METALURGICKÉ CH1RAKTEHISTIĽC URANOVÉHO JÍDRA FMUBCOVÉHO ELEMBWTU Jng.S.K«in, Xng.mDoaedli*'- VZÚP-ÚJV, Zbr*alav nad Vit.
1. Úvod
Uvedená práce byla ředěnu v ranci výjskumaého úkolu "Trubkové palivové elementy", kt«rý byl součástí «xátnlhof komplexního úkolu C-3 v letech 1966 - 19?0. Problematika dílčího úkolu výroby uranového jádra byla ř«ěena ve VSUP Mníšek p.B. (nyní ÚJP-Zbraelav) • Technologický výzkue a vývoji úkolu v uvedeném období zahrnoval tyto dílčí etapy: 1. etapa * V roce 1966 byl řečsn vývoj průtlaCného lisování uranových trubek. II.etaps * V roce 1967 byly sahájeny práce na vývoji li" tých uranových trubek* Etapa byla spojena s vyřešením těchto dílčích problému: - ochranných nástřiku tavících kelís&Ů m fcofeii - navržení materiálů a konstrukce kokil - úpravy laboratorní vakuové pece pro lití trubek., III.otope - V roce 1968 byla prakticky ověřována technologie lití uranových trubek t 52/32x200 do kokil s různých materiálů. Qylo odlito ftest odlitků uvedeného rozměru. Vady odlitků byly epojeny a nízkou licí teplotou a nízkýn stupněm odplynení kovů i kokily.
- 139 * XT.etapa - V roce 1969 ja»e řelili technologický vyfroj liti uranového jádra do grafitových předehřívanýcb kokil. Tavby byly odlity na poloprovorní odporové vakuové peci. Celkem byly odlity tři trubky 0 54/34x500. Vnitřní kvalita trubek byla srovnatelná a noraou pro vyhodnoceni vnitřní kvality fransousských litých elementů typů EDP. V. etapa - T roce 1970 byly řefieny technologické problémy vývoje výroby trubkových.jader konečného rozsěru t> 50/40x1125. Bylo odlito pět odlitků o surových rozačrech 0 55/34x1200 na upravené poloprovozní odporové vakuové peci. Uvedená práce popisuje- aoučaaný atav řešení úkolu poslední etapy v roce 1970. Navaluje na přeachásející etapy řeiení a vyuilvá jejich výsledku Cnapř* při použití v grafitu jako materiálu kokil a keKsfcťk a stabilizovaného ZrOg • 5% GaO jako asteriálu pro ochranný plasmový nástřik grafitu)* t
t
Z, Návrh technologie l i t í uranového jádra cílových roeaért 0 50/40x1125 Pro urfieni rosaěru surového odlitku z čistých rosaéru bylo nutno stanovit velkeré roopfirové přídavky. Tech* nelogický přídavek opracování vně j 6Ího' a vnitřního povrchu trubky by% stanoven podle skúsenosti předchásejlcl etapy. Přídavky na délku trubky tvoří nálitefc technologický přídavek pro tepelné spracovaní a přídavky pro vsorky s odlitků. Velikosti délkových přídavků jsou v tabulce C l . Tabulka i.X
- 140 Výška nálitku byle určena a ohledán na vyaledfc* U t i trubek délky 500 m T předcházející etapě vyroja. Přídavek na tepelné opracování byl atanoven podle požadavku technologa. Porovnáni Siatych romérů uranovéno jádra s aurového odlitku je v tabulce £.2. Tabulka S.2 Vnôj&í rosmfir Surový, rozměr Přídavek
53,5 3,5
Vnitrní 0 40 wm 34 6
Délka 1125. 1350 225
Váha vaásky tyla stanovena % váhy surového odlitku a předpokládaných odpadů a strát běhen vakuového taveni. Vypočtené údaje jsou uvedeny v tabulce' č«3. Stupen využiti kovu je stanoven porovnáváni* véhy Sictého opracovaného odlitku 8 vahou raásky. Tabulka 5,3 Váha surového odlitku Váha vaásky uranu G>> Stupeň využití kovu
33,500 kg 34,500 kg 43,5%
2*1. Návrh a konstrukce liel eestevy Sestava pro gravitační lití trubky cílového rozačrú tychésí se sku&enoatl předcházející etapy. Sestavě je scheaalicky uvedena na obr.Č.l. Skládá ae % těchto nejdftleiitljlích čóotí:
-141 Kíchadlo Hástévek Kelímek Zátka 7 Mesikoa
1 kelímku 2 3
-
Bosdělovafi 9 Jádi«o 10 Kokile 11
6
