Способ получения порошка титаната диспрозия для поглощающих элементов ядерного реактора

Способ получения порошка титаната диспрозия для поглощающих элементов ядерного реактора

Реферат

Изобретение относится к атомной технике, в частности к поглощающим нейтроны материалам (титаната диспрозия - (Dy₂TiO₅), и может быть использовано в стержнях регулирования ядерных реакторов.

Известен способ получения нанокристаллических порошков и керамических материалов на основе смешанных оксидов редкоземельных элементов и металлов, в том числе оксидов диспрозия и титана с повышением плотности керамических таблеток, полученных на их основе, до 7,5 г/см³ и выше (Патент РФ №2467983, опубл. 27.11.2012), путем соосаждения солей, фильтрации и промывки полученного осадка, сушки с последующим прокаливанием до получения смешанного оксида, его размол, прессования и отжига полученных компактов. Стадию прокаливания смешанного гидроксида проводят в температурном интервале 800-1200°C, а размол порошков смешанных оксидов осуществляют путем механоактивации в планетарной мельнице в течение 18-36 мин.

Главным недостатком описанного способа является образование крупнокристаллических порошков с высокой степенью агрегации (размер агрегатов до 10-15 мкм), что не позволяет получать плотные керамические изделия.

Известен способ получения поликристаллического нейтронопоглощающего материала на основе гафната диспрозия (Патент US 4992225, опубл. 12.02.1991), по которому оксид диспрозия (65-85 мас. %) смешивают с диоксидом гафния и далее полученную смесь в виде компактированного образца спекают в интервале температур 1500-2000°C.

В связи с использованием процесса твердофазного синтеза недостатком данного способа является многофазность полученного материала из-за возможности наличия в нем остатков непрореагировавших исходных веществ (в основном оксида диспрозия) и дополнительного размола спекшегося материала.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым в качестве прототипа является способ получения нейтронопоглощающего материала методом высокочастотного индукционного плавления смеси оксидов диспрозия, титана, ниобия и циркония в холодном тигле (Патент РФ №2124240, опубл. 27.12.1998). Поскольку синтез материала происходит в расплаве, обеспечивается высокая однородность распределения в нем всех составляющих, а также практическое отсутствие непрореагировавших оксидов. Расплав после завершения синтеза охлаждают с высокой скоростью, что способствует сохранению гранецентрированной кубической структуры типа флюорита.

Недостатком данного способа является высокая температура синтеза (свыше 2300°C), что приводит к увеличению эксплуатационных расходов из-за использования специального комплекса аппаратуры (установки «Кристалл-401»), наличие дополнительного реагента (оксида ниобия, положительно влияющего на получаемую кристаллическую структуру), необходимая операция размола полученного плава до определенной дисперсности, поскольку невозможно получить прочные и плотные изделия (таблетки) из материала с кубической структурой типа флюорита, который был синтезирован в расплаве при температуре, значительно превышающей температуру спекания таблеток.

Технический результат предложенного изобретения заключается в обеспечении достижения высокоэффективного и энергосберегающего технологического процесса изготовления химически активных нанодисперсных порошков титаната диспрозия стабильного состава, позволяющего повысить его плотность после виброуплотнения, снижения температуры и времени синтеза.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Способ получения высокодисперсных порошков титаната диспрозия для поглощающих элементов ядерного реактора отличается тем, что получение порошка композита проводят путем механической активации смеси оксидов диспрозия и титана, взятых в эквимолярном соотношении, в шаровой планетарной мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения планетарного диска - 600-900 об/мин, скорости вращения барабанов - 1000-1800 об/мин, при отношении массы шаров к массе шихты - 30-45:1 в атмосфере аргона при Р=3-5 атм в течение 20-60 мин.

Механохимический синтез реализуется в процессе механического воздействия на исходные соединения, которое, активируя реагенты и понижая энергетический барьер химического взаимодействия, стимулирует химическую реакцию между исходными веществами. Технология получения сплавов в виде порошков методом механохимического синтеза широко используется в настоящее время для изготовления порошков интерметаллидов, твердых растворов, а также аморфных порошков, т.е. для приготовления материалов сложного химического состава, характеризующихся особыми физико-механическими свойствами из-за высокой степени дисперсности структуры, возникшей вследствие деформации. Именно деформация приводит к усложнению состава и образованию наноструктуры объемного характера. Таким образом, продукт механохимического синтеза имеет заданный состав и специфическое структурное состояние. Кроме того, механохимический синтез относится к наименее энергоемким и простым в исполнении способам, которые можно отнести к быстропротекающим твердофазным реакциям.

К поглощающим элементам (ПЭЛам) современных ядерных реакторов предъявляют высокие требования, определяющие рабочий ресурс органов регулирования, такие как: высокая эффективность поглощения нейтронов, низкая скорость выгорания поглощающих изотопов для длительного сохранения высокой эффективности поглощения в процессе эксплуатации в реакторе, высокая стойкость к радиационным повреждениям, стабильность объема как при рабочих температурах эксплуатации, так и при перегревах; коррозионная стойкость.

Возможным путем повышения рабочего ресурса поглотителя из титаната диспрозия является:

- замена существующего метода высокотемпературного синтеза порошка титаната диспрозия на методы механохимии с обоснованием выбора типа и характеристик оборудования для механообработки, с целью получения высокодисперсного (наноструктурного) порошка титаната диспрозия стабильного состава, соответствующего структуре Dy₂TiO₅, позволяющего повысить его плотность после виброуплотнения.

Это, в свою очередь, позволит снизить скорость выгорания диспрозия по сечению ПЭЛ и замедлить снижение поглощающих свойств под действием нейтронного облучения.

Ниже приведены примеры конкретного получения нейтронопоглощающего материала, титаната диспрозия.

Пример 1. Шихту из оксидов диспрозия и титана, взятых в эквимолярном соотношении (82,4 мас.%,. Dy₂O₃, 17,6 мас. % ТiO₂), подвергали обработке в шаровой планетарной мельнице «Активатор2S» при скорости вращения планетарного диска - 600 об/мин, скорости вращения барабанов - 1000 об/мин, при отношении массы шаров к массе шихты - 45:1 в атмосфере аргона при Р=3 атм.

Диаметр шаров составлял 6 мм. Время обработки составляло 20 мин.

Пример 2. Шихту из оксидов диспрозия и титана, взятых в эквимолярном соотношении (82,4 мас.%,. Dy₂O₃, 17,6 мас.% ТiO₂), подвергали обработке в шаровой планетарной мельнице «Активатор2S» при скорости вращения планетарного диска - 900 об/мин, скорости вращения барабанов - 1400 об/мин, при отношении массы шаров к массе шихты - 45:1 в атмосфере аргона при Р=4 атм. Диаметр шаров составлял 6 мм. Время обработки составляло 40 мин. Развивающаяся температура 800-1000°C в результате механоактивации смеси оксидов способствует образованию порошка титаната диспрозия.

Изготовленный вышеприведенным способом - механохимический синтез (пример 2) - нейтронопоглощающий материал представляет собой однофазную керамическую композицию состава Dy₂TiO₅ с размером частиц наноразмерного диапазона.

Способ получения высокодисперсных порошков титаната диспрозия для поглощающих элементов ядерного реактора, отличающийся тем, что порошок композита получают путем механической активации смеси оксидов диспрозия и титана, взятых в эквимолярном соотношении, в шаровой планетарной мельнице при скорости вращения планетарного диска - 600-900 об/мин, скорости вращения барабанов - 1000-1800 об/мин, при отношении массы шаров к массе шихты - 30-45:1 в атмосфере аргона при Р=3-5 атм.