОХИМИЯ, 2023, том 65, № 3, с. 203-213

УДК 621.039.542.3

РЕЗУЛЬТАТЫ НИОКР ПО СОЗДАНИЮ

ТЕХНОЛОГИИ И ИЗГОТОВЛЕНИЮ НА ФГУП «ГХК»

ТАБЛЕТИРОВАННОГО РЕМИКС-ТОПЛИВА

ДЛЯ РУ ВВЭР-1000¹

А. В. Лысиков^б, А. Н. Самохвалов^б, Ю. С. Ярополов^б

^a Горно-химический комбинат, 662978, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, д. 53

^б Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов

им. акад. А.А. Бочвара, 123098, Москва, ул. Рогова, д. 5а

*e-mail: glaapalkov@rosatom.ru

Поступила в редакцию 28.12.2022, после доработки 28.12.2022, принята к публикации 17.01.2023

Представлен обзор основных результатов НИОКР 2020-2021 гг. по созданию технологии и изготовле-

нию на ГХК таблетированного РЕМИКС-топлива для реакторных установок ВВЭР-1000. Описаны раз-

работанная аппаратурно-технологическая схема процесса изготовления таблеток, результаты внедре-

ния технологии смешивания и гранулирования порошков с использованием шаровой вибромельницы

и подбора режимов работы установки. Обобщены физико-химические характеристики изготовленных

таблеток РЕМИКС-топлива.

Ключевые слова: уран-плутониевое топливо, РЕМИКС-топливо, ОЯТ, рецикл, ВВЭР, шаровая вибро-

мельница, таблетки, физико-химические параметры.

DOI: 10.31857/S0033831123030012, EDN: ENEYBI

ВВЕДЕНИЕ

основных положениях актуализированных в 2022 г.

Концепции обращения с ОЯТ Госкорпорации

Одним из перспективных видов рециклируемого

«Росатом» на 2023-2035 гг. и перспективу до 2050 г.

топлива для реакторов ВВЭР является РЕМИКС-то-

и Стратегии развития ядерной энергетики РФ до

пливо (REgenerated MIXture of U, Pu oxides: (1.2-

2050 г. и перспективы на период до 2100 г. [3, 4].

1.5)% Pu + (4.2-4.4)% ²³⁵U + U_рег), содержащее

В рамках отраслевых программ «Реферирование

смесь выделенных при переработке отработавшего

РЕМИКС-топлива для организации его продвиже-

ядерного топлива (ОЯТ) плутония и регенерирован-

ния на зарубежные рынки» и «Сбалансированный

ного урана [1, 2]. Рециклирование урана и плутония

ЯТЦ» в 2020 г. была сформирована кооперация

как решение проблемы накопления ОЯТ позволит

для производства первой в РФ опытной партии из

в полной мере использовать энергетический потен-

шести ТВС (дизайна ТВС-2М) с РЕМИКС-топли-

циал содержащихся в ОЯТ делящихся материалов в

вом [5]. В сформированной кооперации изготов-

рамках создания в РФ двухкомпонентной ядерной

ленная на ГХК партия таблеток РЕМИКС-топлива

энергетической системы с реакторами на быстрых

передана в сентябре 2021 г. на Сибирский химиче-

(РБН) и тепловых нейтронах (РТН) в замкнутом

ский комбинат (СХК) для дальнейшего снаряжения

ядерном топливном цикле (ЗЯТЦ), что отражено в

твэлов и сборки ТВС. В ноябре 2021 года опытная

-------------

партия из шести ТВС-2М с РЕМИКС-топливом по-

¹По материалам доклада на Х Российской конференции с меж-

ставлена для опытно-промышленной эксплуатации

дународным участием «Радиохимия-2022» (Санкт-Петербург,

26-30 сентября 2022 г.)

на энергоблоке № 1 с реактором ВВЭР-1000 Бала-

203

204

АПАЛЬКОВ и др.

Рис. 1. Узел прокаливания солей плутония и микрофотографии частиц ДП.

ковской АЭС. В декабре 2021 года ТВС загружены в

ядерных материалов при выполнении НИОКР,

активную зону реактора в ходе плановой перегруз-

связанных с использованием обогащенного ре-

ки топлива.

генерированного урана в производстве таблеток

РЕМИКС-топлива (в отличие от используемого в

МОКС-производстве «отвального» урана раздели-

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

тельных производств), разработку соответствую-

щих заключений по ядерной и радиационной без-

Целью выполненных в 2020-2021 гг. на ГХК

опасности, а также оформление материалов для

научно-исследовательских и опытно-конструктор-

обоснования возможности хранения и перевозки

ских работ (НИОКР) являлось разработка техно-

таблеток РЕМИКС-топлива в ТУК-30 с площадки

логии и изготовление опытной партии таблеток

ГХК на СХК.

РЕМИКС-топлива для экспериментального обо-

снования уран-плутониевого топлива при опыт-

Процесс фабрикации опытной партии таблеток

но-промышленной эксплуатации на блоке № 1 Ба-

РЕМИКС-топлива был реализован в период с апре-

лаковской АЭС.

