METALURGICKÉ CH1RAKTEHISTIĽC URANOVÉHO JÍDRA FMUBCOVÉHO ELEMBWTU Jng.S.K«n, Xng.mDoaedl*'- VZÚP-ÚJV, Zbr*alav nad Vt. 1. Úvod Uvedená práce byla ředěnu v ranc výjskumaého úkolu "Trubkové palvové elementy", kt«rý byl součástí «xátnlho f komplexního úkolu C-3 v letech 1966-19?0. Problematka dílčího úkolu výroby uranového jádra byla ř«- ěena ve VSUP Mníšek p.b. (nyní ÚJP-Zbraelav) Technologcký výzkue a vývoj úkolu v uvedeném období zahrnoval tyto dílčí etapy: 1. etapa * V roce 1966 byl řečsn vývoj průtlacného lsování uranových trubek. II.etaps * V roce 1967 byly sahájeny práce na vývoj l" tých uranových trubek* Etapa byla spojena s vyřešením těchto dílčích problému: - ochranných nástřku tavících kelís&ů m fcofe - navržení materálů a konstrukce kokl - úpravy laboratorní vakuové pece pro ltí trubek., III.otope - V roce 1968 byla praktcky ověřována technologe ltí uranových trubek t 52/32x200 do kokl s různých materálů. Qylo odlto ftest odltků uvedeného rozměru. Vady odltků byly epojeny a nízkou lcí teplotou a nízkýn stupněm odplynení kovů kokly.
- 139 * XT.etapa - V roce 1969 ja»e řell technologcký vyfroj lt uranového jádra do graftových předehřívanýcb kokl. Tavby byly odlty na poloprovorní odporové vakuové pec. Celkem byly odlty tř trubky 0 54/34x500. Vntřní kvalta trubek byla srovnatelná a noraou pro vyhodnocen vntřní kvalty fransousských ltých elementů typů EDP. V. etapa - T roce 1970 byly řefeny technologcké problémy vývoje výroby trubkových.jader konečného rozsěru t> 50/40x1125. Bylo odlto pět odltků o surových rozačrech 0 55/34x1200 na upravené poloprovozní odporové vakuové pec. Uvedená práce popsuje- aoučaaný atav řešení úkolu poslední etapy v roce 1970. Navaluje na přeachásející etapy řeení a vyulvá jejch výsledku Cnapř* př použtí v graftu jako materálu kokl a keksfcťk a stablzovaného ZrOg 5% GaO jako asterálu pro ochranný plasmový nástřk graftu)* t Z, Návrh technologe ltí uranového jádra cílových roeaért 0 50/40x1125 t Pro urfen rosaěru surového odltku z čstých rosaéru bylo nutno stanovt velkeré roopfrové přídavky. Tech* nelogcký přídavek opracování vně j 6Ího' a vntřního povrchu trubky by% stanoven podle skúsenost předchásejlcl etapy. Přídavky na délku trubky tvoří náltefc technologcký přídavek pro tepelné spracovaní a přídavky pro vsorky s odltků. Velkost délkových přídavků jsou v tabulce Cl. Tabulka.X
- 140 - Výška náltku byle určena a ohledán na vyaledfc* U t trubek délky 500 m T předcházející etapě vyroja. Přídavek na tepelné opracování byl atanoven podle požadavku technologa. Porovnán Satych romérů uranovéno jádra s aurového odltku je v tabulce.2. Tabulka S.2 Vnôj&í Vntrní 0 Délka rosmfr Surový, rozměr Přídavek 53,5 3,5 40 wm 34 6 1125. 1350 225 Váha vaásky tyla stanovena % váhy surového odltku a předpokládaných odpadů a strát běhen vakuového taven. Vypočtené údaje jsou uvedeny v tabulce' č«3. Stupen využt kovu je stanoven porovnáván* véhy Sctého opracovaného odltku 8 vahou raásky. Tabulka 5,3 Váha surového odltku Váha vaásky uranu G>> Stupeň využtí kovu 33,500 kg 34,500 kg 43,5% 2*1. Návrh a konstrukce lel eestevy Sestava pro gravtační ltí trubky cílového rozačrú tychésí se sku&enoatl předcházející etapy. Sestavě je scheaalcky uvedena na obr.č.l. Skládá ae % těchto nejdftletljlích čóotí:
-141 - Kíchadlo 1 - Bosdělovaf 9 Hástévek kelímku 2 Jád«o 10 Kelímek 3 Kokle 11 Zátka 7 Meskoa 6 Pro výrobu oouóáetí byl použt běžný elektrodový graft. Kelímek je válcový dole a otvorem usavřeným graftovou sátkou. Vntřní povrch je opatřen plasmovým náatřkes a ochranným nátěrem, v obou případech materálem ZrOg + + 5 % CeO. Kokla byla použta rovněž graftová nahoře a rosdělovečem pro ltí tavenny, dole usavřené látkou* Ochranný vntřní nátěr kokly byl proveden stablsovaným ZrO 2 + + 5 % CaO a přísadou malého anožství bentontu a dextrnu. Vntřní romaěr kokly byl stanoven pro rozměry aurovébo odltku s ohledem ne míru smrětění Ř (pro uren = 2%). Jádro bylo provedeno s graftu jako duté, použt byl stejný nátěr jako pro koklu. 2.2. Stanovení vtokové eousavy Pro dmens vtokové soustavy bylo použto stanovení výpočtem (1), kontroly mod lováním (2) a praktcké stanovení podle zkušen08t (3). ad 1) Vychásí ae se sákladních vstahů pro výtok otvorem. Předem stenovená byle lcí doba te*enny s kelímku, ad 2) J«možno použít vody, která mu hodnotu knematcké vekosty přblžně atejnoj jako tavenna uranu př běžné lcí teplotě kolem 1300 C. Byle použto sá* kladnlho vstahu pro hydraulckou podobnost. Krterum Be d. v
~ 142 «ad 3) Př praktckém atenovtní proměru vytokovóho otvoru s kelímku e průméru počtu otvorů % rosdllovase vychá*elo s výsleojtu s přeďshámejíeí etapy lt trubak délky 500. Výpočet vtokové soustavy byl proveden tak, aby toyla př* blžně ftactaovan* lcí rychlost tavenny V 3. Brp«rB*ntálnl 3.1. Použté safttsanl Schema poloprovosnl odporové vakuové pact vlaatn výroby 7ZÚP-Mnlš«k je na obr.s«2. Hlavní charakteratky p«- ca: kapacta 40 kg uranu, max. teplota kelaku 145O C, dosažtelné vakwzn 1.10"*torr. řro ltí uranových trubak byla vakuová pac upravene* Úpravy apo&cvaly v poult nové f spodní Cést pece pro umístění kokly. Pac mcžnuje ohrev! kokly ve vakuu do teploty 1000 C. MSření teploty kokly je čtyřm termočlánky Ch - 4. měření teploty tavenny v ke- ]_ límku je umožněno ponorným termoclánkem Pt - Ft Bh v ochra- I nf AlgO, nebo optckým pyrometrem* Zdrojem proudu je regu- lační transformátor. I I Í 3.2. Kovový uran Výchosím matarálem byl kovový přírodní uran technc- I ké čstoty ve tvaru čepů 0 34x200. 3*3. Provedení taveb Cnarakteratcké údaje navrhovaného tavícího a lcího cyklu jaou v tabulce č.4 Uranové odltky chladly v kokle pod vakuem. Po xchladnutí na normální t -plotu byla pac tmpuftsna vsduchen a lcí souprava a odltkem vyjímána pomocí jeřábu. Zbytky kasru lcí soupravy byly odatraněny v odsávaných boxech. Jádro
- 143 - * odltku bylo dvrtáno na soustruhu s odsávaním. Surové odltky byly vsual** kontrolovány vášěny. Belt byla prováděna rosaôrová kontrola a odbor vzorků pro na* talogrsfoké vyhodnocen a chemckou analysu. Po hrubcvátá vnějšího povrchu byla gamagrafcky kontrolována vntřní kvalte odltků. Tabulka C.4 Výchozí tlak sa studena mn. (torr) Teplota odplynování tavenny í w Doba odplynování tavenny (mn.). Vakuua př ltí mn. (torr) Lcí teplota ( C) Teplota kokly př U t hor.( C) Teplota kokly př ltí dole ( C) Doba tavby (hodny) j 1 ít 3 1360 15 1. 10* 3 1320-1330 1000-800 2,5 3.4. Odltí prvního odltku První tavba byla provadana podlá původního technologckého návrhu, pouse byla sní&ena váha vsázky. Hely být sakány hlavně provosnl údaje během tavby na upraveném sa- řísenl a vyhodnocena kvalta trubky př použtí navržené technologe. Nešlo o dosažení konečné délky odltků. Kvalte odltku byla hodnocena sledováním povrchových vedk, rosmrovou kontrolou a vyhonocením vntřní kvalty. Ra vně jlm povrchu byly zjštěny vady ve spodní část odltku. Rosměrovou kontrolou byla zjštěna nejstejná tloutka atén a křvoet trubky po délce. Na gamagramech bylo vdět vntřní dutnu na obou koncích trubky. Uvedené vady ae vyžádaly úpravu technologe cestou zvýšení teploty kokly, zvýšení rychlost lt světanlm průměru otvoru v kelímku * v rozdělovač. Konstrukční směnou bylo upraveno uložení jádra.
