DE1671188B2

DE1671188B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Feststoffteilchen, z.B. Kiigelchen, aus einem schwerschmelzbaren Material

Info

Publication number: DE1671188B2
Application number: DE1671188A
Authority: DE
Inventors: John Malcolm London North
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1966-12-19
Filing date: 1967-12-16
Publication date: 1978-03-02
Also published as: FR1550555A; DE1671188C3; GB1164810A; US3538542A; DE1671188A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Feststoffteilchen, z. B. Kügelchen, aus einem schwerschmelzbaren Material, wobei ein Lichtbogen zwischen einer oberen Flektrode und einer sich drehenden unteren Gegenelektrode geschlagen wird, wobei ferner das schwerschmelzbare Material von der oberen Elektrode der unteren Elektrode zugeführt wird und die letztere in geschmolzenem Zustand berührt, nachdem es durch den Lichtbogen geschmolzen worden ist, und wobei das geschmolzene schwerschmelzbare Material von der sich drehenden unteren Elektrode in Form von kleinen Teilchen weggeschleudert wird, die sich im

freien Flug verfestigen können.

Kügelchen der vorgenannten Art, insbesondere, wenn sie eine hohe Dichte aufweisen, sind für viele Zwecke anwendbar. Beispielsweise wird Aluminiumoxid als Katalysatorträger und als Wärmeübertragungsmedium verwendet, während ähnlich geformte Teilchen aus nuklearen Materialien als Brennstoff verwendbar sind. Es sei darauf hingewiesen, daß es durch Auswahl von unterschiedlich bemessenen Kugelteilchen möglich ist,

K) einen Behälter beispielsweise durch Vibrationsverdichten auf eine hohe Gesamtdichte zu füllen.

Aus der US-PS 30 99 041 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei denen eine mittels eines Lichtbogens erhaltene Schmelze in Tropfen aufgeteilt

I) wird, die sich dann im freien Flug verfestigen sollen. Dabei wird eine verbraucnbare Elektrode in Richtung auf einen zwischen dieser und einer ortsfesten Elektrode geschlagenen Lichtbogen vorwärtsbewegt, und die verbrauchbare Elektrode wird gleichzeitig gedreht, um das geschmolzene Material von dieser wegzuschleudern. Das ergibt relativ große Größenunterschiede in den sich verfestigenden Teilchen. Die Teilchen werden an eine Gehäusewand geschleudert, an der durch Zentrifugalkraft eine dünne Wasserschicht gebildet wird, um das geschmolzene Material abzuschrecken. Da eine zweite Elektrode aus einem anderen Material als dem zu schmelzenden Material verwendet wird, kann letzteres durch das Material der zweiten Elektrode verunreinigt werden. Die Anwendungsmöglichkeiten

in des Verfahrens und der Vorrichtung nach der US-PS 30 99 041 werden dadurch begrenzt, daß nur solche Materialien in Teilchen hergestellt werden können, die auch in eine verbrauchbare Elektrode verwandelt werden können.

r> Eine ähnliche Einrichtung zeigt auch die US-PS 28 97 539.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Kügelchen aus hochschmelzendem Material zu schaffen, welches eine bessere Kontrolle und engere Streuung der Partikelgröße ermöglicht und ein Produkt von höchster Reinheit liefert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die untere Elektrode ein Hohltiegei ist, der gekühlt

4^r) wird, so daß das schwerschmelzbare Material ein Kruste auf der gekühlten Oberfläche des Tiegels bildet und vom Rand des Tiegels weggeschleudert wird.

Zweckmäßig wird der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Tiegel vor dem Einbringen des

^rM hochschmelzenden Materials in den Tiegel gezündet, und der Tiegel wird vorteilhaft mit Geschwindigkeiten zwischen 200 und 2000 U/min gedreht.