ля по сентябрь 2021 г. на базе созданного в 2014 г.

Основные задачи НИОКР заключались в под-

на площадке ГХК промышленного производства

готовке производства для изготовления опытной

уран-плутониевого МОКС-топлива для энергобло-

партии таблеток РЕМИКС-топлива, разработке

ка № 4 с реактором БН-800 Белоярской АЭС. Тех-

технологии и изготовлении опытной партии та-

нологические операции комплекса автоматизирова-

блеток РЕМИКС-топлива для снаряжения твэлов с

ны и размещаются в цепочке локализующих ради-

оболочкой из циркониевого сплава головной пар-

ационно-защитных камер и боксов. Производство

тии ТВС-2М, транспортировании опытной партии

обеспечивает возможность автоматизированного

таблеток РЕМИКС-топлива на СХК.

изготовления ТВС с содержанием в топливе до 30%

высокофонового энергетического плутония.

В марте 2021 г. ВНИИНМ была разработана ра-

бочая конструкторская документация (РКД, с при-

На участке переработки плутония (УПП) выпол-

своением литеры «И») на таблетки РЕМИКС-то-

нялась очистка от америция-241 исходного диоксида

плива в составе чертежа 310.062.001, технических

плутония (ДП) от переработки ОЯТ энергетических

условий 323.001.160 ТУ, паспорта на партию та-

реакторов со склада ПО «Маяк», получены партии

блеток 323.001.160 ПС и передана на ГХК для из-

ДП (рис. 1), однородные по изотопному составу и

готовления партии таблеток для шести ТВС-2М с

обладающие требуемыми керамическими свойства-

РЕМИКС-топливом. Установленные в РКД параме-

ми. В качестве критериев «керамичности» свойств,

тры идентичны ключевым нормативным требова-

исходя из опыта производства МОКС-топлива, рас-

ниям для таблеток штатного оксидного уранового

сматривались показатели «полная удельная поверх-

топлива для РУ ВВЭР-1000 [6].

ность», «насыпная плотность с утряской» и «размер

Подготовительный этап работ

2020-2021 гг.

частиц» порошка ДП. На рис. 1 также представле-

включал внесение необходимых изменений в ус-

ны микрофотографии ДП, полученные при помо-

ловия действия лицензии ГХК на использование

щи сканирующего электронного микроскопа Vega

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023

РЕЗУ

ЛЬТАТЫ НИОКР

205

Рис. 2. Роторный пресс и комплекс спекания таблеток.

3LMU с системой энергодисперсионного анализа

ляется равномерность распределения урана и плу-

X-MAX 50 (с увеличением 1000, 3000).

тония. Требования по гомогенности или равномер-

ности распределения плутония в топливной ком-

На базе комплекса изготовления таблеток выпол-

позиции обусловлены соображениями безопасной

нялись технологические операции по дозированию

эксплуатации топлива в реакторе. Высокая степень

исходных порошков диоксида урана (ДУ, марки

гомогенности распределения плутония в топливе

РА3 по 52000-34 ТУ, АО «МСЗ») и плутония, сме-

положительно влияет на большинство факторов,

шиванию и грануляции порошков, приготовлению

связанных с эксплуатацией топлива в реакторе. Чем

пресс-порошка, прессованию таблеток на роторном

выше степень гомогенности топлива, тем меньше

прессе, спеканию таблеток в печах садочного типа

локальных областей повышенного энерговыделе-

(рис. 2).

ния, ниже температурные напряжения топлива, бо-

На участке обращения с порошками (рис. 3)

лее равномерная и однородная по времени и объему

выполнялись укрупнение и подготовка «усреднен-

интенсивность выхода продуктов деления, благода-

ных» партий ДП как после аффинажа, соответству-

ря чему достигается высокое выгорание топлива и

ющих требованиям технический условий 2Б.11993

безаварийная работа тепловыделяющих элементов.

ТУ (ГХК), так и без предварительной очистки от

Поскольку максимальное удельное энерговыделе-

америция на УПП путем прямого сухого смешива-

ние ограничено предельными характеристиками

ния нескольких партий складского ДП с ПО «Маяк»

материалов, то снижение неравномерности энер-

с получением ДП, соответствующего требованиям

говыделения дает возможность повысить среднюю

технический условий 2Б.12865 ТУ (ГХК). Также на

тепловую нагрузку на делящийся материал и, сле-

участке выполнялись операции сухого шлифования

довательно, увеличить мощность активной зоны,

спеченных таблеток с итоговым выходным контро-

глубину и равномерность выгорания топлива, что

лем таблеток, упаковкой таблеток в контейнер и пе-

приводит к улучшению экономических показателей

ремещением на склад.

реакторной установки. Однородность энерговыде-

Важным требованием, предъявляемым к

ления обеспечивает равномерность теплового пото-

уран-плутониевым топливным композициям, яв- ка и, следовательно, снижение напряжений в обо-

Рис. 3. Участок обращения с порошками МОКС/РЕМИКС-топлива.

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023

206

АПАЛЬКОВ и др.

Рис. 4. Схема установки вихревого размола порошков [9] и смесителя АВС-150.