* 5«Poult upravené technologe Fcdle upravené technologe byly odlty títyř ureno- Té trubky. Povrch všech trubek byl velm kvaltní bee povrchových vad. Roamôrovou kontrolou n byly zjštěny díly v tloustce atěn na koncích odltku an jeho křvost po délce, Vntřní kvalta odltků uranového jádra byla nejobtížnějším problémem. Na obou koncích vôech odltých trubek ae ojedněle vyskytovaly vntřní dutny. Střední část dílky odltků byly bas vntřních vad, vdtelných na gsmagramech. Vady na koncích trubek eouvaí a dosaženým níéín teplotam odplynení kokly* Ve spodní Cést odltku se vyskytovaly ojedněle plynové bublny, na horním konc trubek Šlo o staženny* Nžší teplota náltku «působle, t e aemato mělké otevřené staženny vytvořly hlubší uzavřené stasenny* 4* Metalografe ltého uranového jadra Vzorky pro metalografcké vyhodnocení byly odebírány na obou koncích odltků. Metodka přípravy vcarlcu je popaáne ve správě /l/» Makrostruktura je typcká pro ltý nelegovaný materál. V horní část trubek je veln hrubozraná a různorodá co do velkost tvaru srán* Převezu j protažená srna a orentac v radálním eaěrú, což odpovídá tepelnému toku ve aměru kokly. Vyakytttjí ae případy transkryatalsace ae srny protateným akrs celou atônu trubky- Méně íaetá jsou srna zometrckého tvaru. Velkoet zrne ae pohybuje v šrokém ntervalu až do 10 mm. Mekroatrufctura v«spodní čast ja rovněž hruboernné. Ve struktuře převažují zometrcká srna velkost Hr3 mm se snasně členěným hrancem. Ojedněle ae vyskytuj ar-
na radálně protesaná. - 145 - lles charaktere* aekrostruktury trubtlc s rosných tavab nanl vítí rosäl* Odpovídá to stejnéau původu poultho kovového uranu přbxtnft stejné technolog jednotlvých taveb. Mkrostvukttn* byla vyvolán* «Mctt-clytckya leštena leptanu. Jedná se o velm hrubou strukturu* T horní spodní čáat trúbak. Velkost srn *~ aa pohybuje oô 100-1300 /U. Uríení* průaérnébo srna oalsa strukturu jedno*- nacné charaktersotat. Typcké pro lcí strukturu je nepravdelný tvar srn, Členté hrance a přítoanost kluxných Car uvntř sm ev Itos charaktares aakroatruktury a akrostruktury ^> je «ŕej«á souvslost. Mkrostruktura Ä. odpovídá původníau zttjwě hrubému srnu / a podnnkán přechodu struktury s rfí ->/3->4<. a z křvek chladnut odltků vyplývá, že rychlost chladnut v ntervalu 800-55O C je řádově několk C sa anutu^ tedy stalá pro docílen jeaného srna «c. Vyhodnocen vaěatku bylo provedeno př světeenl 25Ox. I? horní část ae vyskytují vaěstky karbdckého charakteru \ komplexní oxyd,-ntrdcké vmeatky. Velkost karbdekých TAěatku je do 10 /U. Zhluky komplexních vaěetků mají vel- koat do 50 u. /ť I Ve spodní óéet převsžují vafatky karbdckého chare- j kteru a aax. velkost