DE1206098B - Kernbrennstoff - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G 21 c

Deutsche KI.: 21g-21/20

Nummer: 1 206

Aktenzeichen; U 6232 VIII c/21 g

Anmeldetag: 27. Mai 1959

Auslegetag: 2. Dezember 1965

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt, Siegen, Eisernerstr. 227

Als Erfinder benannt:

Christopher Cameron Hope Wheatley, Dennis George, Henry Lloyd,

Jack Williams, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 30. Mai 1958 (17448)

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernbrennstoff, Kernbrennstoff

der aus einer glasartigen Masse besteht, in der Spalt- und/oder Brutstoffoxydteilchen dispergiert sind.

Es ist schon vorgeschlagen worden, Urandioxyd in Magnesiumoxyd oder Berylliumoxyd zu verwenden. Dabei ist es bekannt, Gemische aus dem Oxyd des spaltbaren oder brütbaren Stoffes mit einem schwer schmelzbaren Oxyd eines Elementes mit niedrigem Neutronen-Einfangquerschnitt, beispielsweise Magnesium oder Aluminiumoxyd, zu verwenden. Gesinterte Preßlinge aus solchen Gemischen haben jedoch die unerwünschte Eigenschaft, daß sie bei hohen Temperaturen (beispielsweise 800° C) für die gasförmigen Spaltprodukte durchlässig sind, die sich bei den Spaltprozessen bilden.

Es ist auch bekannt, Glasfaser als möglichen Kernbrennstoff zu verwenden, jedoch halten diese die Spaltprodukte nicht zurück und sind daher ungeeignet, wenn das Reaktorkühlgas im wesentlichen von Spaltprodukten freigehalten werden soll.

Es ist daher wünschenswert, einen Brennstoff zu verwenden, der das Reaktorkühlgas nicht wesentlich verseucht, da es bei einem aktiven Kreislauf notwendig ist, den primären Reaktorkreislauf abzuschirmen, und

es besteht immer die Möglichkeit, daß aktive Stoffe in as 7

den Sekundär-Wärme-(austausch-)Kreislauf in den

Wärmetauschern gelangen. Darüber hinaus würde es Spaltproduktgase zurückhält und dadurch eine weitschwierig sein, einen mechanischen Bruch des Brenn- gehende Verseuchung des Reaktorkühlgases verhindert. Stoffes, der nicht umhüllt wäre, bei Verwendung eines Der Kernbrennstoff gemäß der Erfindung ist dadurch

herkömmlichen Überwachungssystems zu ermitteln, 30 gekennzeichnet, daß zusätzlich Teilchen aus einem und zwar infolge der hohen Untergrundaktivität des oder mehreren schwer schmelzbaren Metalloxyden von Kreislaufs. Ein solcher Bruch kann, wenn er unent- geringem Neutronen-Einfangquerschnitt in der glasdeckt bleibt, zu einem Verklemmen des Brennstoff- artigen Masse dispergiert sind, die aus den Oxyden elementes im Kanal oder zur Bildung von Brennstoff- von Aluminium, Silizium und Magnesium sowie bruchstücken in einigen Teilen des Reaktors führen. 35 gegebenenfalls Kalzium besteht.
Dies könnte vermieden werden, wenn der Brennstoff- Gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal sind in

elementausfall in angemessener Zeit ermittelt werden
könnte, was bei einem relativ unaktiven Kühlmittelkreislauf möglich ist. Es ergibt sich daraus, daß die
Verwendung eines Brennstoffelementes wünschens- 40
wert ist, das die meisten Spaltprodukte zurückhält.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kernbrennstoff
zu entwickeln, der in einem Reaktor verwendet werden
kann, der bei einer hohen Temperatur, beispielsweise
bei Gastemperaturen bis zu 1000° C, betrieben werden 45 bei einem typischen Beispiel aus den Oxyden von soll. Uran, Aluminium, Silizium und Magnesium im Ver-

Bei solchen Temperaturen sind metallische Brenn- hältnis von etwa 30,6: 48,6:12,5: 3,8 Gewichtsteilen stoffe ungeeignet; es ist bisher auch nicht möglich bestehen.

gewesen, einen keramischen Brennstoff in einer Metall- Ferner kann der Kernbrennstoff nach der Erfindung

hülle bei Temperaturen zu verwenden, die weit über 50 aus den Oxyden von Uran, Aluminium, Silizium, 800° C hinausgehen. Es ist somit ein Kernbrennstoff Magnesium und Kalzium im Verhältnis von 30,9: erforderlich, der einen hohen Schmelzpunkt hat, 60: 7,1:1,3 : 0,7 Gewichtsteilen bestehen.

der glasartigen Masse die Oxyde von Aluminium, Silizium und Magnesium im Verhältnis von etwa 70:18:12 Gewichtsteilen enthalten.

Einem anderen Erfindungsmerkmal zufolge sind in der glasartigen Masse die Oxyde von Aluminium, Silizium, Magnesium und Kalzium im Verhältnis von etwa 87:10: 2:1 Gewichtsteilen enthalten.

