DE2559019C3

DE2559019C3 - Verfahren zur Herstellung von aus einem Oxidgemisch bestehenden Kernbrennstoffpellets

Info

Publication number: DE2559019C3
Application number: DE2559019A
Authority: DE
Inventors: Melville A. Deep River Ontario Feraday (Kanada)
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1975-02-28
Filing date: 1975-12-29
Publication date: 1978-09-28
Also published as: SE404100B; AU1145976A; FR2302571A1; DE2559019A1; BE839059A; IT1057628B; NL7600067A; CA1023935A; SE7513284L; GB1507878A; FR2302571B1; JPS5199799A; RO68987A; DE2559019B2; US4020131A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffpellets, die aus einem Oxidgemisch von angereichertem Kernbrennstoff-Material bestehen, bei dem die aus einem ersten Brennstoffoxid bestehenden Pellets in einem ersten Sinterungsschritt gesintert, darauf mit einem gelösten Salz eines zweiten Brennstoff-Materials imprägniert und die imprägnierten Pellets einem zweiten Sinterungsschritt unterworfen werden, um das Salz des zweiten Brennstoff-Materials in das Oxid dieses Materials umzuwandeln.

Die kanadische Patentschrift 872722 bzw. die DE-OS 1 929513 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Oxidgemisch-Kernbrennstoff, insbesondere zur Herstellung von UO₂-PuO₂-PeIIeIs. Bei diesem Verfahren werden in einer Variante die rohen Pellets aus UO₂, die vorher nicht in irgendeiner Weise gesintert wurden, mit einem Plutoniumsalz imprägniert und dann gesintert. Die Imprägnierung der rohen Pellets aus UO₂ mit einem Plutoniumsalz hat Nachteile, weil die nachfolgende Handhabung ein Problem darstellen kann und das imprägnierte Pellet nach der Sinterung in einem Handschuhkasten geschliffen werden muß. Das hat, weil das PuO₂ nur einige wenige Millimeter in das Pellet eindringt, zur Folge, daß durch das Schleifen ein großer Teil von ϊ stark angereichertem Material entfernt wird. Das ist unwirtschaftlich.

In einer zweiten Variante sehen die obengenannten Schutzrechte vor, daß die im wesentlichen fertiggestellten, d. h. vollständig gesinterten Pellets aus UO₂

κ· mit einem Plutoniumsalz imprägniert und die imprägnierten Pellets einem weiteren Sinterungsschritt unterworfen werden, um das Plutoniumsalz in das Oxid zu überführen. Die Imprägnierung des im wesentlichen fertiggestellten Brennstoff-Grundpellets, wu sie

'·"> auch gegenwärtig in CANDU-Kernreaktor-Konstruktionen verwendet werden, mit einer ausreichenden Menge von PuO₂ ist wegen der geringen Zahl von offenen Poren (< 1%) in diesen Pellets praktisch unmöglich. Es ist möglich, Pellets mit mehr offenen Po-

'Ii ren dadurch herzustellen, daß ein weniger reaktionsfreudiges Pulver verwendet wird. Hierdurch wird jedoch die Sinterenddichte beträchtlich verringert und es kann im Reaktor ein weiteres Sintern auftreten, das eine Elementinstabilität zur Folge hat.

-^>r' Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffpellets, die aus einem Oxidgemisch von angereichertem Kernbrennstoff-Material bestehen, zu schaffen, das einerseits wirtschaftlich ist und die Handhabung von

«ι hoch giftigem oder radioaktivem Material im Handschuhkasten oder anderen geschützten und abgeschirmten Bereichen in möglichst geringem Ausmaß erfordert und das andererseits eine gute Imprägnierung mit dem zweiten Brennstoff-Material ermöglicht.

r. Die Erfindung geht von der oben beschriebenen zweiten Variante der DE-OS 1929513 aus, d. h. einem Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffpellets, die aus einem Oxidgemisch von angereichertem Kernbrennstoff-Material bestehen, bei dem die

■«ο aus einem ersten Brennstoffoxid bestehenden Pellets in einem ersten Sinterungsschritt gesintert, darauf mit einem gelösten Salz eines zweiten Brennstoff-Materials imprägniert und die imprägnierten Pellets einem zweiten Sinterungsschritt unterworfen werden, um das

■)^r> Salzdes zweiten Brennstoff-Materials in das Oxid dieses Materials umzuwandeln.