лочке твэла, что положительно сказывается на рабо-

ферромагнитных игл в контейнер из немагнитного

тоспособности и безопасности конструкции твэла.

материала, герметизации контейнера, перемеще-

ния контейнера с порошками и ферромагнитными

Среди известных способов обеспечения рав-

иглами в полость трубы из немагнитного материа-

номерности распределения плутония, таких как

ла, помещенной внутрь катушки индуктора, измель-

механическое смешение исходных порошков ура-

чения и смешивания порошков под воздействием

на и плутония, химическое соосаждение урана и

ферромагнитных игл, движущихся в магнитном

плутония, получение уран-плутониевых порошков

поле индуктора, извлечения контейнера из трубы,

прямой денитрацией растворов нитратов урана и

охлаждения контейнера, разгерметизации контей-

плутония, базовым промышленным вариантом из-

нера и выгрузки полученной порошковой смеси из

готовления уран-плутониевого топлива в ближне-

контейнера в аппарат гранулирования [8]. В соста-

срочной перспективе безальтернативно является

ве промышленных установок вихревого размола на

способ механического смешения раздельно полу-

ГХК (рис. 4) в качестве механического смесителя

ченных диоксидов урана и плутония. При исполь-

диоксидов урана и плутония применялся аппарат

зовании способа механического смешения важной

вихревого слоя АВС-150 [9, 10].

частью процесса является тонкий размол (микро-

низация) смеси (ди)оксидов урана и плутония, что

Установленными в ходе производства МОКС-то-

важно для получения однородной смеси и уплотне-

плива особенностями применения способа вихре-

ния порошка до необходимой степени и качества.

вого размола и устройств для его реализации явля-

Смешение порошков производят в высокоэнергети-

ются следующие:

ческом оборудовании с образованием гомогенной

1. Увеличение производственного цикла полу-

структуры изготавливаемых топливных таблеток

чения уран-плутониевого топлива в связи с необхо-

для обеспечения их соответствия требованиям РКД

димостью проведения обязательных циклов охлаж-

в части физико-химических свойств и параметров

дения контейнеров с порошками после смешения

микроструктуры.

в вихревых смесителях типа АВС вследствие вы-

Опробованная в производстве таблеток

сокого разогрева смеси порошков (и контейнера) в

МОКС-топлива для РУ БН-800 на ГХК технология

ходе обработки магнитными иглами.

вихревого размола смеси порошков оксидов урана

2. Сложность механических частей узлов устано-

и плутония на стадии подготовки пресс-порош-

вок (систем транспортирования, позиционирования

ка включала операции загрузки навесок порошков

и разгрузки контейнеров), что в отдельных случаях

исходных компонентов и инициирующих размол

приводит к отказам оборудования и, как следствие,

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023

РЕЗУ

ЛЬТАТЫ НИОКР

207

Ɋɚɞɢɚɰɢɨɧɧɨ ɡɚɳɢɬɧɚɹ ɤɚɦɟɪɚ ɛɨɤɫ

ɂɫɯɨɞɧɚɹ ɫɦɟɫɶ

ɩɨɪɨɲɤɨɜ

ɉɨɪɨɲɨɤ ɩɨɫɥɟ

ɨɛɪɚɛɨɬɤɢ ɝɪɚɧɭɥɹɬ

Рис. 5. Схема выполнения операций предварительного усреднения и обработки порошков в шаровой вибромельнице. 1 -

контейнер ядерно-безопасного исполнения со смесью порошков оксидов урана и плутония; 2 - механический смеситель

типа «пьяная бочка» или турбулентный смеситель типа TURBULA; 3 - станина (для механического смесителя типа «пьяная

бочка» или турбулентного смесителя типа TURBULA); 4 - шаровая вибромельница ядерно-безопасного исполнения; 5 -

станина шаровой вибромельницы; 6 - устройство загрузки порошков оксидов урана и плутония в шаровую вибромельницу,

оснащенное вибропобудителем; 7 - клапан загрузки;8 - клапан выгрузки; 9 - устройство подстыковки контейнера для вы-

грузки порошка (гранулята) из вибромельницы; 10 - транспортный контейнер ядерно-безопасного исполнения для приема

выгружаемого порошка (гранулята) из вибромельницы; 11 - перчатки (для обслуживания узлов, размещенных в радиаци-

онно-защитном боксе); 12 - копирующий манипулятор (для обслуживания узлов, размещенных в радиационно-защитной

камере); 13 - внутрикамерный кран (для обслуживания узлов, размещенных в радиационно-защитной камере).

необходимости выполнения ряда операций «вруч-

был разработан и адаптирован к условиям фабри-

ную» (включая ремонтные работы) с увеличением

кации уран-плутониевого топлива способ одновре-

дозовых нагрузок на персонал.

менного измельчения, смешивания и грануляции

3. Наличие доли мелких фракций, получаемых

порошков диоксидов урана и плутония в шаровой

смешением порошков в смесителях типа АВС, что

вибромельнице [13]. Порошки после обработки

оказывает влияние на получение топливных табле-

обладали достаточной текучестью, что позволило

ток с требуемыми характеристиками (плотность,

исключить стадии предварительного прессования

«натирания» железа в ходе обработки и др.).

