DE2063720C3

DE2063720C3 - Oxidischer Kernbrenn- oder Kernbrutstoff für Brenn- und/oder Brutelemente

Info

Publication number: DE2063720C3
Application number: DE19702063720
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dr.; Hamesch Muwaffak; Nickel Hubertus Dr.; 5170 Jülich Förthmann
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Filing date: 1970-12-24
Publication date: 1976-12-30

Description

einfach sein. ... . ,

Die Erfindung geht von der überraschenden Erkenntnis aus, daß einige Metalloxide wie Aluminiumoxid Nioboxid od. dgl. bei gleichmäßiger Verteilung im Brenn- und/oder Brutstoff die Eigenschaft haben, mit den bei der Kernspaltung gebildeten festen Spaitprodukten stabile und nicht flüchtige komplexe Metalloxide zu bilden und somit die Spaltprodukte im Brenn- und/oder Brutstoff zurückhalten.

Von dieser Erkenntnis ausgehend wird die Aufgabe der Erfindung bei einem Kernbrenn- oder Kcrnbrutstoff der oben genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Kernbrenn- oder Kernbrutstoff bis zu 10 Atomprozentsich mit den bei der Kernspaltungbildenden festen Spaltprodukten bei Temperaturen oberhalb von 800° C zu komplexen Metalloxiden, die bis zu einer Temperatur von 1500° Cnicht flüchtig sind, verbindende Metalloxide mit niedrigem Neutroneneinfangquerschnitt - wie Aluminiumoxid, Nioboxid od. dgl. - in fein verteilter Form zugesetzt

Durch die Verwendung von feinverteilten Metalloxiden im Kernbrenn- oder Kernbrutstoff gemäß der Erfindung wird erreicht, daß die beim Spaltprozeß entstehenden festen Spaltprodukte innerhalb der Brenn- und/oder Brutstoffteilchen abgebunden werden. Wird z. B. als Metalloxid Aluminiumoxid benutzt, entstehen komplexe Metalloxide wie SrAl₂O₄, SrAl₄O₇, SrAl₁₂O₁₉, BaAl₂O₄, BaAl₁₂O₁₉, deren Schmelzpunkte zwischen 1800° C und 1900° C liegen. In gleicher Weise wie mit Aluminiumoxid läßt sich auch mit feinverteiltem Nioboxid die erwünschte Bindung der festen Spaltprodukte erreichen. Einsetzen läßt sich beispielsweise auch Siliziumoxid, insbesondere zum Abbinden der Caesiumisotope. Es sind auch Mischungen von Metalloxiden, z. B. eine Mischung, die Siliziumoxid und Aluminiumoxid enthält, verwendbar, wobei die für die Bindung der festen Spaltprodukte vorteilhaften Eigenschaften der einzelnen Metalloxide jede für sich ausgenutzt werden.

Die Metalloxide können als Pulver dem pulverförmigen Brenn- und/oder Brutstoff beigemischt werden, doch ist es selbstverständlich auch möglich, in den Fällen, in denen der Brenn- und/oder Brutstoff ausgehend von einer wäßrigen Lösung hergestellt wird, den zur Bindung der festen Spaltprodukte verwendeten Werkstoff als wäßrige Lösung zuzugeben, wobei er während des Sintervorganges in ein im Brenn- und/oder Brutstoff gleichmäßig verteiltes Oxid übergeht.

Ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Brenn- und Brutstoffes gemäß der Erfindung, bei dem bei der Herstellung von einer wäßrigen Lösung ausgegangen wird, ist im folgenden näher beschrieben.

Ausführungsbeispiel

Eine Lösung aus 256 g (TH) (NO₃J₄ 5H₂O und 28,5 g UO₂(NO₃)₂ · 6H₂O in 500 ml Wasser wurde unter Rühren zu 500 ml 25%iger Ammoniaklösung gegeben. Der dabei entstandene Niederschlag wurde durch Absaugen von der überstehenden Lösung getrennt und mit insgesamt 10 1 Wasser ionenfrei gewaschen In einer weiteren Verfahrensstufe wurde der

Niederschlag mit 1,5 1 Wasser aufgerührt und nach Zugabe von 9,4 g A1(NO₃)₃ 9H₂O und 125 ml IMHNO₃ zum Sieden erhitzt. Die dabei entstandene kolloidale Lösung (Sol) wurde auf 167 ml eingedampft, wobei eine Konzentration von etwa 600 g Th/1 erreicht wurde. Das Sol wurde anschließend bei 10° C mit 1M(CH₂)₆N₄-Lösung (0,5 bis 1 ml/10 g Sol) gemischt und in 90 bis 95° C heißes Paraffinöl eingetropft. Die dabei gebildeten Partikeln wurden mit Petroläther von dem ihnen anhaftenden Paraffinöl befreit. Um das bei der Gelierung der Soltropfen entstandene NH₄NO₃ zu entfernen, wurden die Partikeln in einem Glasgefäß 5 Stunden unter konzentrierter Ammoniaklösung aufbewahrt. Die Lösung wurde dann abgesaugt und die Partikeln an Luft bei 50 bis 70° C so weit vorgetrocknet, bis sie frei rollten. Nach dieser Behandlung wurden die Partikeln in einem wasserstoffgespülten Rohrofen mit Silitstabheizung 5 Stunden bei 1300° C zu dichten Brennstoff kernen gesintert. Die Brennstoffkerne wurden anschließend in einem aus Graphit bestehender« Fließbett bei 1550" C durch Zersetzung von Acetylen mit einer porösen Pyrokohlenstoffschicht und bei 1300° C durch Zersetzung von Propylen mit einer dichten Pyrokohleostoffschicht umhüllt.

