IT8209477A1

IT8209477A1 - Preparazione di combustibile nucleare e riciclo di sfridi

Info

Publication number: IT8209477A1
Application number: IT1982A09477A
Authority: IT
Original assignee: Babcock & Wilcox Co
Priority date: 1981-07-23
Filing date: 1982-07-22
Publication date: 1984-01-22
Also published as: AT378277B; IT1192482B; CH651698A5; ES514143A0; ES8407620A1; BE893824A; JPS6323518B2; CA1192734A; DK323782A; BR8204295A; NL8202953A; GB2103414B; EG16193A; SE8204413L; SE8204413D0; JPS5826295A; US4389355A; ATA284582A; FR2510293B1; FR2510293A1

Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo: "PREPARAZIONE DI COMBUSTIBILE NUCLEARE E RICICLO DI SFRIDI"

RIASSUNTO

Un metodo migliorato per la preparazione di gra nuli di combustibile nucleare e per il riciclaggio d? biossido di uranio utilizzante la radiazione di microonde , in cui forni a induzione a microonde sosti tuiscono forni convenzionali disinterizzazione del tipo a refrattario e forni a scuotimento aria.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un metodo migliorato per la preparazione di granuli o palline d? combustibile nucleare e per il riciclaggio di biossido di uranio facendo uso di radiazione a microonde in forni a induzione a microonde.

Il biossido di uranio (UO2) ? il combustibile pi? comunemente usato in reattori nucleari di oggigiorno, dove l'UO2, prende normalmente la forma di gra nuli sinterizzati che vengono caricati e sigillati all'inter o di tubi di metallo snelli, cavi internamente , chiamati barre del combustibile. Una plurali t? di tali barre del combustibile stabilisce un accu mulo di materiale assoggettabile a fissione la concentrazione sufficiente per sopportare sostenute reazioni di fissione all'interno dell'anima (o nucleo) di un reattore nucleare.

Un certo numero di tecniche sono state sviluppate per la produzione di granuli di combustibile nucleare, delle quali la pi? comune ? la pressatura a freddo di UO2 in polvere per formare granuli che tengono sinterizzati in idrogeno in un forno del tipo a refrattario a temperature di circa 1700?C per un tempo variabile approssimativamente da tre a sei ore. Tipicamente, dopo la compressione (o pressatura) , i granuli formati vengono posti in contenitori da trasporto altamente resistenti al calore chiamati, "navicelle? o " navette? di trasporto che vengono spinti o fatti passare attraverso un forno di sinterizzazione riscaldato con resistenze elettriche con rivestimento di blocchi altamente refrattari e nel quale i granuli vengono sinterizzati per formare prodotti finali densi , stabili . Tale processo richiede per? un forno speciale riscaldato elettricamente, che ? costoso nell'esercizio e nella manutenzione, e il campo di temperature di tali forni 9 del tipo " a spingitoio? e "a bilanciere" cio? a spostamento, sombra essere al limite o vicino al limite della tecnologia commericiale. Inoltre tali forni non si sono dimostrati adattabili al funzionamento comandato da lontano necessario per ritrattare e rifabbricare, cio? rigenerare combustibili nucleari.

Durante il processo di preparazione di granuli di combustibile nucleare vi ene generata una quantit? di granuli di UO2 sinterizzati scarto e di polvere di UO2 di sfrido o di avanzo disponibile per essere riciclata. Un metodo tipico dell'arte antecedente relativa al recupero di UO2 per il riciclaggio ? quello di riscaldare il materiale in aria di modo che l'UO2 si trasforma in U3O8, e nella forma di U3O8 il materiale ? disponibile per la rimessa in ciclo o per essere mescolato di nuovo con UO2 pulito e polveri leganti organiche nella fase iniziale del processo di preparazione dei granuli di combustibile nucleare. L'U3O8 presenta una struttura cristallina differente dall'UO2, e quando esso viene formato dall'UO2, la differenza strutturale fa si che la struttura iniziale si scheggi e si frammenti. La conversione da UO2 in U3O8 per la rimessa in ciclo nell'arte precedente viene comunemente effettuata in un forno convenzionale ad aria, e una volta che il materiale ? riscaldato, esso viene scosso per aiutare la fratturazione (o frantumazione).