Viele keramische Materialien gelten als Elektrizitätsleiter, beispielsweise Carbide, und es ergeben sich keine Schwierigkeiten bei dem vorbeschriebenen Verfuhren. Jedoch gelten andere keramische Stoffe, wie beispielsweise Aluminiumoxid, als Isolatoren und elektrische Nichtleiter bei Raumtemperatur. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei erhöhten Temperaturen diese

bo Materialien Elektrizitätsleiter sind. Es wurde außerdem festgestellt, daß, wenn der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Tiegel erzeugt wird, bevor der Tiegel mit Aluminiumoxid völlig beschickt ist, der Lichtbogen bestehenbleibt, wenn das Aluminiumoxid weiter zugegeben wird, sogar dann, wenn sich eine Kruste aus Aluminiumoxid am Tiegel bildet. Dies ist überraschend, da Aluminiumoxid keine nennenswerte Leitfähigkeit für Elektrizität unterhalb 1000⁰C aufweist

und man eigentlich erwarten müßte, daß die Oberfläche der Kruste, in Kontakt mit dem Tiegel, sich beträchtlich unterhalb dieser Temperatur befindet.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einer > oberen Elektrode, einer unteren drehbaren Elektrode, aus Mitteln zum Drehen der unteren Elektrode, aus Mitteln zum Zuführen von schwerschmelzbarem Material von der oberen Elektrode zur unteren Elektrode sowie aus Mittein zum Zuführen von Elektrizität zur κι oberen und unteren Elektrode, wobei erfindungsgemäß die untere Elektrode ein Hohltiegel ist, der mit einer Kühleinrichtung versehen ist, und wobei ein Gehäuse den Tiegel in einem ausreichenden Abstand umgibt, damit geschmolzenes Material, das vom Tiegel weggeschleudert wird, sich vor der Berührung mit dem Gehäuse verfestigt hat.

Die obere Elektrode weist zweckmäßig eine zentrale Bohrung zum Einbringen des hochschmelzenden Materials in den Tiegel auf. 2(1

Die Elektrode kann auch in an sich bekannter Weise als Verbrauchselektrode aus dem hochschmelzenden Material bestehen.

Die Verwendung eines gekühlten Hohltiegels als untere Elektrode ergibt ziemlich gleich große Partikeln 2-, des Schmelzgutes, und diese Partikeln (Kügelchen) haben sich verfestigt, bevor sie die Wand des umgebenden Gehäuses erreichen. Diese gleichmäßige Partikelgröße ergibt sich dadurch, daß entsprechend der Strömungsmitteldynamik die Oberfläche des geschmol- jo zenen Materials im rotierenden Hohltiegel eine Paraboloidform anzunehmen sucht, so daß es sich an der Tiegelwand aufwärts bis zum Rand bewegt und bei entsprechender Drehzahl des Tiegels vorn oberen Rand desselben, d. h. auf dem gleichen Radius, in Form von im wesentlichen gleich großen Kügelchen weggeschleudert wird.

Eine Verunreinigung des Materials wird durch die anfänglich im gekühlten Tiegel gebildete Kruste aus dem hochschmelzenden Material verhindert, da das geschmolzene Material, das nachfolgend in den Tiegel gelangt, mit dem Tiegelmaterial selbst gar nicht in Berührung kommt, sondern nur die Kruste berührt, die aus dem gleichen Material wie das Schmelzgut besteht. Eine überraschende Wirkung der erfindungsgemäßen 4-j Vorrichtung ist auch darin zu sehen, daß trotz der genannten Kruste der Lichtbogen aufrechterhalten bleibt.

Ein wesentlicher Fortschritt der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht auch darin, daß bei Verwendung einer hohlen oberen Elektrode ein granuliertes Ausgangsmaterial verwendet werden kann, das durch die hohle Elektrode kontinuierlich zugeführt wird. Es besteht somit die Möglichkeit, auch solche Materialien zu verarbeiten, die nicht in eine feste verbrauchbare Elektrode geformt werden können.

