Установка карботермического синтеза (УКТС)

Внедрение установок карботермического синтеза для производства смешанного оксидного уран-плутониевого топлива — перспективное направление предпринимательской деятельности. Специалисты компании “НПО “ГКМП” делятся опытом разработки и запуска оборудования. Информация об особенностях протекания процессов поможет представителям крупного бизнеса принять важное решение.

Карботермический синтез — термохимическая реакция восстановления металлических и неметаллических материалов. Краткое обозначение процесса — КТС.

Автоматизированные комплексы широко используют при изготовлении уран-плутониевого топлива и на других опасных производствах. Установки востребованы в сферах, где процесс не требует присутствия человека. Примеры: атомная энергетика, космическая отрасль, нефтехимия, металлургия, военная промышленность. Оператор УКТС наблюдает за работой оборудования удаленно. АСУ ТП управляет всеми процессами и мгновенно срабатывает при возникновении опасной ситуации.

Условия протекания синтеза — парциальное давление, высокая температура и присутствие углерода. Нитрид — химическое соединение из атома азота и другого элемента, обладающего меньшей электроотрицательностью: нептуния, америция, урана, плутония.

Часть сложного слова «карбо» в названии технологии указывает на присутствие углерода. Чаще других карботермическому синтезу подвергают уран и плутоний. Как видно из формулы, в состав UO2 и PuO2 входит кислород. При высокотемпературном нагреве в печи образуется двуокись углерода, которую удаляют из рабочей зоны.

Цель карботермического синтеза UO2 и PuO2 — получить керамическое ядерное топливо — шашку из мононитрида урана и плутония. После преобразований — дробления, прессования, спекания таблетки, создания ТВЭЛов — продукт используют в ядерных реакторах. Для обозначения керамического топлива применяют аббревиатуру СНУП.

Карботермический синтез и получение нитридов

Предварительная подготовка заключается в дозированном смешивании UO2 и PuO2 с углеродом (сажей), следующая операция — гранулирование.

Порошки урана и плутония обладают низкой текучестью и плохо поддаются прессованию. Чтобы сгладить недостатки, в состав добавляют пластификатор (как правило, стеарат цинка).

Порошкообразную смесь из UO2, PuO2 с химическим агентом помещают в форму и отправляют на обработку давлением. После прессования получают шашку высокой 2-5 мм и диаметром 18-20 мм. Вес заготовки: 7-9 г. Массовая доля оксида урана в шашке составляет 85%, плутония — 15%.

На этом подготовительный этап заканчивается, заготовки загружают в установку (УКТС). Дальнейшие технологические операции и переходы происходят в герметически закрытом пространстве. Результат восстановления оксидов (UO2 и PuO2) — смесь из двух нитридов.

Термохимические процессы протекают в рабочей среде: однокомпонентном газе (азоте, аргоне) или смеси из водорода и азота. Есть зоны УКТС, где допускается минимальное присутствие влаги и воздуха в атмосфере. В целях безопасности концентрацию посторонних веществ контролируют.

В процессе обработки материал нагревают до температуры 1550-1650 0C (± 50 °С). Заданное время заготовки взаимодействуют с постоянным потоком газа: сначала — азота, в следующих печах — смеси из азота и водорода.

Карботермическое восстановление

При нагреве шашек в азоте происходит изменение стехиометрического состава уранового соединения UO2. Следующая стадия технологического процесса — выдержка (при неизменной температуре T = 1650 0C). Атмосфера в рабочей зоне — азот.

В камеру постепенно вводят водород, который вступает в реакцию с избыточным углеродом, образуется метан. Автоматика контролирует концентрацию простейшего углеводорода СН4 в зоне нагрева. Когда уровень метана достигает определенной величины, срабатывает затвор, часть газа выходит из рабочей камеры.

Добавлять водород при выдержке обязательно. Газообразное вещество «связывает» избыточный углерод и получается СН4. Пока длится синтез, метан выпускают из зоны выдержки.

При несоблюдении требования термохимическая реакция развивается по другому сценарию. Наличие в камере четырех компонентов — высокой температуры, нейтрального азота, избыточного количества углерода и уран-плутониевой смеси — идеальное условие для образования карбонитрида (вместо нитрида).