do 2 yu t komplexní vaěstky ae vys- kytujl Tyjímečn. Vmôstky jsou vm struktuře rovnoměrné ] rospt^leny. 1 Podle bnárního dagramu U - C se karbdcké voéstky UC troří pod teplotou taven uranu. Z toho vyplývá* Jě na spôsob jejch vyloučen má vlv rychlost chladnutí v hor* ní oblast geaa-fáse. Ponelejšía cnladnutlm^náltkľ l*e tedy odůvodnt hrubší vylouéenl vmstkuv horní 2ést od* ltku. Orentačně byle stanovena hodnota plonéno podílu g I I
, - 146 - vašstkft ve struktuře pomocí přstroj* Quantset Hodnota W 6 % plochy sngku. Práce ukazuje hlavn problémy př vývoj uranového jádra trubkového palvového almentů. Byla vyvnuta technologe gravtačního -lt trubek zadaných rozměrů. Hlavním problémem byla vntřní kvalta uranových odltků. Dosatany stav je srovnatelný a normou pro hodnocení trubek elemantu typu SDP, Z důvodů poruch zařízení nebylo možno Aodržet přesné stanovené technologcké parametry cyklu. Z bespesnoatnlho hledska bylo nutno věnovat zvýšenou pozornost prác př čštěn graftových součást, zvláště kellaků, ktexé jsou po taven znečštěny aktvním produkty přrozeného uranu. Metalografcké vyhodnocení ukazuje na hrubou a nerovnoměrnou strukturu, typckou pro ltý nelegovaný kov* Zjemněn struktury aa účelem zvýšení radační stsblty uranového jádra bylo předmětem vývoje technologe tepelného zpracování z P fáze. Lteratura /!/ M.Jqnéô, Sobotka,V.,Dosedla M.í Příprava uranových trubek, Výzkumná zpráva VZUP Mnšek 6.157, r.1969 / / Jemeljanov,V.S. s Jevstjuchn,A.L-í Matelurgja jaderhogo gerjučego Atomcdat r.1968 /3/ Přbyl,J.: Teoretcké základy slévárenství t.všr Ostrava, r.1965
\ \ 147 /4/ Bruna; Óvod do nauky o prouděn, ČVUT 1963 /$/ Ool^Lww: The vaeostaa "of lqud uranum J.Nucl., Materále 22, f.l, r.1967, otr,28-32 /6/ Tabuly pro tapalne-tecmcká 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.,Val6^í.: Ltí 5epů v odporové vakuové pec, Výskumná správa VZUP Mníštk Č.134,r.l969 /9/ L«rouge,G.,l>acour«,J.: Slaborat-on dea tubes d'uranum taetallqu*, Zpráva CBA.. E 2575, r,1964 /10/ táeljtvík t E.: Tré^nl V S*pu laováolm v norní oblast fé»e, výekuaná správa VZUP Mní6ek, č.125, r.1969 /IV Hanaen t M.: Conattuton of Bnary Alloys, r. 1958 Sazaatt obráskft Obr. 1 - Sehasa lcí aaatavy Obr* 2 - Sehsaa vakuové paea Obr. 3 <- Mskroatructura trubky f.34, svten 1,5 x j 4 - horní čá«t trubky, B - apodnl část trubky J Obr. 4 - Mkroatruktura trubky S.42, tvétô. 100 x \ laktrolytcky lttôno a leptáno j A - horal 6á«t, B - apodnl 6ást! Obr. 5 - Vaíatky u trubky fc.41 - svatenl 250 x í
-148- Obar. X Jfcwt Obr. 2
149 A Obr.3
-150 B Obr. 4
- 151 -.» - - '.. - 1» *'-». - «? -.-.. * v". : * \- *. - " * v ' '. ' '... *..J*. * - Obr. 5