DE1646458C - Verfahren zur Herstellung von Keramiken aus Kernbrennstoffen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Keramiken aus KernbrennstoffenInfo
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Description
35
40
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Keramiken mit offener Porosität aus
spaltbaren Werkstoffen (Kernbrennstoffen), wie Uranoxyd, durch Pressen und Sintern von pulverförmigem
Material.
Die Herstellung von porösen Körpern durch Pressen von körnigem Material und anschließendem Sintern
ist beispielsweise aus der Zeitschrift »Umschau«, 1959, S. 170, bekannt. Ferner betrifft das deutsche
Patent 870 821 ein Verfahren zur Herstellung von porösen Formkörpern für Filterzwecke, bei dem kleine
Teilchen bei Temperaturen zwischen 50 bis 2000C unter leichtem Druck durch Sintern verfestigt werden.
Die ebenfalls zum Stand der Technik gehörende deutsche Auslegeschrift 1 045 006 betrifft die Herstellung
von Dauermagneten durch Pressen und Sintern von pulverförmigem Ausgangsmaterial bei Temperatüren
zwischen 900 und HOO0C. Es kommt dabei in
erster Linie darauf an, das Pressen und Sintern so durchzuführen, daß eine bestimmte magnetische
Vorzugsrichtung erhalten bleibt.
Zum Stand der Technik gehört ferner ein Verfahren zur Herstellung von keramischem Material aus
Kernbrennstoffen, bei dem ein pulverförmiges Material bei einem Druck von z. B. 1 t/cm2 einer ersten
Druckbehandlung unterworfen, das erhaltene Prozerkleinert und dann einer zweiten Druckbehandlung
unterworfen wird, bei der ein wesentlich höherer Druck von z. B. 4 t/cm2 benutzt wird, worauf
man die so erhaltenen Körper einer Sinterung bei Temperaturen zwischen 1500 und 1800° C unterwirft.
Bei diesem aus der Liieraturstelle »Proceedings of
the Third International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Bericht P/751 India 1964,
bekannten Verfahren werden keramische Korper erhalten, die eine überwiegend geschlossene Porosität
aufweisen, während sich die offene Porosität dem Wert 0 nähert.
Demgegenüber ist das Ziel der vorliegenden Erfindung'
die Herstellung von Keramiken mit offener
Porosität aus spaltbarem Material. Die Erfindung besteht dann, daß ein Pulver des Kernbrennstoffs mit
emer spezifischen Oberfläche zwischen 3 und 15 m2/g
emer ersten Druckbehandlung mit einem Druck P
unterworfen wird, der zwischen 5 und 9 t/cm2 hegt,
daß die dabei erhaltenen Körper durch Brechen und
Mahlen zu einem Pulver mit einer Korngröße von etwa ^ k's 400 μ zerkleinert werden, dieses Pulver
einer zweiten Druckbehandlung bei einem Druck ρ
von 2 bis 5 Ücm2 unterworfen wird, wobei die Druckdifferenz
P ρ größer als 1 t/cm2 ist und daß man das so erhaltene Produkt bei einer Temperatur von 1300
bis 170° c sintert.
Nach einem derartigen Verfahren hergestellte Kera-IT»ken
eignen sich in besonderer Weise für den Einsatz In einem Kernreaktor. Sie besitzen eine hohe Stabilität
bei Bestrahlungen mit sehr großem Verbrennungsgrad. Außerdem ermöglichen sie die Herstellung von
Keramik-Metallkörpern durch Tränken mit einem Metall mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit. Das wesentliche
Merkmal des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung besteht darin, daß zwei aufeinanderfolgende
Preßvorgänge vorgenommen werden, wobei in der ersten Stufe ein höherer Druck angewandt wird als in der
zweiten. Das Ergebnis des Verfahrens ist insofern überraschend, als eine gute Porosität erhalten wird,
die um so besser ist, je höher die Druckdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Druckbehandlung
ist.
Die Herstellung von Keramiken aus Uranoxyd (UO2)
erfolgt also in der Weise, daß zunächst aus einem UO2-Pulver mit großer spezifischer Oberfläche auf
einer Presse in kaltem Zustand kleine gepreßte UO2-Blöcke gefertigt werden. Die spezifische Oberfläche
des Pulvers liegt dabei zwischen 3 und 15 m2/g; der Druck P beträgt 5 bis 9 t/cm2, Die so hergestellten
Blöcke werden dann zur Vorbereitung des zweiten Arbeitsganges gemahlen. Das Mahlen kann in trokkenem
Zustand erfolgen. Das gemahlene Gut wird anschließend gesiebt, um eine bestimmte Korngrößenfraktion
zu erhalten, die /wischen etwa 50 und 400 μ liegt. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
beträgt die Korngröße 160 bis 250 μ. Das Gut kann auch in Form von Kugeln vorliegen, die nach bekannten
Verfahren hergestellt werden.