брикетов (или «шашек») и их последующего размо-

ла в качестве отдельных операций гранулирования

Определяющим фактором необходимости при-

(применяемых, например, в случае использования

менения для изготовления таблеток РЕМИКС-то-

смесителей типа АВС).

плива альтернативных механических смесителей

явилась невозможность стабильного обеспечения

Исходные порошки диоксида плутония, как

параметра микроструктуры таблеток «средний эф-

правило, неоднородны по физическо-химическим

фективный диаметр зерна» в установленном РКД

свойствам (остаточному влагосодержанию, раз-

диапазоне 10-25 мкм [7]. С использованием смеси-

мерам частиц, плотности, содержанию углерода

теля АВС-150 была изготовлена одна партия табле-

и других примесей). С целью исключения рисков

ток РЕМИКС-топлива, полностью соответствую-

снижения выхода в годный продукт готовых та-

щая требованиям РКД.

блеток РЕМИКС-топлива (несоответствий по гео-

На основе имеющегося опыта применения ша-

метрическим размерам, плотности, структурной и

ровых и молотковых мельниц в технологии произ-

фазовой однородности, величине зерна, содержа-

водства таблеток керамического оксидного ядерно-

нию углерода и других лимитируемых примесей)

го топлива [11, 12] на ГХК в ходе отработки тех-

перед обработкой смесей (навесок) диоксидов ура-

нологии изготовления таблеток РЕМИКС-топлива

на и плутония в шаровой вибромельнице, прово-

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023

208

АПАЛЬКОВ и др.

Для достижения целевых характеристик табле-

ток РЕМИКС-топлива выполняли подбор техноло-

гического режима работы оборудования: времени

предварительного смешивания (усреднения) на-

весок порошков ДУ и ДП, времени обработки по-

рошков ДУ и ДП в шаровой вибромельнице, массы

загрузки рабочей камеры мелющими телами (ша-

рами), размера и материала мелющих тел (шаров),

массы обрабатываемой смеси, скорости вращения

вала вибровозбудителя, параметров вертикальных и

горизонтальных вибрационных характеристик (ви-

бросмещения, виброускорения) [7, 13].

Рис. 6. Общий вид шаровой вибромельницы МВ-0.01,

размещенной в радиационно-защитной камере.

При обработке в шаровой вибромельнице равно-

мерное распределение компонентов смеси, движу-

дили предварительное механическое усреднение

щихся в рабочей камере по спиралеобразной траек-

порошков по изотопному, химическому и грануло-

тории, обеспечивается за счет более интенсивного

метрическому составу в механическом смесителе

измельчения и перемешивания вследствие боль-

«пьяная бочка», в частности, турбулентных смеси-

шого количества соударений мелющих тел при их

телях типа TURBULA.

колебаниях, в частном случае, подбором горизон-

тальных и вертикальных виброускорений. Относи-

На рис. 5 представлена схема выполнения опера-

тельное повышение производительности и сниже-

ций предварительного усреднения порошков окси-

ние энергозатрат достигается за счет сокращения

дов урана и плутония с последующей их обработкой

времени обработки, а также исключения необходи-

(измельчении, смешении и грануляции) в шаровой

мости дополнительной операции - грануляции сме-

вибромельнице, реализованная в ходе изготовления

си порошков, что, кроме того, повышает степень

таблеток РЕМИКС-топлива [13].

автоматизации производства. При работе шаровой

Автоматизация узлов шаровой вибромельницы

вибрационной мельницы воздействие мелющих тел

с возможностью их дистанционного обслуживания

на порошок производится не только за счет истира-

позволяет минимизировать выполнение «ручных»

ния конгломератов порошка (подбора горизонталь-

операций в ходе фабрикации уран-плутониевого

ных параметров вибрации), но и за счет взаимных

топлива. Операции включения шаровой вибромель-

соударений шаров и внутренних элементов каме-

ницы в работу, управления клапанами загрузки и

ры (подбора вертикальных параметров вибрации),

выгрузки, запуска цикла обработки порошков в

вследствие чего производится уплотнение (грану-

шаровой вибромельнице с установлением времени

ляция) порошка, повышается текучесть и формуе-

мость пресс-порошка. Более высокая чистота обра-

обработки порошков осуществляют прямой дистан-

батываемого материала достигается за счет пони-

ционной подачей управляющего воздействия с па-

женного износа мелющих тел и стенок смесителя

нели автоматизированного рабочего места, входя-

и подбора материала мелющих тел. При достаточно

щей в состав локальной системы управления. Эле-

высоких вибрационных воздействиях на обрабаты-

менты крепления и герметизации частей установки

ваемый материал достигаются пониженный износ

позволяют дистанционно производить их (де)мон-

мелющих тел и стенок смесителя за счет подбора

таж с заменой отдельных частей без полного извле-

материала мелющих тел и смесителя.

чения установки из радиационно-защитной камеры

(бокса) при работе с порошками уран-плутониевого

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

топлива.

