1. Ulusal Nükleer Yakıt Teknolojisi Sempozyumu, 3-S-Evlül 1997. CNAEM, İstanbul TR0000017 UO 2 YAKIT YAPIMINA ESAS TOZ VE PELETEERİN HAZIRLANMASI Ş. CAN, B. KOPUZ. T.AYBERS, Y. BAYRAM, İ. YURTSEVEN, N.ATEŞ Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merekzi, İSTANBUL ÖZET Bugün dünyada çalışmakta olan ticari güç reaktörlerinin bir kaç tanesi hariç hepsinde yakıt malzemesi olarak uranyum dioksit (UO 2 ) kullanılmaktadır. UO 2 'nin bu kadar yaygın bir şekilde kulaamlmasınm nedeni onun fiziksel ve kimyasal özellikleri ile ilgilidir. UO 2 seramik özelliği gösteren bir malzeme olduğundan ısıl iletkenlik katsayısı düşük, buna karşın erime noktasının yüksek olması nedeniyle reaktör yakıtı olarak kullanılmaktadır. ÇNAEM Nükleer Yakıt Teknolojisi Bölümünde nükleer yakıt yapımında kullanılan uranyum bileşikleri sarı pastadan başlayan çözme, arıtma ve çöktürme kademelerinden sonra elde edilen Amonyum diuranatın (ADU) havada kavrulması ve hidrojen atmosferinde indirgenmesiyle elde edilmiştir. UO 2 tozları özgül yüzey alanı, tane boyutu, O/U oram tayinleri yapılarak karakterize edilmiştir. Bağlayıcı olarak %0.2 stearik asit ilave edilmiştir. Daha sonra preslenerek 15 mm çapında ham UO 2 peletlleri elde edilmiştir. Presleme işleminde hidrolik pres kullanılmıştır. Aparat ve kalıp sistemi çift taraflı sıkıştırma olanağı sağlayan ve yüzen kalıp sistemi diye adlandırılan yöntem kullanılmıştır. Elde edilen ham peletler daha sonra sinterleme işlemine tabi tutulmuştur. ABSTRACT Most of the commercial nuclear power plants use uranium dioxide (UO2) as fuel due to physical and chemical propreties of UO 2. UO 2 is a ceramic material it has low thermal conductivity and high melting point and therefore can be used in nuclear power plants. The nuclear grade uranium compounds are produced at Nuclear Fuell Technology Department of CNRTC using the following route: desolution and purification of yellow cake and precipitation of ammonium diuranate (ADU), calcination of ADU in air and reduction in hydrogen atmosphere to UO 2. The UO 2 powder characterized by specific surface area, particle size and O/U determinations. 0.2 % stearic acid is added to the UO 2 powder and green pellets of 15 mm diameter are pressed. Hydrolic press with a floating die system and double pressing action is used. The gree pellets are then sintered. 165
TOZLARIN HAZIRLANMASI Nüklleer güç reaktörlerinde yakıt malzemesi olarak uranyum dioksit (UO,) kullanılmaktadır]!]. Uranyum dioksit seramik malzemedir ve uo2 peletleri toz metalürjisi yöntemleriyle üretilmektedir. Toz metalürjisi yöntemi için öncelikle uranyum dioksit tozlarının üretimi önemlidir. Uranyum dioksit tozlan amonyum diuranat (ADU) ve amonyum uranil karbonat (AUC) yöntemi kullamlmaktadır[2]. Her iki bileşik de önce kavrularak UO 2 veya U 3 O s 'e dönüştürülmektedir. Sonra bu bileşikler hidrojen atmosferinde indirgenerek tozlan elde UO2 edilmektedir. İndirgeme sıcaklığı olarak 600 C alınmaktadır. UO 2 stokiyometrik bir bileşik olmadığından indirgeme sonrası havaya çıkarıldığında oksitlenmeye başlamaktadır. Bu oksitlenme tozların yüzey aktiviteleri ve reaktifliklerine bağlı olarak hızlı veya yavaş olmaktadır. O/U oranın yaklaşık sabit bir değerde kalması için indirgeme sonrası, tozları uo pasivasyona tabi