Die gestellte Aufgabe wird bei dem eingangs gemeinten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelost, daß die nur das erste Brennstoff-Material enthalten-

><> den Pellets im ersten Sinterungsschritt so lange gesintert werden, bis sie 3% bis 25% an offenen Poren aufweisen und daß diese derart gesinterten Pellets auf eine derartige, vorbestimmte Größe abgeschliffen werden, daß sie nach dem Imprägnieren und dem

V) zweiten Sinterungsschritt ihre gewünschte, endgültige Größe aufweisen.

Gegenüber der ersten Variante der obengenannten Schutzrechte hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil wirtschaftlicher zu sein und nur in gerin-

M) gern Ausmaß ein Arbeiten mit radioaktivem Material im Handschuhkasten zu erfordern. Gegenüber der zweiten Variante hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, eine Imprägnierung mit dem zweiten Brennstoff-Material in ausreichender Menge zu ge-

•ii währleisten.

Das vollständige System umfaßt folgende Schritte: Die rohen Pellets aus dem Grundbrennstoffmaterial (z. B. UO₂) werden durch standardmäßige PuI-

ver-Metallurgie-Verfahren hergestellt. Sie werden bei relativ niedriger Temperatur (1100° C bis 1400° C) teilweise gesintert, um die Dichte der Pellets auf 75 % bis 93% der theoretischen Dichte zu bringen, und werden hierauf auf eine Größe abgeschliffen oder abtragend bearbeitet, die auf die schließlich erforderliche Größe zusammengesintert wird. Nach dem Schleifen, Waschen und Trocknen werden die Pellets mit dem zweiten Brennstoff-Oxidmaterial (z. B. PuO₂) imprägniert. Das wird dadurch erreicht, daß die Pellets mit einer Plutoniumsalzlösung (vorzugsweise Plutoniumnitrat) imprägniert werden. Es ist wichtig, daß einige der Poren miteinander verbunden und gleichförmig über das Pellet verteilt sind, da anderenfalls die Imprägnation nicht wirksam ist. Hierauf werden die Pellets einem abschließenden und vollständigen Sinterungsschritt im Temperaturbereich von 1400° C bis 1700° C unterzogen, bei dem das Plutonium in PuO₂ umgewandelt und das Pellet auf eine wesentlich höhere Dichte verdichtet wird.

Die Eindringtiefe des Imprägnationssalzes, der Prozentsatz des angereicherten Pellets und die Verteilung und die Konzentration des Anreicherungsmaterials können durch verschiedene Techniken bzw. Verfahren so variiert werden, daß sich ein vorteilhafter Einfluß auf die Wärmeübertragung und die im Reaktor ablaufenden physikalischen Vorgänge ergibt. Es seien hier einige Beispiele aufgeführt:

a) Es kann ein größerer Prozentsatz des Pellets dadurch angereichert werden, daß die Sinterung bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt wird, um die offenen Poren zu vermehren, daß das Längen-Durchmesser-Verhältnis des Pellets verringert wird, oder daß man in dem Pellet einen zentralen Lunker bzw. einen zentralen Hohlraum vorsieht.

b) Die Anreicherungskonzentration kann durch eine Mehrfach-Imprägnation oder durch eine höhere Konzentration des Anreicherungsmaterials in der Lösung erhöht werden.

c) Die Anreicherungsverteilung in dem Pellet kann dadurch gesteuert, z. B. an den Enden beseitigt werden, daß man geeignete Poren verwendet und die Enden der Pellets während der Imprägnation abdichtet.

Der zweite Sinterschritt (bei hoher Temperatur) sollte dahingehend wirken, daß er die Poren in dem imprägnierten Pellet abdichtet und das Plutoniumsalz in Oxid umwandelt, und ergibt hoch verdichtete Pellets mit geeigneten Abmessungstoleranzen. Ist der Plutoniurnverlust während der zweiten Sinterstufe zu hoch, so kann eine niedrigere Temperatur verwendet werden.

