DE1667834C - Verfahren zur Herstellung von gesinterten Tabletten von Kernbrennstoffen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von gesinterten Tabletten von KernbrennstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten Tabletten von Kernbrennstoffen aus
Uran-, Plutonium- und/oder Thoriumoxid.
Lange Zeit hindurch hat man sich bei der Herstellung von gesinterten Tabletten aus UO2, PuO2,
ThO2 (einfachen oder gemischten Oxiden) bemüht,
eine hohe Kompaktheit mit einer so nahe wie möglich beim theoretischen Höchstwert liegenden Dichte zu
erhalten. Es hat sich nun gezeigt, daß man zur Erreichung hoher, bis zu 80 000 MW Tag/t reichender
Strahlungsraten vorzugsweise gesinterte Produkte mit einer nur 75 bis 95% des theoretischen Höchstwertes
betragenden Dichte und einer gleichmäßig verteilten Porosität verwendet. Eine solche Tablette kann die
Spaltprodukte ohne die Rißbildungen zurückhalten, welche bei den Tabletten mit hoher Dichte bei hohen
relativen Abbränden entstehen.
Es ist bekannt, daß eine Erniedrigung der Sinterlemperatur
zu einer Verringerung der Dichte führt. Man sollte also annehmen, daß die Anwendung einer
Temperatur von etwa 12000C statt 16500C zum geivünschten
Ziel führe. Tatsächlich ist jedoch dieser Weg nicht befriedigend, da sich die Dichte verändert,
>venn die Tabletten später im Reaktor auf eine hohe Temperatur gebracht werden, und das Oxid geringer
Dichte möglicherweise nur in einer dünnen Außen- »chicht in der Nähe der Hülle erhalten bleibt. Außerdem
ist, wenn der Kernbrennstoff aus einem gemischten Oxid UO2/PuO2 besteht, die Diffusion der Oxide bei
einer so geringen Temperatur schlecht. Es hat sich als notwendig erwiesen, eine Sintertemperatur von mindestens
1500°C beizubehalten.
Man könnte auch annehmen, es müßte genügen, den Körnern vor dem Pressen zu Tabletten, die anschließend
oberhalb 15000C fertig gesintert werden sollen, einen genügenden Gehalt an einem Sinterinhibitor, wie Zinkcehenat,
zuzusetzen. Man hat auf diese Weise zwar eine ei heblich unterhalb des theoretischen Höchstwertes
liegende Dichte erreicht, jedoch bestand die Porosität vor allem aus einem Netz von Rissen, die
auf die Ansammlung von Inhibitor rings um die Körner zurückgehen, und führte zu zerbrechlichen
Tubletten, welche die Spaltprodukte nicht zurückhalten können.
Die Erfindung bezweckt ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Tabletten aus UO2, PuOa und/oder
"ThO2. das den praktischen Anforderungen besser als
die bisherigen Verfahren entspricht und insbesondere die Herstellung von Tabletten mit den folgenden Eigenschaften
ermöglicht: Eine auf einen Wert erheblich Unterhalb des theoretischen Werts, nämlich 75 bis 95%
desselben, genau einstellbare Dichte, eine gute Reprodu/ierbarkeit
der Schrumpfung beim Sintern, wodurch Jn den meisten Rillen eine Nachbearbeitung vermieden
Vcrdcn kann; eine geeignete Rekristallisation des Oxids; Stabilität bis etwa 16000C; sehr geringe
Kontaminierung durch mit den Zusatzstoffen eingeführte Verunreinigungen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Tabletten aus dem Dioxid von
mindestens einem der Elemente Uran, Plutonium und Thorium zur Verwendung als Kernbrennstoff gelöst,
wobei das Dioxidpulver kalt gepreßt, die Preßlinge zu
Körnern zerkleinert, die Körtief mit einem Gewichtsanteil von 0,2 bis I % eines Smterinhibitors in Form
eines langkettigen Fettsäuresalzes umhüllt werden, das Gemisch kalt zu Tabletten gepreßt und diese in reduzierender Atmosphäre bei mindestens 1500cC ge
sintert werden, wobei jedoch erfindungsgemäß dem Dioxid vor dem Pressen zu Preßlingen zusätzlich 1 bis
7 Gewichtsprozent des Fettsäuresalzes in Pulverform innig beigemischt werden.
Als langkettiges Fettsäuresalz wird in an sich bekannter Weise Zinkbehenat [CH3(CH2)O0COO]2Zn
oder Zinkstearat [CHj(CHj)16COO]2Z verwendet.
Gemäß der weiteren Merkmale der Erfindung, die vorzugsweise in Verbindung mit dem obigen Verfahren
ίο angewandt werden, werden die gemahlenen Produkte
der Preßlinge gesiebt und nur die Körner mit einer Korngröße zwischen 0,3 und 0,6 mm weiterverwendet
sowie das Sintern bei einer Temperatur von 1600 bis 1700°C während 3 bis 5 Stunden oewirkt.