tutulmaktadır. Pasivasyon işlemi için 100 "C'de % 1 hava içeren azot gazı kullanılmaktadır[2]. Elde edilen UO, tozları belli tane boyutu, kristal yapısı ve özgül yüzey alanına sahip olması gerekmektedir. Bu özelliklerin uygun değer aralıklarında bulunması yani ADU veya AUC'nin çöktürme parametreleri olan ph, çöktürme sıcaklığı, karıştırma hızı ve uranyum konsantrasyonu gibi parametrelere bağlıdır. Ayrıca indirgeme aşamasındaki indirgeme sıcaklığı da toz özelliklerine direkt olarak etki etmektedir. Yüksek sıcaklıkta indirgeme işlemine tabi tutulan tozlar düşük sıcaklıkta indirgeme işlemine tabi tutulan tozlardan daha büyük kristal yapısı ve dolayısıyla daha büyük tane boyutuna sahip olmaktadır. Yüksek sıcaklıkta indirgenen tozlar bu sıcaklıkta az da olsa sinterlenmeye tabi tutulmuş gibi olmakta dolayısıyla taneler büyümüş olmaktadır. UO 2 TOZLARININ KARAKTERİZASYONU Toz metalürjisi açısında tozlarda bulunması gereken özellikler şunlardır: - Tane boyutu dağılımı - O/U oranı - Özgül yüzey alanı - Yığma yoğunluğu - Akışkanlık UO, tozlarının tane boyutu dağılımı mikroskop (elektron veya optik mikroskop), lazer tane boyutu tayin cihazı, sedimantasyon yöntemleri ile yapılmaktadır. l;o, tozlarından istenilen boyutlarda peietler elde etmek için kalıplarda preslenmektedir. Ancak preslenecek tozların uygun özelliklerde olması gerekmektedir. Üretim açısından önemli ol lan iki özellik vardır. Bunlardan birisi tozun yığma yoğunlluğu, ikincisi ise tozun akıcılığıdır. Yığma yoğunluğu tozun ölçekli bir kaba doldurulduğundaki birim hacminin ağırlığıdır. Bu özellik preslemede presleme oranına direkt olarak bağlıdır. Yığma yoğunluğu yüksek olan daha az sıkıştırma oranı ile istenillen yoğunluğa ulaştığı halde, yığma yoğunluğu düşük olan tozlar daha yüksek sıkıştırma oranı gerektirmektadir. Bu da istenilen yoğunluğa ulaşılmada zorluk ve homojen olmayan yoğunluk dağılımına neden olmaktadır. Sıkıştırma oranı ve homojen olmayan yoğunluk dağılımına etki eden diğer bir özellik tozun akıcılığıdır. Tozun belli sürede belli kalıp boşluğunu doldurması gerekmektedir. Akıcılığı yüksek olan tozlar kalıp boşluğunu daha kolay doldurmaktadır. Dolayısıyla daha homojen yoğunluk dağılımlı ham peietler elde edilmektedir. Tozun akıcılığı 166
tozun kristal yapısı, tane boyutu dağılımı, topaklanma özelliği tarafından tayin edilmektedir. ADU yöntemiyle elde edilen UO 2 tozlan topaklanmaya daha müsait olduklarından akıcılıkları düşük olmaktadır. Bu özelliği iyileştirmek için tozlar bir ön kompaktlaştırma ile pelet haline getirilmekte sonra bu peletler kırılıp yeniden elenerek uygun elek fraksiyonları alınmaktadır. ADU yöntemiyle üretilen tozlardan 45-75 mikron arası tozlardan yapılan peletlerin yığma yoğunluğu 2,5 gr/cm 3, -45 mikron altına geçen tozların yığma yoğunlukları 1.70-1.90 gr/cm 3 olarak bulunmuştur. Dolayısıyla 45-75 m arası tozlardan daha kolaylıkla %50-55 yoğunluklu ham peletler elde edilmiştir. Tozların iyi sıkıştırılabilmeleri ve kalıp cidarlarına yapışma olmaması yağlayıcı ve bağlayıcılar tozlarına İlave edilmekktedir. u02 Bizim çalışmalarımızda yağlayıcı ve bağlayıcı olarak %0.2 oranında stearik asit ilave edilmiştir. KALIP, APARAT VE PRES Presleme işlemi için makanik ve hidrolik presler kullanılmaktadır. Bazen özel amaçlar için izostatik