Следующий этап карботермического синтеза уран-плутониевой смеси — охлаждение в аргоне. Инертный одноатомный газ препятствует дальнейшим преобразованиям, когда в результате карботермического восстановления получают высшие нитриды.

Ядерное топливо

Карботермический синтез — часть технологической цепочки изготовления керамического топлива СНУП для быстрых ядерных реакторов.

После КТС следует дробление и измельчение шашек из смеси нитридов. Очередной раз к UO2 и PuO2 добавляют стеарат цинка. Порошкообразную смесь пересыпают в емкость и направляют на прессование. С целью уменьшить хрупкость заготовок, обработку давлением многократно повторяют.

Получают таблетки, которые требуют осторожного обращения. Не допускается соприкосновение боковыми частями, пересыпание, опрокидывание изделий. Чтобы получить плотную и прочную структуру, заготовки упорядоченно укладывают в лодочки и спекают в проходной печи течение 12 часов.

С помощью специального укладчика с присоской на конце таблетки захватывают за верхний торец и укладывают в лодочки. Заготовки нагревают в среде азота (N2) и водорода (H2), затем — инертного газа (Ar). Прессование и спекание выполняют в автоматизированных комплексных УКТС или на отдельном оборудовании.

Завершающие этапы на пути к смешанному уран-плутониевому топливу — изготовление тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) и сборок (ТВСов). Под аббревиатурой ТВС понимают машиностроительное изделие, состоящее из ТВЭЛов, наполненных таблетками.

Основное назначение ТВЭЛов и ТВСов — запустить контролируемую цепную реакцию распада тяжелых ядер плутония и урана в атомном реакторе АЭС (или аналогичной установке). Процесс сопровождается выделением большого количества тепла. ТВЭЛ отводит энергию от топлива к теплоносителю и препятствует проникновению продуктов распада тяжелых ядер урана и плутония в теплоноситель.

Разработка и производство УКТС

Бренд “НПО “ГКМП” известен в России и за рубежом. Компания занимается научно-исследовательской деятельностью и на собственных мощностях производит высокотехнологичные специализированные комплексы и оборудование на заказ. Коллектив разрабатывает проекты для предприятий космической и атомной отрасли, энергетики, приборостроения.

В разделе «Продукция» представлены семь направлений, среди которых вакуумная техника, промышленные термические агрегаты, устройства для термообработки тугоплавких материалов и сплавов. Компания “НПО “ГКМП” принимает заявки на разработку и изготовление установок карботермического синтеза любой степени сложности и назначения.

Преимущества сотрудничества:

• комплексный подход (одна компания отвечает за все работы);
• гарантия надежности и высокой точности работы установок УКТС;
• решение узкоспециализированных задач: реализация процессов обработки металла в одном технологическом комплексе;
• экономия энергоресурсов;
• высокая производительность труда;
• нивелирование негативного влияния человеческого фактора на результат работы за счет полной автоматизации технологического процесса;
• обеспечение безопасности.

На странице сайта представлен реализованный проект “НПО “ГКМП” — установка карботермического синтеза для непрерывного осаждения и спекания материалов в потоке газа.

В производственную линию входит восемь толкательных печей, две шлюзовые камеры и система транспортирования, которая загружает, перемещает и выгружает обработанные изделия. Оборудование не требует постоянного контроля и регулярного обслуживания. Продолжительность безостановочной работы — 365 дней.

Устройство УКТС

Корпус установки карботермического синтеза непрерывного действия состоит из сваренных листов коррозионно-стойкой стали. Электронагреватель выполнен из высокотемпературных композитных материалов, в основном, вольфрама. Реторта печи изготовлена из керамики — оксида циркония (Y-PSZ).

На наружной поверхности корпуса магистраль системы охлаждения с шиберными задвижками на концах. В соответствующем режиме по каналам циркулирует жидкость. Работа запорной арматуры, подачи воды и загрузки заготовок синхронизирована.

Кроме толкательных проходных печей, в состав установки карботермического синтеза непрерывного действия входят компоненты:

• шлюзовые боксы на входе и выходе;
• герметические емкости для охлаждения;
• устройство газоочистки;
• камеры загрузки и выгрузки, связанные с соответствующими шлюзовыми боксами.
• электронное устройство распознавания, считывания и фиксации лодочек.