Pro výrobu oouóáetí byl použit běžný elektrodový grafit. Kelímek je válcový dole a otvorem usavřeným grafitovou sátkou. Vnitřní povrch je opatřen plasmovým náatřikes a ochranným nátěrem, v obou případech materiálem ZrOg + + 5 % CeO. Kokila byla použita rovněž grafitová nahoře a rosdělovečem pro lití taveniny, dole usavřené látkou* Ochranný vnitřní nátěr kokily byl proveden stabilisovaným ZrO 2 + + 5 % CaO a přísadou malého anožství bentonitu a dextrinu. Vnitřní romaěr kokily byl stanoven pro rozměry aurovébo odlitku s ohledem ne míru smrětění Ř (pro uren = 2%). Jádro bylo provedeno s grafitu jako duté, použit byl stejný nátěr jako pro kokilu. 2.2. Stanovení vtokové eousiavy Pro dimensi vtokové soustavy bylo použito stanovení výpočtem (1), kontroly mod lováním (2) a praktické stanovení podle zkušen08ti (3). ad 1) Vychásí ae se sákladních vstahů pro výtok otvorem. Předem stenovená byle licí doba te*eniny s kelímku, ad 2) J« možno použít vody, která mu hodnotu kinematické viekosity přibližně atejnoj jako tavenina uranu při běžné licí teplotě kolem 1300°C. Byle použito sá* kladnlho vstahu pro hydraulickou podobnost. d .v Kriterium Be •
~ 142 « ad 3) Při praktickém atenovtní proměru vytokovóho otvoru s kelímku e průméru • počtu otvorů % rosdllovaSe •• vychá*elo s výsleOJtu s přeďshámejíeí etapy l i t i trubak délky 500. Výpočet vtokové soustavy byl proveden tak, aby toyla při* bližněftactaovAn*l i c í rychlost taveniny V 3. Brp«riB*ntálnl 3.1. Použité safttsanl
f ! i ]_ I |
Schema poloprovosnl odporové vakuové pact vlaatni výroby 7ZÚP-Mnlš«k je na obr.S«2. Hlavní charakteriatiky p«ca: kapacita 40 kg uranu, max. teplota keliaku 145O°C, dosažitelné vakwzn 1.10"*torr. řro lití uranových trubak byla vakuová pac upravene* Úpravy apo&Cvaly v pouliti nové spodní Césti pece pro umístění kokily. Pac imcžnuje ohrev kokily ve vakuu do teploty 1000°C. MSření teploty kokily je čtyřmi termočlánky Ch - 4. měření teploty taveniny v kelímku je umožněno ponorným termoClánkem Pt - Ft Bh v ochranfi AlgO, nebo optickým pyrometrem* Zdrojem proudu je regulační transformátor.
I
3.2. Kovový uran
I Í
i I i
Výchosím matariálem byl kovový přírodní uran technické čistoty ve tvaru čepů 0 34x200. 3*3. Provedení taveb Cnarakteriatické údaje navrhovaného tavícího a licího cyklu jaou v tabulce č.4 Uranové odlitky chladly v kokile pod vakuem. Po xchladnutí na normální t -plotu byla pac tmpufitSna vsduchen a l i cí souprava a odlitkem vyjímána pomocí jeřábu. Zbytky kasru l i c í soupravy byly odatraněny v odsávaných boxech. Jádro
- 143 * odlitku bylo ©dvrtáno na soustruhu s odsávaním. Surové odlitky byly visual** kontrolovány • vášěny. Belt byla prováděna rosaôrová kontrola a odbor vzorků pro na* talogrsfioké vyhodnoceni a chemickou analysu. Po hrubcvátá vnějšího povrchu byla gamagraficky kontrolována vnitřní kvalite odlitků. Tabulka C.4 Výchozí tlak sa studena min. (torr) Teplota odplynování taveniny í°w Doba odplynování taveniny (min.) . Vakuua při lití min. (torr) Licí teplota (°C) Teplota kokily při U ti hor.(°C) Teplota kokily při lití dole (°C) Doba tavby (hodiny)
j 1 • iíT3 1360
15
1 . 10*3 1320 - 1330 1000 -800 2,5
3.4. Odlití prvního odlitku První tavba byla provadana podlá původního technologického návrhu, pouse byla sní&ena váha vsázky. Hely být siakány hlavně provosnl údaje během tavby na upraveném sa•řísenl a vyhodnocena kvalita trubky při použití navržené technologie. Nešlo o dosažení konečné délky odlitků. Kvalite odlitku byla hodnocena sledováním povrchových vedk, rosmirovou kontrolou a vyhoiinocením vnitřní kvality. Ra vně jilm povrchu byly zjištěny vady ve spodní části odlitku. Rosměrovou kontrolou byla zjištěna nejstejná tlouitka atén a křivoet trubky po délce. Na gamagramech bylo vidět vnitřní dutinu na obou koncích trubky. Uvedené vady ae vyžádaly úpravu technologie cestou zvýšení teploty kokily, zvýšení rychlosti liti světianlm průměru otvoru v kelímku * v rozdělovači. Konstrukční směnou bylo upraveno uložení jádra.