Als erstes Beispiel werden im folgen»* ,n die Stufen
der Herstellung von Urandioxidtabletten sowie die mit verschiedenen Anteilen des als Sinterinhibitor verwendeten
Zinkbehenats erhaltenen Ergebnisse beschrieben.
so Dem nach einem üblichen Verfahren, wie Glühen,
Reduktion und Mahlen, erhaltenen feinzerteilten PuI-vei
von Urandioxid UO2 setzt man das ebenfalls in Form eines feinen Pulvers mit einer Korngröße unter
1 μ vorliegende Zinkbehenat zu.
as Die Herstellung des Urandioxidpulvers kann beispielsweise
durch lstündiges Glühen von Ammoniumdiuranat bei 9000C, 2stündige Reduktion bei 900°C
in <iner 10% Wasseistoff und 90% Stickstoff enthaltenen
Atmosphäre und Mahlen erfolgen. Das keinerlei Fremdstoff als Bindemittelzusatz sondern nur
den Sinterinhibitor enthaltende Gemisch wird anschließend in einer hydraulischen Presse unter einem
Druck von etwa 1500 bar zu Tablettenrohlingen geformt, die gemahlen werden. Vom gemahlenen Produkt
werden nur die Körner mit einer zwischen 0,3 und 0,6 mm liegenden Korngröße zurückbehalten. Die so
erhaltenen Körner werden in einem üblichen Mischer mit 0,2 bis 0,3 % ihres Gewichts an feinverteiltem Zinkbehenat
umhüllt. Die umhüllten Körner werden kalt unter einem Druck zwischen 4000 und 7000 bar zu
Tabletten gepreßt, welche bis auf das Schrumpfen ihre endgültige gewünschte Form besitzen. Diese von selbst
einen gewissen Zusammenhalt besitzenden Tabletten werden 3 Stunden lang in einer reduzierenden Atmosphäre
bei 17000C gesintert. Der Sinterofen wird dabei mit einem aus 10% Wasserstoff und 90% Argon bestehenden
Gas, das die reduzierende Atmosphäre darstellt, gespült, wodurch das Nichtauftreten von Oxiden
mit überstöchiometrischen Sauerstoffgehalt gewährleistet ist. Bekanntlich ist ein solcher überstöchiometrischer
Sauerstoffgehalt zu vermeiden, da er sich auf den Zusammenhalt der Tabletten in Berührung mit
geschmolzenem Natrium ungünstig auswirkt.
Die so hergestellten Tabletten zeigen bei einem Zusatz von I % Zinkbehenat zum Urandioxidpulver eine
Dichte von etwa 90% der theoretischen Dichte; bei einem Zusatz von 2,5 bis 3% Zinkbehenat eine Dichte
von etwa 85% der theoretischen Dichte; bei einem Zusatz von 5% Zinkbehenat eine Dichte von etwa 80%
der theoretischen Dichte.
Als zweites Beispiel sei erwähnt, daß ringförmige Tabletten des gemischten Oxids von angereichertem
Uran und Plutonium (U„,ePuo,a)0, für Brennstoffelemente
eines mit schnellen Neutronen betriebenen
*5 Kernreaktors nach dem gleichen Verfahren wie oben
hergestellt wurden. Diese Tabletten besaßen eine Dichte von 95% des theoretischen Werts,
In allen Fällen lagen die Restgehalte an Kohlenstoff
In allen Fällen lagen die Restgehalte an Kohlenstoff
und Zink in den gesinterten Tabletten jeweils unter ppm. Außerdem erfolgte die Schrumpfung der
Tabletten beim Sintern mit einer guten Reproduzierbarkeit, so daß keinerlei Nachbearbeitung erforderlich
war, wenn man eine Toleranz von 5°/„ des Durchmessers zuläßt.
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung gesinterter Tabletten aus dem Dioxid von mindestens einem der
Elemente Uran, Plutonium und Thorium mit einer Dichte zwischen 75 und 90% der maximalen theoretischen
Dichte zur Verwendung als Kernbrennstoff, wobei das Dioxidpulver kalt gepreßt, die
Preßlinge zu Körnern zerkleinert, die Körner mit einem Gewichtsanteil von 0,2 bis 1 % e'nes Sinteijnhibitors
Jr Form eines langkettigen Fettsäuresalzes
umhüilt werden, das Gemisch kalt zu Tabletten gepreßt und diese in reduzierender Atmosphäre
bei mindestens 1500° C gesintert werden, so dadurch gekennzeichnet, daß dem
Dioxid vor dem Pressen zu Preßlingen zusätzlich I bis 7 Gewichtsprozent des Fettsäuresalzes in Pulverform
innig beigemischt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als langkettiges Fettsäuresalz in an
sich bekannter Weise Zinkbehenat
[CH3(CH2)20COO]aZn
oder Zinkstearat
oder Zinkstearat
[CH3(CHoJ16COO]2Zn
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von dem beim Mahlen der
Preßlinge erhaltenen Produkt nur die Körner mit einer Korngröße zwischen 0,3 und 0,6 mm weiterverwendet
werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern durch 3-bis
5stündiges Erhitzen auf eine Temperatur von 1600 bis 1700° C bewirkt wird.
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