Das Pulver wird anschließend ebenfalls in kaltem Zustand in einer geeigneten Form der zweiten Pressung
mit einem Druck ρ unterworfen, der zwischen 2 und 5 t/cm2 liegt und in Abhängigkeit des Druckes P
der ersten Pressung gewählt wird. Die dabei erhaltenen Körper werden anschließend unter reduzierender
Atmosphäre, z. B. Wasserstoff, bei einer Temperatur zwischen 1300 und 17000C gesintert. Für die Auswahl
der geeigneten Temperatur ist zu beachten, daß sich die Dichte des Endproduktes der theoretischen Dichte
nähert, je höher diese Temperatur ist.
Es spielt ferner die Sinterdauer eine Rolle, da bei langen Behandlungszeiten und niedriger Temperatur
(z. B. 20 Stunden bei 14000C) die gleichen Ergebnisse erzielt werden, wie bei einer kürzeren Behandluigszeit
und einer höheren Temperatur (z. B. 1 Stunde bei 16000C). Der Temperaturanstieg bei Beginn der
Behandlung kann beispielsweise 300°C je Stunde betragen. Die Differenz zwischen den beiden Drücken
P und ρ soll größer als eine Tonne sein. Erfindungsgemäß ist die Druckdifferenz P—p um so kleiner, je
größer die spezifische Oberfläche des Pulvers ist-
Um den Einfluß der verschiedenen Faktoren, die bei der Durchführung des Verfahrens zu beachten sind,
zu verdeutlichen und dem Fachmann bevorzugte Werte zur Erzielung optimaler Eigenschaften zu
vermitteln, sind auf der folgenden Tabelle verschiedene Porositäten aufgeführt, die unter Verwendung des
gleichen Ausgangsmaterials erhalten werden können.
A Erster Druck/» |
B Zweiter Druck ρ |
C Dichte der Preßlinge |
D Sinterung unter H. Temperaturanstieg 300-Qh Temperatur in "C |
E Dichte nach Sinterung |
F 7o der theoretischen Dichte |
O Offene Porosität in Volum prozent |
|
5 t/cm2 | 2 t/cm2 | 5,22 | 20 h bei 14OOC \ 5 h bei 1450" |
9,54 9,68 |
87% 88,3% |
10,8% 8,9% |
|
7 t/cm2 7 t/cm2 |
2 t/cm2 3 t/cm2 |
5,39 5,60 |
20 h bei 1400= /20 h bei 1400" \ 1 h bei 1600 |
9,38 9,73 9,77 |
85,5% 88,7 o/0 89,1 % |
12% 9,1% 8.8% |
|
5 t/cm2 | 4 t/cm2 | 5,70 | 20 h bei 1400 1 h bei 1600 |
10,10 10,24 |
92% 93,4% |
5,3 o/o 3,9o/o |
|
'Ii | 7 t/cm2 | 5 t/cm2 | 6,0 | '20 h bei 1400' ^ 1 h bei 1600 |
10,13 10,20 |
92,5 o/o 93% |
5,5 %
5% |
In den Spalten C und E der Tabelle sind Dichten der Preßlinge vor und nach der Sinterung angegeben.
Die mit einer beliebigen geeigneten Methode gemessene offene Porosität findet sich in der Spalte G. Aus der
bekannten theoretischen Dichte des UO2, die 10,97 beträgt, erhält man durch Berechnung als Differenz
der theoretischen Dichte und dem in Spalte E eingetragenen Wert die Gesamtdichte in Prozent, d. h.
die Summe der offenen Porosität (Zwischenraum zwischen den Agglomeraten) und der geschlossenen
Porosität (Poren zwischen den Körnern). In der ersten
Zeile der Tabelle beträgt diese Differenz beispielsweise
10,97-9,54 = 1,43,
was in Prozenten 13% ergibt, d. h. den Wert der Gesamtporosität. Zieht man hiervon die offene
Porosität ab, so ergibt sich für die geschlossene Porosität
ein Wert von 2,2%.