ίο Eine vergleichende Untersuchung der Freisetzung der wichtigen Spaltprodukte Sr-90 und Ba-140 aus derartigen beschichteten Teilchen unter Reaktorbedingungen ergab, daß im Gegensatz zu Teilchen mit Al₂O₃-freien Brennstoffkernen aus den hier beschrie-

benen Teilchen nach 21 Tagen bei 1200° C keine Freisetzung von Sr-90 und Ba-140 erfolgte.

Claims

Patentanspruch:

Oxidischer Kernbrenn- oder Kernbrutstoff für Brenn- und/oder Brutelemente, die in Graphit eingebettete, bis zu Temperaturen über 1000° C aufheizbare, kugelförmige, mit gasundurchlässigem Pyrokohlenstoff beschichtete Brenn- oder Brutstoffteilchen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kernbrenn- Gder Kernbrutstoff bis zu 10 Atomprozent sich mit den bei der Kernspaltung bildenden festen Spaltprodukten bei Temperaturen oberhalb von 800° C zu komplexen Metalloxiden, die bis zu einer Temperatur von 1500° C nicht flüchtig sind, verbindende Metalloxide mit niedrigem Neutroneneinfangquerschnitt - wie Aluminiumoxid, Nioboxid od. dgl. - in fein verteilter Form zugesetzt sind.

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Die Erfindung bezieht sich auf einen oxidischen Kernbrenn- oder Kernbrutstoff für Brenn- und/oder Brutelemente, die in Graphit eingebettete, bis zu Temperaturen über 1000° C aufheizbare, kugelförmige, mit gasundurchlässigem Pyrokohlenstoff beschichtete Brenn- oder Brutstoffteilchen enthalten.

Bei dem im Kernreaktor ablaufenden Spaltprozeß bilden sich gasförmige und feste Spaltprodukte, die wegen ihrer hohen spezifischen Radioaktivität nicht aus dem Brenn- und/oder Brutelement in das Kühlmittel gelangen sollen. Es sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die gasförmigen Spaltprodukte zurückzuhalten. So hat man den Brenn- und/oder Brutstoff mit keramischen oder metallischen Umhüllungen umgeben. Bei metallisch umhüllten, mit Helium gefüllten Brennelementen, mit Betriebstemperaturen unterhalb von 500° C ist es bekannt, dem Kernbrennstoff als Additiv Metalloxide beizumischen (DT-OS 1962764). An den Additiven sollen die entstehenden Spaltgase wie Xenon und Krypton als Gasbläschen angelagert und fixiert werden. Bekannt ist fcuch, Brenn- und/oder Biutstoffteilchen, deren Durchmesser unterhalb 1 mm liegt, mit gasundurchlässigem Pyrokohlenstoff und/oder geeigneten Carbiden wie Siliziumcarbid zu beschichten. Brennelemente mit beschichteten Brenn- und/oder Brutstoffteilchen sind insbesondere für Hochtemperaturreaktoren geeignet. Die Beschichtung der Brennimd/oder Brutstoffteilehen mit gasundurchlässigem Pyrokohlenstoff hält die entstehenden gasförmigen Spaltprodukte zurück. Von Nachteil ist bei diesen Brennelementen aber, daß bei ihrer Erhitzung im Hochtemperaturreaktor bis zu Temperaturen über 1000° C eine unerwünschte Feststoffdiffusion durch «lie Pyrokohlenstoffschicht und die die Brenn- oder tirutelemente einbettende Graphitmatrix hindurch auftritt. Die wichtigsten an dieser Feststoffdiffusion beteiligten Spaltprodukte sind die Isotope Sr-89, 90, Bal40 sowie Cs-134, 137.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei bis zu Temperaturen über 1000° C erhitzten Brenn- oder Brutelementen mit oxidischem Kernbrenn- oder Kernbrutstoff die Feststoffdiffusion von Spaltproduktcn zu verhindern, ohne dabei die Herstellung des Brenn- und/oder Brutstoffes sowie die Herstellung aer Brenn- und/ oder Brutelemente zu beeinträchtigen. Auch die Wiederaufarbeitung der Brenn- und/oder Brutelemente nach ihrem Einsatz im Hochtemperaturreaktor soll