На рис. 6 представлен общий вид шаровой ви-

В результате выполнения НИОКР на ГХК раз-

бромельницы МВ-0.01 с размещением в радиацион-

работана технология изготовления таблеток табле-

но-защитной камере.

тированного РЕМИКС-топлива для РУ ВВЭР-1000.

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023

РЕЗУ

ЛЬТАТЫ НИОКР

209

Ɍɟɯɧɨɥɨɝɢɹ ɧɚ ɨɫɧɨɜɟ Ⱥȼɋ

Ɍɟɯɧɨɥɨɝɢɹ ɧɚ ɨɫɧɨɜɟ Ⱥȼɋ ɲɚɪɨɜɨɣ ɦɟɥɶɧɢɰɵ

ȼɯɨɞɧɨɣ ɤɨɧɬɪɨɥɶ ɢɫɯɨɞɧɵɯ

ɦɚɬɟɪɢɚɥɨɜ

Ⱦɨɡɢɪɨɜɚɧɢɟ ɢɫɯɨɞɧɵɯ ɦɚɬɟɪɢɚɥɨɜ

(Ⱦɍ ɢ Ⱦɉ ɢ ɮɟɪɪɨɦɚɝɧɢɬɧɵɯ ɢɝɥ

(Ⱦɍ ɢ Ⱦɉ

ɋɦɟɲɢɜɚɧɢɟ ɢɡɦɟɥɶɱɟɧɢɟ

ɋɦɟɲɢɜɚɧɢɟ ɩɨɪɨɲɤɨɜ

ɩɨɪɨɲɤɨɜ Ⱥȼɋ

Turbula 7

Ɉɬɞɟɥɟɧɢɟ ɫɦɟɫɢ ɩɨɪɨɲɤɨɜ

ɨɬ ɮɟɪɪɨɦɚɝɧɢɬɧɵɯ ɢɝɥ

ɋɦɟɲɢɜɚɧɢɟ ɝɪɚɧɭɥɹɰɢɹ ɩɨɪɨɲɤɨɜ

ɲɚɪɨɜɚɹ ɜɢɛɪɨɦɟɥɶɧɢɰɚ Ɇȼ

ɋɦɟɲɢɜɚɧɢɟ ɩɨɪɨɲɤɨɜ

ɫɦɟɫɢɬɟɥɶ Turbula T2F

ɉɪɢɝɨɬɨɜɥɟɧɢɟ ɝɪɚɧɭɥɹɬɚ ɱɟɪɟɡ

ɲɚɲɤɭ ɧɚ ɩɥɚɧɲɟɬɧɨɦ ɩɪɟɫɫɟ

ɩɪɨɬɢɪ ɱɟɪɟɡ ɫɢɬɨ

ɦɤɦ

ɋɦɟɲɢɜɚɧɢɟ ɫ ɫɭɯɨɣ ɫɦɚɡɤɨɣ

ɩɥɚɫɬɢɮɢɤɚɬɨɪɨɦ 6W=Q

ɉɪɟɫɫɨɜɚɧɢɟ ɬɚɛɥɟɬɨɤ ɪɨɬɨɪɧɵɣ ɩɪɟɫɫ

ɋɩɟɤɚɧɢɟ ɬɚɛɥɟɬɨɤ ɫɚɞɨɱɧɚɹ ɩɟɱɶ

ɒɥɢɮɨɜɚɧɢɟ ɬɚɛɥɟɬɨɤ ɲɥɢɮɫɬɚɧɨɤ ȼɒ Ɇ

Рис. 7. Аппаратурно-технологическая блок-схема изготовления таблеток РЕМИКС-топлива на ГХК.

Проведена квалификация специальных процессов

После окончания обработки полученный грану-

смешивания порошков в шаровой вибромельнице

лят выгружали из вибромельницы в контейнер, сме-

МВ-0.01 и вихревом смесителе АВС-150, а также

шивали с сухой смазкой и далее передавали на опе-

спекания таблеток РЕМИКС-топлива в печах са-

рацию прессования таблеток. Насыпная плотность

дочного типа (рис. 7) [6].

порошка составляла 2.0-3.2 г/см³, высота спрессо-

Фабрикация таблетированного уран-плутоние-

ванных таблеток - 10.63-10.78 мм, плотность «сы-

вого РЕМИКС-топлива выполнялась следующим

рых» таблеток - 6.10-6.11 г/см³.

образом [13]. Готовили навеску смеси диоксидов

Полученные топливные таблетки помещали в

урана и плутония. Навеску предварительно усред-

печь и проводили спекание при выдержке в течение

няли в смесителе TURBULA T10B/T2F. Операции

4 ч при температуре 1750°С в восстановительной

измельчения, смешивания, гранулирования смеси

среде (аргоно-водородная смесь). После остывания

порошков ДУ и ДП после усреднения проводили пу-

печи выгружали полученные таблетки.

тем обработки в шаровой вибромельнице МВ-0.01

Далее спеченные таблетки направляли на опера-

при следующих технологических параметрах:

цию шлифования. Для шлифования использовали

скорость вращения шаровой группы - 1750 об/мин;

автомат специальный круглошлифовальный бес-

время работы шаровой вибромельницы - до 60 мин;

центровой ВШ-826М. Диаметр топливных таблеток

время выгрузки - 5 мин;

после шлифования составлял 7.587-7.590 мм.