Der oben beschriebene, aus zwei Schritten bestehende Sinterprozeß hat gewisse Vorteile. Der größte Teil des Brennstoffs wird unter Verwendung des normalen Herstellungsweges außerhalb der Plutonium-Verfahrenslinie hergestellt. Es ist nicht erforderlich, innerhalb der Plutonium-Verfahrenslinie Pellets abzuschleifen oder Pulver zu handhaben. Das ergibt einen kostengünstigeren und weniger gefährlichen Gesamtprozeß. Die Verteilung des Plutoniums kann über das gesamte Uran in den Pellets homogen sein, oder

ι» es kann in ausgewählte Bereiche verteilt werden. Das Pu ist nach dem zweiten Sinterschritt in abgedichteten Poren enthalten.

Dieses Verfahren kann ebensogut auf aus einem Oxidgemisch bestehende Brennstäbe oder Brenn-

r> stoff-Pellets angewendet werden, die auf andere Weise, z. B. Pressen bzw. Strangpressen hergestellt wurden. In diesem Beispiel wird der gepreßte Brennstoff (z. B. UO₂) teilweise gesintert, auf die richtige Größe abgeschliffen und hierauf mit einem Anreiche-

2(i rungsmaterial wie z. B. Plutoniumnitrat imprägniert. Die Stäbe oder Pellets werden hierauf auf ihre volle Dichte zusammengesintert.

Es wurde eine Reihe von Versuchen unternommen, bei denen materialangereicherte UO₂-Pellets mit angereichertern Uran statt mit Plutonium imprägniert wurden. Hierbei wurde die Eindringtiefe und die Anreicherungsverteilung unter Verwendung von Neutronenradiographie überprüft. Zum Beispiel wurde ein UO₂-Pellet mit 12 mm Durchmesser und 12 mm

«ι Länge auf 88% Dichte gesintert und imprägniert. Das Anreicherungsmaterial drang ungefähr 2 mm in das Pellet ein, wobei über 50% des Pellet-Volumens angereichert wurden. Verwendete man lediglich die Imprägnation, so wurde eine mittlere Pellet-An-

r> reicherung von 0,4 Gew.% ohne Schwierigkeiten erreicht.

Bei der obigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden als verwendetes Brennstoffmaterial mit Plutoniumoxid angereichertes Uranoxid angegeben. Das Verfahren kann auch auf andere Kernbrennstoff-Materialien angewendet werden. Die Pellets, die auch in der Form von stranggepreßten Stäben vorliegen können, können sowohl aus Thoriumoxid als auch aus Uranoxid bestehen, und das Anj reicherungsmaterial kann Plutonium, Uran-233 oder Uran-235 sein.

Die Erfindung schafft also ein Verfahren zur Herstellung von aus Oxidgemischen, insbesondere aus UO₂-PuO₂ bestehendem Kernbrennstoff durch Im-

-,o prägnation, bei dem die rohen Pellets aus Kernbrennstoff-Oxid teilweise gesintert, hierauf mit einem zweiten Kernbrennstoff-Oxid imprägniert und schließlich einem abschließenden und vollständigen Sinterungsschritt unterzogen werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffpellets, die aus einem Oxidgemisch von angereichertem Kernbrennstoff-Material bestehen, bei dem die aus einem ersten Brennstoffoxid bestehenden Pellets in einem ersten Sinterungsschritt gesintert, darauf mit einem gelösten Salz eines zweiten Brennstoff-Materials imprägniert und die imprägnierten Pellets einem zweiten Sinterungsschritt unterworfen werden, um das Salz des zweiten Brennstoff-Materials in das Oxid dieses Materials umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß die nur das erste Brennstoff-Material enthaltenden Pellets im ersten Sinterungsschritt so lange gesintert werden, bis sie 3% bis 25% an offenen Poren aufweisen und daß diese derart gesinterten Pellets auf eine derartige, vorbestimmte Größe abgeschliffen werden, daß sie nach dem Imprägnieren und dem zweiten Sinterungsschritt ihre gewünschte, endgültige Größe aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffpellets aus der Gruppe Uranoxid bzw. Thoriumoxid und das zweite Kernmaterial aus der Gruppe Plutonium, Uran-233 bzw. Uran-235 stammen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sinterungsschritt bei einer Temperatur im Bereich von 1100° C bis 1400° C ausgeführt wird und daß der zweite Sinterungsschritt bei einer Temperatur im Bereich von 1500° C bis 1700° C durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidpellets die Form von stranggepreßten Stäben aufweisen.

5. Verfahren zur Herstellung von angereichertem, aus Oxidgemisch bestehendem Kernbrennstoff nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz ein Nitrat ist.