1. Ulusal Nükleer Yakıt Teknolojisi Sempozyumu. 3-5 Eylü U(X PELETLERİ SİNTERLEMESİ I TR0000018 Ş.CAN, T.AYBERS, L.ÇOLAK, B.KOPUZ, Y.BAYRAM, K.CİMCİM, A.YAYLI, A.A.AKŞİT, İ.YURTSEVEN, İ.YILDIZ, S.ALBAYRAK, N.ATEŞ, G.BİRDANE, H.KÖSE Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi, İSTANBUL ÖZET Nükleer güç reaktörlerinde kullanılan UO 3 peletlerinin üretimi bir seri kimyasal ve metalurjik işlemleri içermektedir. Bunlardan bir tanesi sinteriemedir. Sinterleme olayı basınç altında sıkıştırılan tozun yüksek sıcaklığın etkisi altında biribiriyle kompakt bir parça oluşturacak şekilde bağlanmasıdır. Böylece tozların yüzey enerjileri azalarak karariı bir yapıya ulaşması söz konusudur. Sinterleme biribirini takip eden 6 kademede olur. Toz partiküllerinin basınç altında- sıkıştırılması ile elde edilen peletlerin sinterlenmesi iki şekilde olur. 3) Düşük sıcaklık sinterlemesi, 1100 C'de CO 2 atmosferinde. 2) Yüksek sıcaklık sinterlemesi, 1700 C de H 2 atmosferinde. UO 2 peletlerinin sinterlenmesinde hiçbir zaman % 100 teorik yoğunluğa ulaşılması istenmez. Fakat % 95 in altındaki yoğunluklarda arzu edilmez. ÇNAEM Nükleer yakıt teknoloji bölümünde UO 2 tozlarından preslenerek elde edilen ham peletler yan kontinü çalışan finnda 1700 Cde H 2 atmosferinde sinterîenmiştir. Sinterleme süresi 4 saattir ve bir tepsinin finnda kalış süresi yaklaşık 22 saattir. Bu şartlarda çalışılan bir kampanya ile sinterlenmiş UO 2 nükleer yakıt peletleri üretilmiştir. Sinterlenen peletlerde % 97 lik teorik yoğunluklar elde edilmiştir. ABSTRACT The production of UO 2 pellets used in Nuclear Power Reactors consists of chemical and metallurgical processes. One of these processes is sintering. Sintering is the production of compact bodies from powder particles pressed under pressure at elevated temperatures. In this process surface energy of the particles decreases and the pellets reach a more stable structure. Sintering process takes place at 6 steps. There are 2 different sintering procedures for UO 2. These are 1) Low temperature sintering at 1100 C (Oxidative sintering) in CO 2 atmosphere 2) High temperature sintering at 1700 C (Reducing sintering) in H 2 atmosphere At ÇNAEM Nuclear Fuel Department UO 2 green pellets have been sintered at 1700 C in H 2 atmosphere. Sintering time is 4 hours. Trays loaded with pellets stay in the fijrnace for total of 22 hours. UO 2 pellets have been sintered with a campaign programmed in this way and it has been observed that these pellets have 97 % theoretical density. 171
GİRİŞ Sinterleme basınç altında sıkıştırılan toz partiküllerinin yüksek sıcaklığın etkisi altında biribiri ile kompakt bir parça oluşturacak şekilde bağlanmasıdır [1]. Sinterleme olayı diffüzyon kontrollü bir proses olup biribiriiii takip eden 6 kademede olur. 1) Partiküller arası ilk bağlanma: Sinterlemenin ilk anlarında malzeme ısıtılırken meydana gelir. Bağlanma prosesi tane sınırlarının hareketine neden olan atomların difuzyonunu gerektirir. Bu olay fiziksel temasın olduğu komşu partiküller arasında meydana gelir. Bu kademede malzemede herhangi bir boyutsal değişiklik görülmez. Ancak malzemeye yüksek derecede bütünlük veren bağlanma olayı meydana gelir. 2) Boyun büyümesi:ilk kademede oluşan bağ boyun olarak adlandırılır. İkinci kademede bu boyunlar büyür. Bu durum da malzeme içinde daha büyük bağlanmayı ifade eder. Boyun büyümesi sinter kütlesi içinde malzeme taşınmasını gerektirir. Bu kademe porozitenin sürekliliğini etkilemez. Sinter kütlesi içinde biribiri ile bağlantılı olan orijinal porozite kanalları boyun büyümesi ile daha düz hale gelir. Orijinal temaslar hemen hemen nokta olmasına rağmen boyun büyümesinden sonra bu kontaklar düzlemsel hale gelir. 