масса загруженных шаров (Ø20мм, сталь 95Х18) -

Применение в процессе изготовления уран-плу-

38 кг;

тониевого РЕМИКС-топлива шаровой вибромель-

радиальное виброускорение - не менее 4.5g, верти-

ницы (с операцией предварительного механическо-

кальное - не менее 11.5g.

го усреднения) позволило:

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023

210

АПАЛЬКОВ и др.

Рис. 8. Чертеж 310.062.001 [6] и микрофотографии таблеток РЕМИКС-топлива.

совместить операции измельчения, смешивания

фиями изготовленных на ГХК таблеток (данные

и гранулирования исходных порошков ДУ и ДП с

измерения геометрии таблеток со сканирующего

реализацией переделов в одном технологическом

электронного микроскопа Vega 3LMU с системой

оборудовании, что упростило аппаратурно-техно-

энергодисперсионного анализа X-MAX 50).

логическую схему изготовления таблеток;

В результате подбора режимов обработки по-

стабилизировать химический состав изготавли-

рошков ДУ и ДП в шаровой вибромельнице проде-

ваемых уран-плутониевых таблеток по однородно-

монстрирована возможность стабильного поддер-

сти примесей за счет снижения намола материалов

жания выхода в годный продукт таблеток уран-плу-

мелющих тел и стенок смесителя при обработке по-

тониевого топлива свыше 80%.

рошка, а также физических параметров (плотности,

Для решения вопроса утилизации бракованных

микроструктуры, «доспекаемости» во всем объеме

таблеток уран-плутониевого топлива опробован и

партии изготавливаемых таблеток);

впоследствии внедрен в производство готовой про-

дукции способ «подшихтовки» на операции подго-

обеспечить равномерное распределение плуто-

товки пресс-порошка в исходную смесь диоксидов

ния в смеси порошков после обработки и далее в

урана и плутония порошка, полученного в результа-

изготавливаемых спеченных таблетках;

те окисления несоответствующих требованиям РКД

повысить производительность и снизить энерго-

(бракованных) спеченных таблеток РЕМИКС-то-

потребление в течение всего технологического цик-

плива, в количестве до 20 мас% [14]. Процесс

ла изготовления уран-плутониевых таблеток.

предварительного окисления не соответствующих

Для обеспечения соответствия параметров та-

требованиям РКД спеченных уран-плутониевых

блеток РЕМИКС-топлива требованиям техниче-

таблеток проводили при температуре 350 ± 50°С

ских условий 323.001.160 ТУ и чертежа 310.062.001

в течение 6-8 ч в муфельной печи, размещенной в

в ходе НИОКР выполняли подбор и определение

радиационно-защитном перчаточном боксе. Изго-

оптимальных характеристик процесса обработки

товленная вышеуказанным образом партия табле-

смеси порошков в вибрационной шаровой мельни-

ток соответствовала требованиям РКД, выдержала

це: объема рабочей зоны, массы шаров, допустимо-

типовые и приемочные испытания в полном объеме

го объема загрузки, массы обрабатываемой смеси

и была отгружена в составе готовой продукции на

порошков, времени обработки, скорости вала ви-

СХК для снаряжения твэлов.

бропобудителя, времени выгрузки.

Предложенный подход в сравнении с использу-

На рис. 8 представлен чертеж таблетки РЕ-

емым для переработки некондиционных таблеток

МИКС-топлива 310.062.001 [6] с микрофотогра-

уран-плутониевого МОКС-топлива (скрапа) путем

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023

РЕЗУ

ЛЬТАТЫ НИОКР

211

их радиохимической переработки на УПП ГХК с

выделением и очисткой плутония для последующе-

го возврата в форме диоксида в производство [15]

позволил сократить объем образующихся радиоак-

тивных отходов, увеличить сквозной выход продук-

ции в годный продукт, а также в целом улучшить

технико-экономические показатели производства

уран-плутониевого топлива.

Контроль качества таблеток РЕМИКС-топлива

на ГХК был реализован на базе системы аналити-

ческого контроля МОКС-топлива для РУ БН-800,

Рис.

9. Лодочка с таблетками РЕМИКС-топлива.

включающей применение 18 аттестованных анали-

АО «СХК» для снаряжения твэлов и сборки ТВС было

тических методик выполнения измерений (МВИ)

отгружено 258 партий таблеток РЕМИКС-топлива, 257 из

физико-химических параметров порошков и табле-

которых изготовлены с использованием шаровой вибро-

ток.

мельницы МВ-0.01, 1 партия - с использование смесите-

ля АВС-150.

С учетом требований РКД на РЕМИКС-таблет-

ки был доаттестован ряд МВИ для контроля пара-

в табл. 1 в виде предельных диапазонов варьирова-

метров «массовая доля плутония», «массовая доля

ния анализируемых параметров.

