Моделирование распределения газов в печи спекания для производства смешанного нитридного уран-плутониевого топлива

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

VI научный семинар "Моделирование технологий ядерного топливного цикла", Снежинск, 24-27 января 2017 г.

В технологическом процессе изготовления смешанного нитридного уран-плутониевого топлива, наряду с получением исходных нитридов урана и плутония, прессования таблеток для твэлов, важное место занимает процесс спекания таблеток (U, Pu)N [1]. Спекание таблеток проводится в непрерывном режиме в горизонтальной высокотемпературной толкательной печи, особенностью которой является наличие трех зон: предварительного нагрева, спекания и охлаждения. К газовой среде печи спекания сформулирован ряд требований:

• объемная концентрация смеси газов N₂ + 7% H₂ в Ar в температурной области 1850-1950 °C должна быть больше 50%;
• время изотермической выдержки (1850-1950 °C) должно быть не менее 10 ч [2];
• объемная концентрация смеси газов N₂ + 7% H₂ в Ar в области с температурой до 1300 °C должна быть меньше 0,1%.

Таким образом, для выполнения поставленных требований при разработке печи спекания необходимо решить задачу по выбору наиболее оптимальных параметров:

• определить геометрическое место размещения входа и выхода для подачи смеси газов N₂ + 7% H₂ и сдувки газовых сред, соответственно;
• определить значения и соотношения между расходами подаваемых газов (Ar, смеси N₂ + 7% H₂);
• подобрать схему газовых зазоров между лодочками с таблетками, загруженными в печь спекания, и верхней стенкой печи;
• подобрать длину барьеров, разделяющих зоны предварительного нагрева и охлаждения с зоной спекания;
• оценить влияние подогрева смеси газов N₂ + 7% H₂, подаваемой в печь спекания, на распределение концентрации газов и температуры в печи спекания;
• оценить влияние диаметра входного отверстия для подачи смеси N₂ + 7% H₂ на распределение концентрации газов и температуры в печи спекания_.

Для решения поставленной задачи была произведена серия расчетов с использованием ПО Ansys Fluent и осуществлена оценка распределения газов в печи спекания. Выданы рекомендации по наиболее оптимальным параметрам для конструкции печи спекания.

В результате серии расчетов были получены геометрические и технологические параметры, обеспечивающие выполнение технических требований для осуществления процесса спекания и получения таблеток (U,Pu)N высокой плотности. Данные параметры используются в разрабатываемой конструкции печи спекания для производства (U,Pu)N. Определено дальнейшее направление исследований, которое включает в себя верификацию расчетной модели.

Список литературы:

1. Алексеев С.В., Зайцев В.А. Нитридное топливо для ядерной энергетики: Москва: Техносфера, 2013. – 240 с.
2. Шорников Д.П., Бурлакова М.А., Тарасов Б.А., Никитин С.Н., Якуткина Т.В., Юрлова М.С., Получение и компактирование методами плазменно-искрового и электроимпульсного спекания нанопорошков нитрида урана, Вектор науки ТГУ №3, 2013, с. 95-98.