3) Por kanallarının kapanması: Porozitenin doğasında büyük değişiklikleri temsil eder. Dolambaçlı ve biribiri ile bağlantılı por kanallarının kapanması kapalı porozitenin oluşumuna neden olur. Por kanallarının kapanmasının nedenlerinden biri boyun büyümesidir. Bununla birlikte porlann büzülmeside por kanallarının kapanmasına neden olur. Çünkü porlann büzülmesi por yüzeyleri arasında yeni temas noktalarına neden olur. Bundan dolayı por kanallarının kapanması kademesi bir müddet sürebilir ve 4 üncü 5 inci kademe ile de çakışabilir. Mikroyapı incelemelerinden porozitenin genel durumu hakkında bilgi elde edilebilir fakat porozitenin miktarı hakkındaki en doğru bilgiler sıvıya daldırma yöntemine göre yapılan yoğunluk ölçümü neticesinde elde edilir. 4) Porlann yuvarlaklaşması : Por yuvarlaklaşması boyun büyümesinin doğal bir sonucudur. Malzeme por yüzeylerinden boyun bölgelerine taşındığı zaman porlar kendiliğinden vuvarlaklaşır. 5) Por büzülmesi: Por büzülmesi yeterli zaman ve sıcaklıkta sinter kütlesinin yoğunlaşması ile kendini belli eder. Sadece tek bileşenli sistemler için yoğunlaşma por büzülmesine eşit olabilir. Daha kompleks malzemelerde diğer prosesler hem büzülmeye hem genleşmeye neden olabilir ve por büzülmesinden dolayı olan herhangi bir yoğunlaşmayı maskeleyebilir. Por büzülmesi, katı malzemenin porozite içine, porozite içindeki gazında malzeme dışına transferini gerektirir. Bütün porozitenin giderilmesi bir toz metalürjisi malzemesinde çoğunlukla arzu edilen bir hedeftir [1]. Ancak UO 2 gibi seramik türü yakıtların reaktörde ışınlanmaları esnasıda oluşan fısyon ürünü gazlan yapıda tutabilmeleri için yoğunluğu düşürmeyecek oranda poroziteye sahip olmaları gerekmektedir [2]. 6) Por büyümesi: Proses sadece küçük kapalı porların kaybolmaları ve daha büyük porlann oluşmasından ibarettir. Toplam porozite aynı kalır fakat por sayısı azalır. UO 2 SİNTERLEMESİ Nükleer güç reaktörlerinde kullanılan UO, peletlerinin üretimi bir seri toz metalürjisi işlemlerim içermektedir (Öğütme, eleme, bağlayıcı karıştırma, presleme, ham peletlerin muayeneleri). Bunlardan en önemlilerinden biri de sinterlemedir. Çünkü sinterleme olayı UO 2 peletlerinin mikroyapı ve yoğunluklarının tayininde önemli bir adımdır. Şayet bir UO, peleti nükleer yakıt olarak kullanılacaksa aşağıdaki özelliklere sahip olmalıdır [2]. 172
a) Yüksek yoğunluk (yaklaşık % 95 Teorik yoğunluk). b) İşınlanma esnasında fisyonun neden olduğu şişme ve yoğunlaşmanın karşılıklı dengelenmesi ile ilgili optimize olmuş pelet mikroyapısı. c) Düşük safsızlık seviyesi özellikle fluor ve H 2 içeriği. d) Stokiometrik kompozisyon arzu edilir. Çünkü UO, içindeki aşın O, termal iletkenliği azaltır. Sürünme davranışını olumsuz yönde etkiler ve fisyon ürünlerinin kimyasal durumunu değiştirerek LWR yakıt çubuklarında daha fazla oksidasyona neden olur [2]. UO 2 peletlerinin sinterlenmesi 2 şekilde yapılır a) Düşük sıcaklık smrerlemesi (Oksitleyici sinterleme'l Bu yöntemde sinterleme işlemi CO 2 Atmosferine 1100 C de 1/2 saatte gerçekleştirildikten sonra H 2 Atmosferinde indirgeme yapılır. (Şekil 1) de sürekli bir düşük sıcaklık sinter fanı gösterilmektedir [2]. Ancak bölümümüzde kendi imal ettiğimiz 1200 C'ye çıkabilen bir fırında düşük sıcaklık sinterlemesi çok düşük skalalarda gerçekleştirilebilmektedir (Şekil 2). Bu finnda ham peletler önce CO, atmosferinde 1100 C'ye kadar ısıtılır 1100 C'de 30 dakika CO 2 atmosferinde tutulduktan sonra CO 2 gazı kesilir ve H 2 gazında bir süre bekletildikten sonra soğutmaya alınır. Finn iyice soğutulduktan sonra numuneler çıkanlır. b~l Yüksek sıcaklık sinterlemesi (indirgeyici sinterleme") Bu yöntemde sinterieme işlemi 1700 C de H 2 Atmosferinde 3-5 saatte geçekîeştirilir (Şekil 1) [2]. DENEYDE KULLANILAN CİHAZLAR VE DENEYİN YAPILIŞI ÇNAEM Nükleer yakıt teknolojisi Bölümünde yapılan pilot seviyede sinterleme çalışmasında 4'er kişilik 3 ekip 24 saatlik vardiyalar halinde çalışmıştır. O/U oranı 2.18 olan UO 2+X tozlarından preslenerek elde edilen % 55 teorik yoğunluğa sahip ham peletler yan kontinü çalışan firma elle Mo tepsiler içinde yüklendi (Şekil 3). Bu finnda 3 adet ısıtıcı rezistans kullanılmıştır. 