i* 5« Pouliti upravené technologie Fcdle upravené technologie byly odlity títyři urenoTé trubky. Povrch všech trubek byl velmi kvalitní bee povrchových vad. Roamôrovou kontrolou ni byly zjištěny díly v tloustce atěn na koncích odlitku ani jeho křivost po délce, Vnitřní kvalita odlitků uranového jádra byla nejobtížnějším problémem. Na obou koncích vôech odlitých trubek ae ojediněle vyskytovaly vnitřní dutiny. Střední části dílky odlitků byly bas vnitřních vad, viditelných na gsmagramech. Vady na koncích trubek eouviaí a dosaženými niíéíini teplotami odplynení kokily* Ve spodní Césti odlitku se vyskytovaly ojediněle plynové bubliny, na horním konci trubek Šlo o staženiny* Nižší teplota nálitku «působile, t e aemiato mělké otevřené staženiny vytvořily hlubší uzavřené staSeniny* 4* Metalografie litého uranového jadra Vzorky pro metalografické vyhodnocení byly odebírány na obou koncích odlitků. Metodika přípravy vcarlcu je popaáne ve správě /l/» Makrostruktura je typická pro litý nelegovaný materiál. V horní části trubek je velni hrubozraná a různorodá co do velikosti i tvaru srán* Převezuji protažená srna a orientaci v radiálním eaěrú, což odpovídá tepelnému toku ve aměru kokily. Vyakytttjí ae i případy transkryatalisace ae srny protatenými akrs celou atônu trubky- Méně í a e t á jsou srna izometrického tvaru. Velikoet zrne ae pohybuje v širokém intervalu až do 10 mm. Mekroatrufctura v« spodní časti ja rovněž hruboernné. Ve struktuře převažují izometrická srna velikosti Hr3 mm se snaSně členěnými hranicemi. Ojediněle ae vyskytuji ar-
- 145 na radiálně protesaná. llesi charaktere* aekrostruktury trubtlc s rosných tavab nanl v í t i í rosäil* Odpovídá to stejnéau původu poulitiho kovového uranu i přibXitnft stejné technologii jednotlivých taveb. Mikrostvukttn* byla vyvolán* «Mctt-clytickya leštenia • leptaniu. Jedná se o velmi hrubou strukturu* T horní i spodní čáati trúbak. Velikost srn *~ aa pohybuje oô 100 1300 /U. Uríení* průaérnébo srna oalsa strukturu jedno*naCné charakterisoTat. Typické pro l i c í strukturu je nepravidelný tvar srn, Členité hranice a přítoanost kluxných Car uvnitř sm ev • Itosi charaktares aakroatruktury a aikrostruktury ^> je «ŕej«á souvislost. Mikrostruktura Ä. odpovídá původníau zttjwě hrubému srnu /• a podninkán přechodu struktury s rfí ->/3->4<.a z křivek chladnuti odlitků vyplývá, že rychlost chladnuti v intervalu 800 - 55O°C je řádově několik °C sa ainutu^ tedy stalá pro docíleni jeaného srna «c .
| i
Vyhodnoceni vaěatku bylo provedeno při světeenl 25Ox. ? horní části ae vyskytují vaěstky karbidického charakteru i komplexní oxyd,-nitridické vmeatky. Velikost karbidiekých TAěatku je do 10 /U. Zhluky komplexních vaěetků mají velikoat do 50 /ťu. Ve spodní óéeti převsžují vafiatky karbidického charekteru a aax. velikosti do 2 yUt komplexní vaěstky ae vyskytujl Tyjímečni. Vmôstky jsou vm struktuře rovnoměrné rospt^leny.
