Расчетно-экспериментальное обоснование конструкции рабочего канала печи спекания таблеток смешанного нитридного уран-плутониевого топлива

Шамсутдинов Р.Н., Павлов С.В., Лещенко А.Ю., Кузьмин И.В.

Сборник докладов V Международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики» (МНТК НИКИЭТ-2018), Москва, 2-5 октября 2018 г.

 PDF версия

Заключительным этапом технологического процесса фабрикации таблеток смешанного нитридного уран-плутониевого (СНУП) топлива является спекание таблеток в проходной печи толкательного типа [1, 2]. Спекание проводят в восстановительной атмосфере смеси газов – аргона, азота и водорода. Спекаемый продукт в автоматической высокотемпературной горизонтальной толкательной печи спекания последовательно проходит зоны предварительного нагрева, спекания и охлаждения, для каждой из которых определены требования по составу газовых сред [1, 2]:

• нагрев и охлаждение продукта должны осуществляться в атмосфере аргона с содержанием азота в аргоне менее 0,1% об.;
• спекание продукта должно осуществляться в азотно-аргоновой атмосфере с концентрацией азота не менее 50% об.

На рабочих температурах, которые могут достигать 1950 °C, проблематично проводить отбор газовых проб для контроля и управления технологическими процессами в печи в силу её конструктивных особенностей. При разработке печи принята концепция, по которой выполнение заявленных требований к составу газовых сред должно обеспечиваться с помощью принятых обоснованных научно-технических решений, что существенно упрощает эксплуатацию печи и повышает ее надежность.

Цель работы – разработка и расчетно-экспериментальное обоснование конструкции рабочего канала печи спекания СНУП топлива в части конструктивных и технологических решений, которые обеспечивают требуемый состав газовых сред в различных температурных зонах.

Выполнен комплекс расчетно-экспериментальных исследований в обоснование конструкции рабочего канала печи спекания:

•  по результатам расчетных исследований в программном комплексе Ansys Fluent для выбранной схемы подачи газов и принятых конструктивных решений (геометрия и расположение барьеров, мест подачи аргона и азотоводородной смеси, выходного отверстия для сдувки печных газов) для рабочего канала печи спекания разработана расчетная газодинамическая модель.
•  для проверки построенной расчетной газодинамической модели рабочего канала печи спекания реализован экспериментальный стенд и получено удовлетворительное отклонение расчетных от измеренных значений концентраций кислорода в аргоне в точках пробоотбора 1-6 в макете рабочем канале печи спекания при комнатной температуре, которое не превышает 17 % (в абсолютных единицах 4,3 об.%).
•  реализованы конструктивные решения для рабочего канала в созданной печи спекания и подтверждена адекватность расчетной газодинамической модели рабочего канала печи спекания на основе измеренных значений концентраций кислорода в аргоне в точках пробоотбора 1-6 при комнатной температуре. Максимальное относительное отклонение расчетных значений объемной концентрации кислорода в аргоне от измеренных в точках пробоотбора 1-6 не превышает 12 % (в абсолютных единицах 5 об.%).
• определены технологические параметры (расходы газов, избыточное давление) обеспечивающие выполнение установленных требований для состава газовых сред в рабочем канале печи спекания для рабочих температур.