Gli scopi delia pressate invenzione lono quelli di sostituire il forno di sinterizzazione del tipo a refrattario riscaldato con resistenze, usato nel processo di preparazione di granuli di combusti bile nucleare , e la conbinazione del forno a scuoti mento-aria, usato nel processo di conversione-rimessa in ciclo dell'UO2 in U3O8, con dei forni ad indu zione a microonde Fino ad ora, l'induzione a mcro onde ? stata usata come meccanismo di riscaldamento quasi interamente tram te la suscettibilit? o sensibili? della molecola dell'acqua alla radiazione delle microonde, cio? l'uso delle microonde per il riscaldamento di materiali ? stato concentrato sugli effetti che le micronde hanno sulle molecole dell'acqua. Le microonde causano dei cambiamenti rapidi nella polarizzazione della molecola dell'acqua e con ci? generano calore. L'invenzione della presente descrizione rende noto che l ossido di uranio con le stechiometrie UO2 a U3O8 e che i granuli (o palline) di UO2 sinterizzati e la polvere di UO2 di sfrido o avanzo sono direttamente suscettibili cio? sensibili alla radiazione a microonde. In conseguenza il forno di sinterizzazione del tipo a refrattario e il forno ad aria trattati sopra possono essere sostituiti da forni molto pi? piccoli a induzione a microonde.

La pressate invenzione ovvia a molte delle manchevolezze nel trattamento dei combustibili secondo l'arte precedente in forni di sinterizzazione del tipo a refrattario, con una riduzione dei tempi di sinterizzazione e permettendo di raggiungere le temperature in tempo pi? breve, dando luogo a temperature pi? elevate disponibili, diminuendo il consumo di energia e le necessit? di spazio, riducendo l'usura nei forni refrattari o eliminando il fabbisogno di materiali per detti forni, offrendo una pronta adattabilit? al funzi onamento modularizzato in dislocazioni lontane dove la perdita di un modulo o il danno ad un modulo non significherebbe l'arresto (cio? lo spegnimento) dell'intero impianto, e dando luogo a migliorate caratteristiche di densificazione e di porosit? del prodotto sinterizzato. Inoltre l'invenzione ovv ia a molte delle deficienze della rimessa in ciclo associate con la combinazione del forno a scuotimento--aria riducendo i tempi di riscaldamento per portare l'UO2 alla sua temperatura di ossidazione , permettendo la frattura o frantumazione statica di granuli sinterizzati di UO2 e producendo con un miglior rendimento una polvere di per la rimescolazione.

La presente invenzione si riferisce ad un metodo migliorato per la preparazione di granuli o palline di combustibile nucleare e la rimessa in ciclo di biossido di uranio utilizzando il concetto della radi azione a microonde in un forno di induzione a microonde. Tipicamente, durante il processo di preparazione dei granuli, il biossido di uranio e le polveri leganti organiche vengono mescolati e poi formati e pressati per formare compresse pressate di granuli . Le compresse pressate vengono poi riscaldate, sinterizzate e mantenute alla temperatura di sinterizzazione in un forno a induzione a microonde in un'atmosfera riducente, dopo di che le compresse sinterizzate vengono raffreddate alla temperatura ambiente sotto condizioni atmosferiche continuamente riducenti. Dopo il raffreddamento le compresse vengono frantumate per formare il prodotto desiderato finito di granuli di biossido di uranio. Una quantit? di polvere di biossido di uranio di sfrido o avanzo e di granuli di biossido di uranio sinterizzati scarto generatasi durante la preparazione di granuli ? disponibile per essere riciclata in un forno a induzione a microonde dove il materiale viene riscaldato in un'atmosfera ossidante. Nel forno, il biossido di uranio rimosso in ciclo viene ossidato per formare una polvere di e poi trasportato per essere mescolato con biossido di uranio e polveri leganti organiche nella fase iniziale del processo di preparazione di granuli di combustibile nucleare.

Le varie caratteristiche di novit? che carette rizzano l'invenzione sono evidenziate dettagliatamente nelle rivendicazioni allegate alia presente descrizione e che formano parte integrante di essa.