изотопов урана», «условная массовая доля изото-

Выполненный в работе [7] анализ полигонов

пов плутония», «максимальный линейный размер

рассеяния средних значений контролируемых пара-

участков с повышенным содержанием плутония

метров таблеток РЕМИКС-топлива по выборкам из

от номинального значения», «массовая доля фос-

партий показал, что после выпуска первых партий

фора». Также были разработаны и аттестованы но-

таблеток РЕМИКС-топлива процесс стабилизиро-

вые МВИ для контроля параметров «кислородный

вался, и при выпуске основного массива продукции

коэффициент», «массовая доля водорода», «объ-

средние значения качественных параметров нахо-

емная доля открытых пор», «измерение изменения

дились вблизи центров полей допусков.

среднего наружного диаметра таблеток в результа-

те термообработки в % по отношению к исходно-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

му диаметру (доспекаемость)», «шероховатость та-

блеток», «максимальный размер отдельной поры в

Ключевые результаты выполненного на ФГУП

срезе шлифа», «количественная доля пор, наблюда-

«ГХК» НИОКР.

емых в плоскости шлифа», «средний эффективный

диаметр зерна».

Изготовлена партия таблеток РЕМИКС-топлива

в необходимом для изготовления шести ТВС-2М

В сентябре 2021 г. на ГХК завершено изготовле-

количестве.

ние партий таблеток РЕМИКС-топлива для шести

ТВС-2М в количестве более 3300 кг (107% от пла-

Вновь

разработаны

(до)аттестова-

нируемого количества с учетом резерва при возник-

ны более

10 методик выполнения измерений

новении брака на операциях снаряжения твэлов).

(к применяемым для контроля МОКС-топлива

Изготовленные таблетки (рис. 9) в соответствии

РУ БН-800) заданных параметров таблеток РЕ-

программой и методикой приемочных испытаний

МИКС-топлива для РУ ВВЭР-1000.

310.062.001 ПМ выдержали испытания с подтверж-

Квалифицирована и внедрена в производство

дением соответствия характеристик таблеток тре-

технология изготовления оксидного уран-плутони-

бованиям РКД.

евого топлива с применением шаровой вибромель-

Физико-химические

характеристики

та-

ницы [7, 13].

блеток,

изготовленных

использованием

Применение опробованной в рамках НИОКР

шаровой

вибромельницы

МВ-0.01 по все-

(РЕМИКС) технологии смешивания и гранулиро-

му массиву принятых партий, представлены

вания порошков с использованием шаровой вибро-

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023

212

АПАЛЬКОВ и др.

Таблица 1. Физико-химические характеристики таблеток РЕМИКС-топлива [6, 7]

№ п/п

Наименование показателя

Значение

Массовая доля суммы изотопов урана и плутония, %

88.1-88.2

Массовая доля плутония в смеси изотопов урана и плутония

Соответствует

Условная массовая доля изотопа урана-235 в сумме изотопов урана

техпроекту на твэл

Кислородный коэффициент

2.000-2.005

Условная массовая доля примесей, %:

5.1

бор

0.00001

5.2

железо

0.02

5.3

кремний

0.003-0.004

5.4

марганец

0.0001-0.0007

5.5

медь

0.0001-0.0020

5.6

никель

0.0002-0.0070

5.7

хром

0.0009-0.0070

5.8

азот

0.0007-0.0070

5.9

углерод

0.003

5.10

фтор

0.0011

5.11

хлор

0.0011

5.12

алюминий

0.0002-0.0090

5.13

кальций

0.001

5.14

магний

0.0003-0.0020

5.15

вольфрам

0.0010-0.0011

5.16

ванадий

0.0010-0.0011

5.17

кадмий

0.00003

5.18

молибден

0.0003-0.0030

5.19

фосфор

0.003-0.006

5.20

цинк

0.0010-0.0012

Массовая доля общего водорода, %

<0.00001-0.00003

Суммарный борный эквивалент, %

0.00003-0.00007

Плотность, г/см³

10.35-10.70

Объемная доля открытых пор, %

0.02-0.92

Доспекаемость, %

0.01-0.31

Средний эффективный диаметр зерна, мкм

12-23

Количественная доля пор с эффективным диаметром 1-10 мкм, %

99.0-100.0

Максимальный линейный размер участка с повышенным содержанием

< 40

плутония, мкм

Максимальное содержание плутония на плоскости шлифа, %

7-15

Расчетная масса топливного столба длиной 1000 мм, г

454-464

мельницы впоследствии в производстве МОКС-то-

обеспечить резерв по производительности опе-

плива для РУ БН-800 на ГХК позволило:

раций смешивания и гранулирования относительно

проектных решений за счет размещения и готовно-

исключить ручные операции на этапе смешива-

сти к работе второй шаровой вибромельницы в за-

ния и гранулирования порошков диоксидов урана и

щитной камере.

плутония;

Предложен способ утилизации бракованных та-

исключить операцию гранулирования как от-

блеток уран-плутониевого топлива для сокращения

дельный передел, совместив операции смешивания

объемов не соответствующей требованиям РКД

и гранулирования в шаровой вибромельнице;

продукции и радиоактивных отходов, направлен-

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023

РЕЗУ

ЛЬТАТЫ НИОКР

213

ный на увеличение выхода готовой продукции в

5. Решение от

01.04.2021

№320.06.ТП-580-БАЛ-1

годный продукт и, как следствие, улучшение тех-

об организации работ по изготовлению и опыт-

но-промышленной эксплуатации шести ТВС-2М

нико-экономических показателей производства

с РЕМИКС-топливом на блоке № 1 Балаковской

уран-плутониевого топлива [7, 14]. В настоящее

АЭС, начиная с 27 топливной кампании.

