Что общего между приготовлением печенья и изготовлением ядерного топлива

В № 3–4 мы рассказали и показали, каким изощренным испытаниям подвергаются во ВНИИНМ новые материалы, прежде чем стать оболочками твэлов. Не менее скрупулезно ученые подходят к разработке топливных композиций и технологий изготовления таблеток. «Лаб. СР» побывала на материаловедческом участке отдела технологий производства уранового топлива.

фото: «Страна Росатом»

Топливная компания «ТВЭЛ» поставляет на российские и зарубежные АЭС для реакторов ВВЭР, PWR и РБМК ядерное топливо: оксидное урановое, уран-гадолиниевое и уран-эрбиевое. Эти топливные композиции и способы изготовления таблеток из них разработали материаловеды и технологи ВНИИНМ. По каждому виду топлива решается множество вопросов для обоснования типов и соотношения исходных компонентов, включая пластификатор; выбора режима прессования и спекания таблеток, шлифования в размер и приемочного контроля спеченных таблеток. Только после того как в отделе технологий производства уранового топлива проверят множество вариантов, выберут лучший и тщательно протестируют пробную партию, можно начинать промышленное изготовление на заводе — ​тоже под контролем ученых ВНИИНМ.
Технологии изготовления ядерного топлива постоянно совершенствуются, создаются и абсолютно новые композиции. Сейчас, например, в институте разрабатывают толерантное уран-молибденовое топливо.
В этом году ВНИИНМ завершил техническое перевооружение материаловедческого участка отдела технологий производства уранового топлива. «Зарубежные аудиторы говорят: «У вас собрано лучшее современное оборудование и приборы», — ​отмечает начальник отдела Евгений Михеев.

УЧЕНЫЕ ВНИИНМ сравнивают изготовление топлива методом порошковой металлургии с приготовлением печенья. Сначала порошок, как муку, просеивают на мельнице. Затем вводят пластификатор, «масло», и делают пресс-порошок. Далее прессование таблеток. Однокомпозиционный пресс-автомат с несколькими формами позволяет создавать разные таблетки. Можно варьировать давление, время прессования и другие параметры. Задача ученых — ​подобрать режим, чтобы получить таблетки заданной геометрии, однородной структуры.

ПЕЧЬ ДЛЯ ОТРАБОТКИ РЕЖИМОВ СПЕКАНИЯ. В ней задаются температурные режимы и газовые среды, скорость увеличения нагрева (максимум — ​2,2 тыс. °C) и время выдержки. Оборудование полностью автоматизировано, оснащено системами безопасности самого высокого качества.

ГОТОВЫЕ ТАБЛЕТКИ проходят серию испытаний. Методом лазерной вспышки измеряют температуропроводность топлива до облучения.

МИКРОТВЕРДОМЕР измеряет важную механическую характеристику — ​твердость топлива. Также с помощью этого прибора определяют вязкость разрушения, от которой зависит скорость образования и развития трещин в топливных таблетках.

МИКРОСТРУКТУРУ ТОПЛИВА РАССМАТРИВАЮТ через оптический микроскоп. Таблетку разрезают на шлифы. Нетравленые используются для оценки пористости, травленые — ​зеренной структуры и фазового состава. Дополнительно во ВНИИНМ разработали метод оценки параметров пористой структуры с помощью электронного микроскопа (на фото). С таким увеличением можно обсчитывать поры субмикронного уровня.

ДИЛАТОМЕТР (слева) измеряет термическое расширение топлива. Прибор синхронного термического анализа (справа) определяет теплоемкость, фазовые переходы в материале, термическую стабильность.