Дополнительное оснащение установки карботермического синтеза: вакуумные насосы, толкательные механизмы, газовые коммуникации, арматура и системы: управления, оповещение, безопасности. Боксы, шлюзы и камеры связаны транспортной лентой, которая перемещает лодочки с ураном и плутонием, установленные на подложке.

На эффективность протекания карботермического синтеза влияет температура электронагревателя, потока газа и внутреннего пространства реторты с лодочками. В ходе КТС контролируют расход газа.

Еще один важный фактор — поддержание своей газовой среды в камерах, боксах, шлюзах, каналах. Во входной и выходной бокс нагнетают азот. В камерах охлаждения, шлюзовых боксах, каналах выгрузки и загрузки — нейтральный газ (аргон). На входе и выходе каждой емкости установлены герметические шиберные затворы разных типов.

Работа проходных толкательных печей

Автоматизированный комплекс УКТС “НПО “ГКМП” состоит из восьми выстроенных в ряд газовых и вакуумных печей. Технологический процесс карботермического синтеза начинают с укладки прессованных шашек в лодочку. Во входном боксе тару устанавливают на транспортную подложку. Рабочая атмосфера — азот с малым содержанием воздуха и водяного пара.

В схеме компоновки за входным боксом находится шлюзовая камера. Герметичные резервуары связаны между собой и корпусом транспортной системы.

В шлюзовой камере азот откачивают, а аргон нагнетают. На всех переходах УКТС установлены разные шиберные заслонки, которые обеспечивают беспрепятственное перемещение транспортной ленты с лодочками в рабочие камеры и другие резервуары.

Лодочки с шашками поступают в цилиндрическую вольфрамовую реторту, соединенную с шиберами для воды, газовыми трубопроводами, устройством удаления печных газов и установкой газоочистки. Работа компонентов синхронизирована. В цилиндрическую емкость нагнетают аргон, азот или газовую смесь (N2 + Н2). Состав газа зависит от технологического этапа работы: нагрева или выдержки.

Нагрев, выдержка и охлаждение

Конструкция реторты обеспечивает постоянное взаимодействие потока газа с поверхностью шашек. В течение всего времени операции образуются побочные вещества. Датчик сигнализирует о концентрации продуктов распада. Система отвода газов эвакуирует побочные вещества из зоны нагрева.

После выдержки толкательное устройство перемещает лодочки в зону охлаждения — герметически закрытую камеру. После окончания загрузки автоматика запускает подачу воды, циркулирующей по трубопроводам. В зону охлаждения нагнетают аргон, температура — на 250-300 0C ниже, если сравнивать с нагревательной камерой.

За счет небольшой разницы температур резервуар не успевает полностью остыть. Если в следующем технологическом цикле камеру используют для нагрева и выдержки, владелец бизнеса экономит средства на энергоносителях. Когда карботермический синтез завершен, лодочки с шашками из уран-плутониевого нитрида проталкивают к выходу из камеры и бокса.

За работой УКТС удаленно наблюдает один оператор. На выносном пульте управления находятся экраны приборов, которые показывают рабочие параметры (температуру, давление, концентрацию газов), отмечают на мнемосхемах передвижение толкательного механизма и другую информацию.

Безопасность работы установки карботермического синтеза

При соблюдении технологических требований конструкция УКТС сводит на нет вероятность возникновения опасной ситуации. Чтобы исключить аварию, в карте процесса ограничивают массу изотопов плутония и урана, которые одновременно пребывают в печах.

Нитридное топливо обладает особенностями. Соединение способно самовоспламеняться и поглощать жидкости и другие вещества из окружающей среды. Чтобы предотвратить сорбцию и пирофорность материалов, тщательно контролируют инертную атмосферу камер, которые содержат малый процент кислорода и влаги.

Каждая из герметически изолированных емкостей имеет несколько десятков уплотнений. Программное управление через заданные промежутки времени опрашивают каждый узел. Сводная информация поступает на пульт оператора. ПО автоматической системы управления и блокировки отключает от электросети отдельные узлы оборудования и всю установку.

Звоните! Оборудование УКТС, разработанное “НПО от “ГКМП”, полностью соответствует принципам нового (четвертого) уровня организации производства и управления интеллектуальными системами — Industry 4.0.