время на ГХК завершены исследовательские рабо-

Михеев Е.Н., Новиков В.В., Кузнецов В.И., Лыси-

ты в обоснование внедрения указанного подхода в

ков А.В., Самохвалов А.Н., Ярополов Ю.Л., Глушен-

технологию изготовления таблеток МОКС-топлива

ков А. Е.,Колупаев Д.Н., Апальков Г.А., Баранов О.Г.,

для РУ БН-800.

Карпенко А.А., Гаврилов В.А. Анализ результатов

Подтверждена возможность массового изго-

промышленного производства и характеристик

товления уран-плутониевого топлива с заданными

уран-плутониевого РЕМИКС-топлива для реакторов

характеристиками топлива для реакторов ВВЭР-

ВВЭР. Матер. научно-технической конф. «Материа-

1000/1200. Полученные результаты свидетель-

лы ядерной техники» (МАЯТ-2021). М., 2021.

ствуют о возможности изготовления качественных

https://bochvar.ru/vopros/mayat.

топливных таблеток, соответствующих по своим

Лысиков А.В., Михеев Е.Н., Самохвалов А.Н., Яро-

характеристикам установленным современным

полов Ю.Л., Глушенков А.Е., Константинов О.П. //

требованиям РКД (чертежа и технических усло-

Вопр. атом. науки и техники. Сер.: Материаловеде-

ние и новые материалы. 2022. Вып. 4(115). С. 97.

вий), с обеспечением экономической приемлемости

процесса фабрикации уран-плутониевого топлива

Астафьев В.А., Глушенков А.Е., Скупов М.В., Столя-

ров М.И., Шкабура И.А.. Патент 2262756 РФ. 2005.

для АЭС на тепловых нейтронах с ректорами типа

ВВЭР.

Кравченко В.А., Глазунов В.А., Гамза Ю.В., Быч-

ков С.И., Бараков Б.Н., Ильиных Ю.С., Русанов С.В.,

Белозеров С.Г., Рыбалкин И.А., Сосунов Р.Ю.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Патент 2670979 РФ. 2018.

10. Гамза Ю.В., Русанов С.В., Бараков Б.Н., Ильи-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта ин-

ных Ю.С., Рыбалкин И.А.. Патент 2702621 РФ. 2019.

тересов.

11. Иванов А.В., Дерр В. Освоение на ОАО «МСЗ» про-

изводства уран-гадолиниевого топлива по специфи-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

кациям «Framatome ANP» // МСЗ 2003: Ядерное то-

пливо для АЭС. Электросталь, 2003. № 2. С. 22.

Похитонов Ю.А. // Радиохимия. 2017. Т. 42, № 6.

С. 481-487.

12. Решетников Ф.Г., Бибилашвили Ю.К., Головнин И.С.,

Горский В.В., Казеннов Ю.И., Меньшикова Т.С., Ни-

Гаврилов П.М., Крюков О.В., Иванов К.В., Хапер-

кулина А.В., Романеев В.В. Разработка, производство

ская А.В., Павловичев А.М., Семченков Ю.М., Фе-

и эксплуатация тепловыделяющих элементов энер-

доров Ю.С., Зильберман Б.Я., Дудукин В.А., Апаль-

гетических реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1995.

ков Г.А. Патент 2702234 РФ. 2019.

Кн. 1. С. 110.

Приказ Госкорпорации

«Росатом» от

05.12.2022

13. Баранов О.Г., Карпенко А.А., Апальков Г.А., Ильи-

№1/1618-П-дсп «Об утверждении Концепции обра-

ных Ю.С., Никитин С.С., Бычков С.И. Патент

щения с отработавшим ядерным топливом Госкор-

2772886 РФ. 2022.

порации «Росатом» на 2023-2035 годы и перспек-

тиву до 2050 года и перечня целевых показателей и

14. Колупаев Д.Н., Баранов О.Г., Карпенко А.А., Рас-

индикаторов мероприятий по обращению с отрабо-

самагин С.В., Падалкин П.А., Апальков Г.А., Ники-

тавшим ядерным топливом».

тин С.С. Патент 2785819 РФ. 2022.

4. Стратегия развития ядерной энергетики России до

15. Производство МОКС-топлива на ФЯО ФГУП

2050 г. и перспективы на период до 2100 г. Утвер-

«ГХК»: Сб. докл. отраслевой конф. по теме «Замы-

ждена протоколом заседания Стратегического

кание топливного цикла ядерной энергетики на базе

совета Госкорпорации

«Росатом» от

11.04.2022

реакторов на быстрых нейтронах». Томск,

2018.

№1-СС/14-Пр-дсп.

С. 259-261.

РАДИОХИМИЯ том 65 № 3 2023