Der Kernbrennstoff nach der Erfindung kann daher

3 4

Einem weiteren Erfindungsmerkmal zufolge kann Masse zu bilden, und dann wieder zu einem feinen der Kernbrennstoff aus den Oxyden von Uran, Pulver zermahlen und mit den feinpulverigen anderen Aluminium, Silizium, Magnesium und Kalzium im Bestandteilen in den folgenden Verhältnissen geVerhältnis von 38,2: 53,75: 6,3:1,17: 0,58 Gewichts- mischt:
teilen bestehen. 5 Gewichtsprozent

Die Erfindung und das Verfahren für ihre Ausfüh- UO₂ 38,2

rung sollen nunmehr an Hand der folgenden Beispiele, Al₂O₃ 46^85

die Herstellungsverfahren für bevorzugte Verbindun- Vormischung (wie oben) 14,95

gen wiedergeben, ausführlicher beschrieben werden.

ίο Die gemischten Pulver wurden dann mit einem

Beispiel 1 Bindemittel vermischt, das aus Polybutylmethacrylat

mit einem kleinen Anteil von Dibutylphthalat als

Eine innige Mischung der folgenden Oxyde in fein- Weichmacher in Azeton als Lösungsmittel bestand, pulveriger Form wurde bei einem Druckvon 316 kg/cm² und zwar im Verhältnis von 20 ml des Bindemittels zu einer Scheibe von etwa 25 mm Durchmesser und 15 auf je 100 g des gemischten Pulvers zusammen mit 2,6 mm Dicke kalt gepreßt und dann bei 1500°±2°C genügendem zusätzlichem Azeton zwecks Erzielung in Stickstoff gesintert. einer steifplastischen Mischung. Diese wurde beim

Gewichtsprozent Durchgang durch ein Grobsieb granuliert und in einem

Uraniumdioxyd (UO₂) 30,6 Brennofen bei 6O⁰C getrocknet, um das Azeton zu

Aluminiumoxyd (Al₂O₃) 48,6 ²⁰ verdunsten. Das Gemisch wurde dann in einer selbst-

Siliziumoxyd (SiO₂) 12^5 tätigen hydraulischen Presse zu einer großen Anzahl

Magnesiumoxyd (MgO) 8,3 ^von Tabletten von 31 mm Durchmesser und 1,6 mm

Dicke kalt gepreßt. Diese Tabletten wurden dann zu

Während des Sinterns bildete sich aus dem Silizium- 10 Stück aufeinandergestapelt und durch einen elekoxyd, dem Magnesiumoxyd und einem Teil des 25 irischen Brennofen hindurchgeschickt, und zwar in Aluminiumoxydes eine Flüssigkeitsphase, die bei einer Atmosphäre von 25 Volumprozent Wasserstoff Abkühlung eine glasartige Phase bildete, die die und 75 Volumprozent Stickstoff. Die Ofentemperatur Uraniumdioxyd- und Aluminiumoxydteilchen um- war so eingeregelt, daß die Tabletten bei ihrem Durchhüllte, gang durch den Ofen die optimale Sinterungstempera-B e i s t> i e 1 2 30 tür in 5 Stunden erreichten und dann 1 Stunde bei

dieser Temperatur darin noch verblieben. Die optimale

Eine innige Mischung der folgenden feinpulverisier- Sinterungstemperatur war experimentell vor der Sinten Oxyde wurde bei einem Druck von 316 kg/cm² zu terung der ganzen Tablettenanzahl bestimmt worden, einer Scheibe von etwa 25 mm Durchmesser und wobei festgestellt wurde, daß sie sich entsprechend der 2,5 mm Dicke kalt gepreßt und dann bei 1600°C 35 verwendeten Uraniumdioxydmenge etwas ändert; sie 2 Stunden lang in Wasserstoff gesintert. schwankt dabei zwischen 1460 und 1555° C. Für jede

Gewichtsprozent UO₂-Menge ist jedoch festgestellt worden, daß eine

UO₂ (Durchschnittsgröße der Änderung der Sintertemperatur um 20° C nach oben

Teilchen = 0 1 a) 30 9 ^{u UQ}ten noch dichte Massen mit weniger als 1 ^u/₀

' ^w ' 40 Porosität und mit keiner Neigung zu Blasenbildung

i bl

gg

J^ oder Aneinanderheften erzeugt. Die gesinterten Tablet-

η'a ten hatten einen Durchmesser von 28,5 mm mit einer

Qj Toleranz von +1 und — ¹I₂ ⁰I₀ und waren 1,7 mm dick

mit einer Toleranz von ±7%· Das Durchschnitts-Während der Sinterung war eine flüssige Phase 45 gewicht einer Tablette betrug 4,50 g, und ihre Zusamvorhanden, und es bildete sich eine gesinterte Masse mensetzung war wie folgt:
mit einem spezifischen Gewicht von 4,25 g/cm^s und Gewichtsprozent

einem Porengehalt von weniger als 0,1 %· Bei mikro- UO₂ 38,2

skopischer Prüfung zeigten sich Teilchen von UO₂ Al O₃ 53,75

und Aluminiumoxyd in einer glasartigen Phase zer- 50 gjo 6,3

streut, wobei jedes UO₂-Teilchen vom glasartigen ]y[_go 1^17

Material umschlossen war. q^q 0,58

Das folgende Beispiel veranschaulicht den Vorzug

der Verwendung einer Vormischung eines Teiles der Nach dem Beispiel 2 hergestellte Proben wurden in