Ganz allgemein ergibt sich aus der Tabelle, daß die geschlossene Porosität größenordnungsmäßig 2 bis
3% bleibt und daß die offene Porosität zwischen 4% und 12% schwankt; sie ist um so größer, je
größer die Differenz zwischen P und ρ ist. Es können Werte von 15% und sogar 20% erreicht werden.
Dem Fachmann ist also bei Beachtung dieser Gesetzmäßigkeiten die Möglichkeit gegeben, die für
die offene Porosität gewünschten Werte zu erhalten.
In den F i g. 1 und 2 sind Mikrofotographien eines nach dem Beispiel 3a hergestellten Körpers dargestellt,
wobei F i g. 1 eine lOfache und F i g. 2 eine lOOfache Vergrößerung ist. Die Fotographien lassen deutlich
die Zwischenräume α mit offener Porosität und die
kleinen Poren b in den Agglomeraten erkennen. Die scheinbare Dichte eines solchen Körpers beträgt
annähernd 89% der theoretischen Dichte mit einer offenen Porosität von etwa 9 Volumprozent. Die
Homogenität der Abmessungen und der Verteilung der Poren kann noch dadurch verbessert werden, wenn
die nach dem ersten Pressen anfallenden Körper zu besser abgerundeten Körnern zermahlen werden.
Die Keramiken gemäß vorliegender Erfindung
können für die verschiedenartigsten Zwecke benutzt werden, bei denen eine offene Porosität erforderlich
ist. In besonderer Weise eignen sie sich zur Erzielung eines geringeren Wärmegradienten in der Masse von
Kernbrennstoffen aus einem keramischen Oxyd.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Preßlinge mit einem leitenden Metall zu tränken, z. B. Silber, Kupfer,
Eisen oder Nickel. Die Tränkung kann auch mit anderen Stoffen, insbesondere mit durch Pyrolyse
hergestelltem Kohlenstoff erfolgen. Man nimmt sie insbesondere in der Weise vor, daß die Körper in das
geschmolzene Metall eingetaucht werden oder aber uurch Zersetzung von organisch-metallischen Verbindungen
oder von karbonylhaltigen Metallen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
- Patentansprüche-1 Verfahren zur Herstellung von Keramiken mit offener Porosität aus spaltbaren Werkstoffen (Kernbrennstoffen) wie Uranoxyd, bei dem ein pulverförmiges Ausgangsmaterial einer ersten Druckbehandlung unterworfen, das entstehende Produkt zerkleinert und nach einer zweiten Druckbehandlung bei einer Temperatur von 1300 bis 1700° C gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver des Kernbrennstoffe mit einer spezifischen Oberfläche zwisehen 3 und 15m*/g einer ersten Druckbehandlung mit einem Druck P unterworfen wird, der zwischen 5 und 9 t/cm« liegt, daß die dabei erhaltenen Körner durch Brechen und Mahlen zu einem Pulver mit einer Korngröße von etwa 50 bis 400(1 zerkleinert werden und dieses Pulver vor der Sinterung einer zweiten Druckbehandlung bei einem Druck ρ von 2 bis 5 t/cm* unterworfen wird, wobei die Druckdifferenz P-p größer als 1 t/cm2 ist
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulver, das der zweiten Druckbehandlung unterworfen wird, mit einer Korngröße von 160 bis 250 μ verwendet wird.
- 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz P-p um so kleiner bemessen wird, je größer die spezifische Oberfläche des Pulvers ist.
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR98181A FR1535470A (fr) | 1967-03-09 | 1967-03-09 | Perfectionnements apportés aux procédés pour la préparation de céramiques de matériaux tels, notamment, que des matériaux fissiles |
FR98181 | 1967-03-09 | ||
DEC0044716 | 1968-02-27 | ||
FR7220054A FR2188614A6 (de) | 1967-03-09 | 1972-06-05 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1646458B1 DE1646458B1 (de) | 1971-10-14 |
DE1646458C true DE1646458C (de) | 1973-04-19 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3024634A1 (de) * | 1980-06-30 | 1982-01-21 | Nukem Gmbh, 6450 Hanau | Verfahren zur herstellung von u(pfeil abwaerts)3(pfeil abwaerts)o(pfeil abwaerts)8(pfeil abwaerts)-sinterkoerpern |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3024634A1 (de) * | 1980-06-30 | 1982-01-21 | Nukem Gmbh, 6450 Hanau | Verfahren zur herstellung von u(pfeil abwaerts)3(pfeil abwaerts)o(pfeil abwaerts)8(pfeil abwaerts)-sinterkoerpern |
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