Die Erfindung ist besonders wertvoll bei keramischen Stoffen, wie sie für Kernbrennstoffe verwendet werden. Wie bereits erläutert, kann ein Kernbrennstoff, beispielsweise Uran- oder Plutoniumoxid oder -carbid, in &o Form von kleinen Kügelchen in ausgewählter Größenordnung verwendet werden, die in eine metallische Hülse vibrationsverdichtet werden. Die Kügelchen selbst sind von einer Dichte, die an die theoretische Dichte heranreicht, aber die Packungsdichte hat selbst b5 bei äußerst günstig bemessenen Anteilen einen Hohlraum in der Hülse zur Folge, unü es ist bekannt, daß es möglich ist, die Zwischenräume mit einem gewissen wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Natrium, zu füllen. Ein bekannter Nachteil eines Kernbrennstoffes besteht darin, daß während des Spaltprozesses die Spaltprodukte sich innerhalb des Brennstoffs ansammeln und aus diesem heraus oder in die Hohlräume zwischen den Brennstoffteilchen hinein nicht ohne weiteres entweichen können. Bei einem aus Kügelchen bestehenden Brennstoff, der mit relativ hoher Temperatur arbeitet, beispielsweise in einem schnellen Brutreaktor, ist die Folge ein beträchtliches Ausmaß an Schwellung nach einem Abbrand in der Gröbenordnung von 5 Mwd/t (Megawatt-Tage pro Tonne). Wenn auch der Brennstoff nach diesem Abbrand sehr stark mit Spaltprodukten verseucht ist, hat er aber noch nicht den Verseuchungsgrad erreicht, der ihn vom Gesichtspunkt des Neutronenhaushalts unbrauchbar macht, selbst wenn er physikalisch die Tendenz gezeigt hat, auf ein solches Maß anzuschwellen, daß er dazu neigt, die Hülle aufzureißen. Ein beträchtlicher Teil des Anschwellens wird zwischen den Kügelchen aufgefangen, doch hat es sich herausgestellt, daß ein solcher Brennstoff nach einem Abbrand von etwa 5 Mwd/t aus der Hülse entfernt werden muß. Es wird vorgeschlagen, daß Brennstoff dieser Art, gleichgültig ob die Hülse Natrium enthält oder nicht, durch Schmelzen gemäß der Erfindung aufbereitet und dann wieder in die Hülsen, fertig zur Wiederverwendung in einem Kernreaktor, eingebracht wird.

Ein solcher Brennstoff ist hochaktiv, aber da es sich nicht um eine Naßaufbereitung handelt, kann die Abkühlzeit wesentlich kürzer als bisher sein. Durch das Schmelzen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die flüchtigen und gasförmigen Spaltprodukte entfernt, aber die Kügelchen, die erzeugt werden, sind noch mit Schwermetall-Spaltprodukten verseucht. Bis zu einer Grenze von etwa 15 Mwd/t sind diese Schwermetall-Spaltprodukte nicht von Bedeutung, und daher wird vorgeschlagen, den Brennstoff einem oder zwei »Schmelzaufbereitungsprozessen« nach der Erfindung zu unterziehen, bevor vom Gesichtspunkt des Neutronenhaushaltes ein nasses Aufbereiten notwendig wird. Es kann sogar erwünscht sein, dieser Naßbehandlung eine Schmelzaufbereitung gemäß der Erfindung vorangehen zu lassen.

Es sei ferner zum Ausdruck gebracht, daß die Erfindung auch bei Gemischen von Keramikstoffen angewendet werden kann und daß, wenn beispielsweise die Charge sowohl Bortrioxid als auch Urandioxid aufweist, die sich ergebenden Kügelchen eine feine Dispersion von Bortrioxid aufweisen und dementsprechend ein brennbares Gift enthalten.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben, die diese Vorrichtung in Perspektive, teilweise aufgeschnitten, wiedergibt.

Die Vorrichtung weist einen Kupfertiegel 1 auf, welcher mit inneren Wasserkühlkanälen 2 versehen ist und auf einem Kugellager 3 sitzt. Der Tiegel 1 selbst befindet sich in einem Ofengehäuse 4 mit einem Durchmesser von 762 mm, während der Tiegel einen Innendurchmesser von 57,15 mm aufweist und 38,1 mm tief ist. Eine vakuun.dichte Verbindung ist zwischen der Tiegeiüefestigungsvorrichtung, allgemein bei 5 angedeutet, und dem Boden 6 des trommeiförmigen Ofengehäuses 4 hergestellt. An der Befestigungsvorrichtung sind unten Wassereinlaß- und -auslaßrohrleitungen 7 vorgesehen, welche die Kühlkanäle 2 mit