Bestandteile, welche die glasige Phase des etwaigen 55 dem als B. E. P. O. bekannten britischen Kernoder möglichen Endproduktes bilden. reaktor bestrahlt. Das Ausmaß der Emission der . -ίο radioaktiven gasförmigen Isotope Xe₁₃₆ und Kr_{85 m} Beispiel 3 wurde gemessen und mit dem theoretischen Wert der Eine Vormischung von folgender Zusammensetzung Bildung dieser Isotope und auch dem theoretischen wurde aus feinen Pulvern hergestellt: 60 Wert der Emission dieser Isotope beim Rückstoß von

Gewichtsprozent (innerhalb) 8 μ der freien Oberfläche der Proben in

^jQ 6 9 1 ^^er Stellung, in der sie bestrahlt worden waren, vergib ^s g'2 glichen. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden

Q ^Yi \ insgesamt: 14,95 Tabelle, in der auch zum Vergleich die entsprechenden

65 Werte für eine in einem ähnlichen Verfahren hergestellte Masse von 28,9 Gewichtsprozent Uranium-Diese Mischung wurde in einem Brennofen auf dioxyd und 71,1 Gewichtsprozent Magnesiumoxyd 1200°C 2 Stunden lang erhitzt, um eine gesinterte gezeigt sind, veranschaulicht.

UOj — MgO

Verbindung von Beispiel II

Bestrahlungstemperatur (⁰C).

XeJ₃₈ Emissionswert

Kr₈₆ m Emissionswert

485, 619, 668, 698, 765, 13,1, 25, 55, 127, 536, 0,5, 1,6, 6,4, 21, 111, 492, 596, 691, 738, 815
0,17, 0,17, 0,22, 0,22, 0,29
0,08, 0,10, 0,14, 0,18, 0,28

Alle Emissionswertesindin Einheiten von 10^e-Atomen je Sekunde ausgedrückt.

Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß die Permeabilität für Spaltungsproduktgase der nach Beispiel 2 präparierten Verbindung bei allen Temperaturen bis hinauf zu 815° C sehr niedrig ist. Der Anteil der Spaltproduktgase ist im Vergleich zu dem derjenigen Gase, die in der Verbindung gebildet werden, sehr gering.

Im Gegensatz hierzu ist die Emission von Spaltungsproduktgasen aus der Uraniumdioxyd-Magnesiumoxyd-Masse groß und erhöht sich mit zunehmender Temperatur beträchtlich.

Die nach Beispiel 3 präparierte Verbindung ist ebenfalls im B. E. P. O.-Reaktor geprüft worden, und die Ergebnisse waren sehr ähnlich denjenigen, die für die Verbindung nach Beispiel 2 ermittelt worden waren.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoff, bestehend aus einer glasartigen Masse, in der Spalt- und/oder Brutstoffoxydteilchen dispergiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Teilchen aus einem oder mehreren schwer schmelzbaren Metalloxyden von geringem Neutronen-Einfangquerschnitt in der glasartigen Masse dispergiert sind, die aus den Oxyden von Aluminium, Silizium und Magnesium sowie gegebenenfalls Kalzium besteht.

2. Kernbrennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der glasartigen Masse die Oxyde von Aluminium, Silizium und Magnesium im Verhältnis von etwa 70:18:12 Gewichtsteilen enthalten sind.

3. Kernbrennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der glasartigen Masse die Oxyde von Aluminium, Silizium, Magnesium und Kalzium im Verhältnis von etwa 87:10: 2:1 Gewichtsteilen enthalten sind.

4. Kernbrennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus den Oxyden von Uran, Aluminium, Silizium und Magnesium im Verhältnis von 30,6: 48,6:12,5: 8,3 Gewichtsteilen besteht.

5. Kernbrennstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus den Oxyden von Uran, Aluminium, Silizium, Magnesium und Kalzium im Verhältnis von 30,9: 60: 7,1:1,3 :0,7 Gewichtsteilen besteht.

6. Kernbrennstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus den Oxyden von Uran, Aluminium, Silizium, Magnesium und Kalzium im Verhältnis von 38,2: 53,75: 6,3 :1,17:0,58 Gewichtsteilen besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 679 916, 765 037;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 010 660;
»Nucleonics«, August 1957, S. 94 bis 98;
S. Glasstone, »Principles of Nuclear Reactor Engineering«, 1956, S. 514 bis 516.

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