preslerde kullanılabilmektedir. ÇNAEM Nükleer Yakıt Teknolojisi Bölümünde tarafımızdan tasarlanıp, piyasada imal ettirilmiş olan-20 tonluk hidrolik pres kullanılmaktadır. Hidrolik presin şematik resmi Şekil l'de görülmektedir. Alt 1 ve üst silindirler hidrolik mekanizma ile hareket etmektedir. Bu pres hem manuel ve hem de otomatik olarak çalışabilmektedir. Manuel çalışma modunda toz yükleme elle yapılmakta, otomatik çalışma durumunda ise otomatik toz yükleyici ile toz yüklenebilmektedir. Preste kullanılan kalıp ve aparat sistemi tamamen yerli olanaklarla tasarlanıp imal ettirilmiştir. Kalıp malzemesi olarak kalıp çeliği kullanılabildiği gibi daha pahalı olan karbür malzeme kullanılabilmektedir. Karbür malzeme daha ziyade yüksek üretim ölçekleri için uygundur. Laboratuvar ve pilot çaptaki uygulamak için standart kalıp çeliklerinin kullanılması uygundur. Bizim sistemimizde yüzen kalıp diye adlandırılan prensip kullanılmaktadır. UO 2 'nin seramik bir malzeme oluşu dolayısıyla aşındırcılığm yüksektir. Dolayısıyla kalıplann yüzeyleri cok iyi taşlanmış ve Sertlikleri kalıpta 64 Re, maçalardaise 60 Re sertliğinde olması gerekmektedir. Taşlama sonrası yüzeyler 1 um elmas pasta ile parlatılmaktadır.kalıp ve aparatın diğer parçalan imalat çeliğinden yapılmıştır. Ayrıca çalışma koşullarından dolayı kalıpların mekanik dayancmın da yüksek olması gerekmektedir. Şekil 2'de kalıp ve aparat sistemin çalışma şekli görülmektedir. Bu şekle göre önce kalıp boşluğuna tozlar doldurulmakta sonra üst kalıp aşağı doğru hareket ederek toz sıkıştırılmaya başlamaktadır. Bu sıkıştırma olayı esnasında tozlar yaklaşık bir akışkan gibi hareket ederek önce boşlukları doldurmaktadır. Boşluklar dolduktan sonra bu defa tozlar bulundukları ortam olan kalıp cidarlarına basınç uygulamaktadır. Aparat sistemindeki düzenek yardımıyla yukarıdan uygulanan kuvvet sürtünme dolayısıyla kalıbı aşağı doğru itmektedir. Düşük basınçta bir hidrolik düzenekle dengede tutulan alt silindir basıncın etkisi ile aşağı doğru hareket ederek sabit durumdaki alt maçanın izafi olarak yukarı doğru sıkıştırma yapmasını sağlamaktadır. İşte bu sisteme' yüzen kalıp sistemi denilmektedir. Karıştırılmış tozlar çapı 15 mm olan yukarıda çalışma prensibi anlatılmış olan kalıplarda preslenerek silindirik peletler elde edilmiştir. Presleme sonrası ham peletlerde çap ve boy ölçümleri yapılmıştır. Çaplar ortalama 15.01 mm olarak bulunmuştur. Bu farklılık ham peletlerin kalıptan çıktıktan sonra genleşmeden dolayı meydana gelmektedir. 167
KAYNAKLAR: [1] ASSMANN, H., DÖRR W., "Microstructure and Density of U02 Pellets for Light Water Reactors as Related to Powder Properties", Ceramic Powders, Edited by P. Vincenzini, 1983, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, 1983 [2] YI-MING Pan, CHE-BAO Ma and NIEN-NAN Hsu, " The Conversion of UO, via Ammonium Uranyl Carbonate: Study of Precipitation, Chemical Variation and Powder Properties" Journal of Nuclear Materials 99(1981) 135-147, North- Holland Publishing Company, 168
Elektrik panosu üst aşağı *-j (yeşil) Alt aşağı (aarı) Alt,/ukarı (san) üst yakara, (kırmızı) üst aşağı (yeşil) Basınç ayar ventilleri Şekil 1. Hidrolik pres genel şeması 169
IB' 90* «5* «0 225* 270* 3S* 360 Alt maça Şekil 2. Presleme işleminin şematik olarak görünüşü 170