Kühlwasser versorgen. Die Befestigungsvorrichtung 5 umfaßt ein Stirnrad 8, welches mit einem zweiten Stirnrad 9 auf einer Antriebswelle 10 in Eingriff steht, so daß der Tiegel 1 mit Geschwindigkeiten bis zu 2000 Upm in Drehung versetzt werden kann. Stromzu- s führungen für den Tiegel 1 sind durch Leiter 11 und Bürsten 12 vorgesehen, und die Tiegelbefestigungsvorrichtung 5 ist vom übrigen Teil des Ofens durch eine Isolierbuchse 34 isoliert.

Zur Erleichterung der Dekontaminierung — da dieser ι ο Ofen zur Verarbeitung von Urandioxid bestimmt ist — weist das Innere des Gehäuses 4 eine herausnehmbare Auskleidung 13 auf.

Über dem Gehäuse 4 befindet sich ein Ofenverlängerung 14 von allgemein zylindrischer Form, die mit Wasserkühlkanälen 15 herkömmlicher Art versehen ist. Die Ofenverlängerung 14 ist mit Zugangsöffnungen 16 und Sichtrohren 17 sowie mit einem Gasabzugrohr 18 versehen, welches es möglich macht, den Ofen unter einem reduzierten Druck von Argon oder einer sonstigen geeigneten Atmosphäre zu betreiben.

Oben an der Ofenverlängerung 14 befindet sich ein Deckel 19, der mit einem Sichtrohr 20 versehen ist und eine zentrale Säule 21 trägt. Diese Säule 21 enthält eine Elektrodenhalterung 22, die über Rohrleitungen 23 wassergekühlt wird und eine Sammelschiene 24 für die Verbindung mit der (geerdeten) Elektrizitätszufuhr über Leiter 25 trägt. An ihrem unteren Ende trägt die Elektrodenhalterung 22 eine wassergekühlte Graphitelektrode 26, wobei die Kühlung über Rohrleitungen 2? erfolgt. Diese Elektrode 26 weist eine innere Bohrung 28 auf und ist an ihrem unteren Ende erweitert, um einen cäsiumimprägnierten Hohlstopfen 29 aufzunehmen. Mit einem Schraubmcchanis;nus 30 kann die effektive Axialstellung der Elektrode 26 eingestellt werden, und die Bauteilgruppe aus Elektrodenhalterung 22 und Elektrode 26 ist axial innerhalb der Säule 21 bewegbar, so daß der Lichtbogen dadurch gezündet werden kann, daß die Elektrode 26 mit dem Tiegel 1 in Wirkverbindung tritt.

Ferner ist auf dem Deckel 19 ein Behälter 31 angebracht, der mit .Strömungskontrollmitteln (nicht dargestellt) versehen und über eine flexible Rohrleitung 32 mit einem Seitenarm 33 verbunden ist, der Zugang zur Bohrung 28 der Elektrode 26 gewährt. Hochschmelzendes Material im Behälter 31 wird daher in kontrollierter Weise in die Mitte der Elektrode 26 gebracht, so daß es in den Tiegel 1 hineinfällt, um darin geschmolzen zu werden.

Bei einem mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführten Versuch war das eingebrachte Material IJrancarbid. und das Verfahren wurde damit eingeleitet, daß eine kleine Anfangs-Charge auf dem Boden des Tiegels angeordnet wurde, der ortsfest gehalten wurde.

Danach wurde ein Schwachstrom-Lichtbogen gezünde der Strom wurde auf 2000 Ampere bei 14 Volt erhöh während die Elektrode entsprechend zurückgezoge wurde, und dann wurde mit der Hauptbeschickung vo hochschmelzendem Material begonnen und der Tiege in Drehung versetzt. Die Ofenatmosphäre war Argo bei einem Druck von 0,3 Atmosphären.