1.Bölge: Kantal rezistans ısıtıcı max 600 C 2.Bölge: Molibden rezistans ısıtıcı max 1500 C 3.Bölge: Molibden rezistans ısıtıcı max 1800 C Finnda hem kantal hem molibden rezistanslar 12 cm çapındaki alümina tüp üzerine sarılmışlardır. Alümina tüp içine yerleştirilen Mo ray üzerinde UO 2 peletlerinin içinde olduğu Mo tepsiler itici motor sayesinde hareket ettirilmektedir. Fınnın 4m 3 /saat olan H 2 ihtiyacı H 2 jeneratörü tarafından sağlanmaktadır. Fmn ısıtılmaya başlamadan önce hem odalara hemde tüp içersine N 2 gazı verilerek süpürme yapılır. Sistemin havadan iyice temizlendiğinden emin olunduktan sonra N 2 gazı yerine H 2 gazı verilerek 300 C/saat ısıtma hızıyla 1700 C'ye ısıtılır. Burada dikkat edilmesi gereken bir husus bağlayıcının giderilmesi esnasında çıkabilecek problemlerden kaçınmak için tüp içersine verilecek olan H 2 gazının akış yönünün peletlerin hareketine tam karşı yönden olmasıdır. Sinterleme reaksiyonu için gerekli olandan fazla H 2 gazı finnın yükleme ve boşaltma kapılarında bulunan bütan alevi ile bir alev perdesi oluşturacak şekilde yakılmaktadır. Yüksek sıcaklık bölgesinin bulunduğu odaya H 2 gazı verilmesinin nedeni hem düşük bir pozitif basınç oluşturmak hemde Mo rezistansların oksitlenmesini önlemektir. Odaya verilen bu H 2 finn üzerinde çıkış deliğinde bulunan bütan alevi ile yakılmaktadır. 600 C lik kantal rezistansın bulunduğu bölgeyede aynı maksatla Ar gazı verilmektedir. Sinterleme olayı 1700 C de H 2 atmosferinde 4 saatte tamamlanmaktadır. Fırına yükleme ve boşaltma yapılırken tüp içine hava girmesine mani olmak için H 2 debisi arttırılmaktadır. Peletlerin finnda kalma süreleri itici motorun hızını değiştirmek suretiyle 173
ayarlanmaktadır. Bu çalışmada tepsi hızı 11 cm/saat olarak ayarlanmıştır. Peletlerin sinterlenmesi biribirini takip eden 5 bölgede yapılmaktadır. 1) Yükleme (ısınma) bölgesi 70 cm, 25-600 C 2) Bağlayıcı giderme bölgesi 40 cm, 600 C 3) Önsinterleme bölgesi 25 cm, 600-1500 C 4) Sinterleme bölgesi 45 cm, 1700 C 5) Soğuma bölgesi 70 cm, 1700-50 C Bir tepsinin finnda kalış süresi 22, sinterleme bölgesinde kalış süresi 4 saattir. Bu şartlarda çalışılan bir kampanya neticesinde sinterlenmiş UO, peletleri üretilmiştir. Sinterlenen bu peletlerin geometrik ve sıvıya daldırma yöntemine göre yoğunluklan ölçülmüş ve bu değerlerin teorik yoğunlukların % 97 si civarında olduğu saptanmıştır. KAYNAKLAR [1]. H1RSCHORN, J.S, "Introduction to powder metallurgy " Amer.Powder Metal. Inst. (1969) [2]. DORR, W., ASSMANN, K, " Sintering of UO, at low temperature " Energy and Ceramics, Elsevier Scient. Publ. Comp., Amsterdam. Oxsford, New York, 913-25, (1980) 174
İNDÎRGEYİCI SİNTERLEME 1700"C Yükleme - \ Smmmt ReSükHey iy cı ; gaz İndirgeme Sinterleme Scvguma OKSİTLEYİCİ SİNTERLEME m r- Yükleme Oksitleyici gaz. Sinterleme tp indirgeme Soğuma Redükleyici gaz ŞEKİL'.1
Gaz girişf (CO, H ) 2 2 K53L Kantal 0 rezi,stans(.1200 C) UO Peletleri r y 2 y Of ^ 0n o c/n i ' Gaz çıkısı SEKİL 2
Yü kleme kapısı.pilot alev Mo-rezistans (1500 C) Mo-tepsl Mo-rezistans-(.1700 C) Mo-ray Argon ^ u Boşslima kapjsj Su. Syn*,. Apcm;,, JSnL&^t »».»< ı rı ı ı ı ı : J ' ı ı ı ı t ı ı ı ı ı ı ı ı ı ı -r- «^ ^ ArgojT_, 1.70cm \ 2 Su- -P- s-h. Su Alev perdesi Alev perdesi itici çubuk Alürtıiria tüp Kantat, rezistans (6Ö0 C ) ŞEKİL-3 YÜKSEK SICAKLIK -SfNTtR FIRINI