I \ | | I j i ] 1
Podle binárního diagramu U - C se karbidické voéstky UC troří pod teplotou taveni uranu. Z toho vyplývá* Jiě na spôsob jejich vyloučeni má vliv rychlost chladnutí v hor* ní oblasti geaa-fáse. Ponelejšía cnladnutlm^nálitkĽ l*e tedy odůvodnit hrubší vylouéenl vmistkuv horní 2ésti od* litku. Orientačně byle stanovena hodnota ploinéno podílu
i i g i I
i
i
|
I
,
- 146 -
vašstkft ve struktuře pomocí přistroj* Quantiset• Hodnota W 6 % plochy snigku.
Práce ukazuje hlavni problémy při vývoji uranového jádra trubkového palivového alimentů. Byla vyvinuta technologie gravitačního -liti trubek zadaných rozměrů. Hlavním problémem byla vnitřní kvalita uranových odlitků. Dosatany stav je srovnatelný a normou pro hodnocení trubek elemantu typu SDP, Z důvodů poruch zařízení nebylo možno Aodržet přesné stanovené technologické parametry cyklu. Z bespeSnoatnlho hlediska bylo nutno věnovat zvýšenou pozornost práci při čištěni grafitových součásti, zvláště kellaků, ktexé jsou po taveni znečištěny aktivními produkty přirozeného uranu. Metalografické vyhodnocení ukazuje na hrubou a nerovnoměrnou strukturu, typickou pro litý nelegovaný kov* Zjemněni struktury aa účelem zvýšení radiační stsbility uranového jádra bylo předmětem vývoje technologie tepelného zpracování z P fáze.
Literatura /!/ M.Jqnéô, Sobotka,V.,Dosedla M.í Příprava uranových trubek, Výzkumná zpráva VZUP Mnišek 6.157, r.1969 /£/ Jemeljanov,V.S.sJevstjuchin,A.L-í Matelurgija jaderhogo gerjučego Atomicdati r.1968 /3/ Přibyl,J.: Teoretické základy slévárenství t.VŠR Ostrava, r.1965
\\
147
/4/ /$/
Bruna; Óvod do nauky o prouděni, ČVUT 1963 Ool^Lwwi: The viaeositiaa "of liquid uranium J.Nucl., Materiále 22, fi.l, r.1967, otr,28-32 /6/ Tabuliy pro tapalne-tecimická výpočty, VŠB Ostrova, r.1958 /7/ Franěk,C: Vakuová tavící p«c, Výzku«ná rpráva VZUP MníS«k, e.ú.Č-3-76, r.X968 /8/ Doa«dl» í M.,Vali6^í.: Lití 5epů v odporové vakuové peci, Výskumná správa VZUP Mníštk Č.134,r.l969 /9/ L«rouge,G.,l>acour«,J.: Slaborati-on dea tubes d'uranium taetalliqu*, Zpráva CBA. . E 2575, r,1964 /10/ táelJtvík t E.: Tréi^nl V S*pu liaováolm v norní oblasti fé»e, výekuaná správa VZUP Mní6ek, č.125, r.1969 / I V HanaentM.: Conatitution of Binary Alloys, r . 1958
Sazaatt obráskft Obr. 1 - Sehasa l i c í aaatavy Obr* 2 - Sehsaa vakuové paea Obr. 3 <- Mskroatruictura trubky fi.34, s v i t i e n i 1,5 x 4 - horní čá«t trubky, B - apodnl část trubky Obr. 4 - Mikroatruktura trubky S.42, tvétô. 100 x •laktrolyticky l t i t ô n o a leptáno A - horal 6á«t, B - apodnl 6ást Obr. 5 - Vaíatky u trubky fc.41 - svatienl 250 x
j J \ j ! í
-148-
Obar. X
Jfcwt
Obr.
2
149
A
Obr.3
-150
B
Obr. 4
- 151 -
•
.» '
* ' - » . •
-•
•«?••
•
-
:
* \-
.-.
.•
•
*
- •. . - 1 —
•
»••
• •
v"
.
•*
•. -
"*
v ' '. •
'•• •
'i
Obr. 5
...
*.
.J* •. * -