Es hat sich herausgestellt, daß der größte Teil des au: dem Tiegel herausgeschleuderten Materials sich 7.1 einer kugeligen Form verfestigte und die mittlere Größe der Kiigelchen von der Drehgeschwindigkeit de; Tiegels abhing. Die Tabelle zeigt die Beziehun zwischen Kügelchengröße und Drehgeschwindigkeit. E; hat sich gezeigt, daß die Kügelchen eine gleichachsigc bzw. gleichgerichtete Kornstruktion mit einer Korngrö ße von etwa 50 Mikron aufwiesen. Die Dichte dei Kügelchen (Äthylendibromid) betrug 98% der theorcti sehen Dichte. Es wurde festgestellt, daß eine Tiegel Drehgeschwindigkeit zwischen 200 und 2000 Upn erwünscht ist, wenn auch Geschwindigkeiten außerhall dieses Bereiches möglich sind.

Tabelle

Tiegel-Dreh- Typischer
geschwindigkeit Durchmesser
eines
Kügelchens

(Upm) (μΐη)

315
645
830
1040
1150
1635
2070

1700

1300

1030

730

600

250

225

Ungefährer	Größenbereic
umfassend ³	/4 des
Produktes
max. (μΐη)	min. (μπι)
2000	800
1600	800
1500	500
1200	400
1000	200
700	75
600	75

Der obige Versuch wurde mit Urandioxid wiederholt welches für Keramik typisch ist und erst bei hoher Temperaturen elektrisch leitfähig wird. Wenn eir Schwachstrom-Lichtbogen zwischen der Elektrode unc dem Boden des leeren Tiegels gezündet wurde, währenc dieser sich drehte, und dieser Lichtbogen danr zurückgezogen wurde und der Strom bis zum Maximurr erhöht wurde, bevor das Urandioxid in den Tiege eingebracht wurde, konnten zufriedenstellende Ergeb nisse erzielt werden. Der Tiegel erlitt durch der Lichtbogen offenbar keinen Schaden.

Da sich eine sehr starke Volumenschrumpfung ergibt wenn Urandioxid sich verfestigt, zeigten die Kügelchet die Tendenz, einen zentralen Hohlraum zu enthalten, se daß die Gesamtdichten nicht so hoch waren, wie sie mi dem Carbid erreicht wurden. Ein ähnlicher Effekt wurdi bei Aluminiumoxid festgestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Feststoffteilchen, z. B. Kügelchen, aus einem schwerschmelzbaren Material, wobei ein Lichtbogen zwischen einer oberen Elektrode und einer sich drehenden unteren Gegenelektrode geschlagen wird, wobei ferner das schwerschmelzbare Material von der oberen Elektrode der unteren Elektrode zugeführt wird und die letzlere in geschmolzenem Zustand berührt, nachdem es durch den Lichtbogen geschmolzen worden ist, und wobei das geschmolzene schwerschmelzbare Material von der sich drehenden unteren Elektrode in Form von kleinen Teilchen weggeschleudert wird, die sich im freien Flug verfestigen können, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Elektrode ein Hohltiegel ist, der gekühlt wird, so daß das schwcrschmelzbare Material eine Kruste auf der gekühlten Oberfläche des Tiegels bildet und vom Rand des Tiegels weggeschleudert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Tiegel vor dem Einbringen des hochschmelzenden Materials in den Tiegel gezündet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel mit Geschwindigkeiten zwischen 200 und 2000 Upm gedreht wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, bestehend aus einer oberen Elektrode, einer unteren drehbaren Elektrode, aus Mitteln zum Drehen der unteren Elektrode, aus Mitteln zum Zuführen von schwerschmelzbarem Material von der oberen Elektrode zur unteren Elektrode sowie aus Mitteln zum Zuführen von Elektrizität zur oberen und unteren Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Elektrode ein Hohltiegel (1) ist, der mit einer Kühleinrichtung (2) versehen ist, und daß ein Gehäuse (4) den Tiegel (1) in einem ausreichenden Abstand umgibt, damit geschmolzenes Material, das vom Tiegel (1) weggeschleudert wird, sich vor der Berührung mit dem Gehäuse (4) verfestigt hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) eine zentrale Bohrung (29) zum Einbringen des hochschmelzenden Materials in den Tiegel (1) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) in an sich bekannter Weise als Verbrauchselektrode aus dem hochschmelzenden Material besteht.