Per mia migliore comprensione dell'invenzione, dei suoi vantaggi nella conduzione del processo e dei ri sultati specifici ottenuti nel suo uso, viene fatto riferimento al materiale descrittivo allegato nel quale ? illustrata e descritta una tipica realizzazione dell'invenzione.

I granuli di combustibile nucleare realizzati per alimentare reattori nucleari vengono prodotti partendo da una polvere di biossido di uranio (UO2) (l'industria ha adottato anche se la polvere stechiometrica di partenza pu? essere rappresentata come e mescolandola con una polvere le gante organica disponibile in commercio. La quantit? del legante organico non ? critica, ma dovrebbe essere nell'ambito di circa lo 0,1 allo 0,3 del peso della miscela ottenuta il resto essendo circa dal 99,7 al 99,9 di UO2 - cio? una quantit? sufficiente di legante per tenere insieme le polveri durante la formatura e la pressatura. Il tempo di miscelazione dovrebbe essere sufficiente per produrre una miscela omogenea. Dopo la miscelazione, la miscela mesco lata viene formata e pressata a freddo per formare compresse di granuli pressate verdi , la forza di pressatura essendo quella sufficiente per compattare cio? addensare le polveri all'incirca del 50%, della densit? teorica della miscela , tale determinazione essendo basata sulla lunghezza , il diametro ed il peso della compressa. Le compresse vengono poi riscaldate e sinterizzate in un forno a induzione a mcroonde in un'atmosfera riducente che consiste essenzialmente di una miscela di gas di azoto (N2) e idrogeno (H 2) e, pi? precisamente , di una miscela di gas di circa il 75% di H2 ed il 25% di N2. Comunque una qualsiasi atmosfera riducente sarebbe idonea. La temperatura d? sinterizzazione ? nell' ambito da circa 1600? C a 1800?C, e le compresse vengono tenute nel forno a microonde in atmosfera riducente alla temperatura di sinterizzazione per approssimativamente 2 a 6 ore per ottenere una densit? della compressa di circa il 95% della densit? teorica. La sinterizzazione in un'atmosfera riducente riduce la polvere iperstechiometrica di par tenza, Dopo la sinterizzazione, le cmpesse vengono raffreddate approssimativamente a temperatura ambiente, il raffreddamento venendo condotto la atmosfera riducente. Dopo il raffred damento le compresse vengono frantumate per dar luo go al prodotto finito desiderato di UO2 in granuli.

Il sopradescritto processo di fabbricazione di granuli nucleari pu? anche essere condotto con fasi di processo aggiuntive, introdotte dopo la fase di formatura e di compressione ma prima della fase di sinterizzazione. Tuttavia con fasi addizionali , la for za di pressatura sopra menzionata diventa quella che ? sufficiente par impattare le polveri a circa il 44% della loro densit? di miscelazione teorica.

Le fasi addizionali includono il far passare a forza le compresse attraverso degli schermi o setacci per formare un granulato e poi la pressatura a fred do del granulato in compresse di granuli pressati, la forza di pressatura del granulato essendo quella sufficiente per compattare il granulato ed approssimativamente il 50% della densit? teorica. Per di pi? della polvere di U3O8 pu? essere mescolata con la polvere di UO2 e con le polveri leganti organiche nella prima fase del processo di preparazione del combustibile, la polvere di U3O8 rappresentando approssimativamente il 5% in peso della miscela mescolata, la rimanenza essendo sostituita da circa lo 0,1, allo 0,3% di legante e circa il 94,7 al 94,9% di UO2. L'U3O8 contenuto nell compress di a seguito della sinterizzazie nell'atmosfera riducente, viene convertito in UO2.

E' stato determinato che l'ossido di uranio con stechiometrie UO2 a U3O8 ? direttamente suscettibile alla di microonde ad approssimativamente 2450 Mhz cio? la frequenza di un fermo sta dard a microonde da cucina che riscalda rapidamente a temperature molto elevate al colo rosso.

essere tenuto presente che mentre un forno convenzionale a microonde era svolto per l'uso perch? prontamte disponibile altri forni a induzione a microonde , convenzionali e nn convenzionali, che funzionano a frequee diverse, sarebbero anche essi idonei. Altr materiali ceramici comprendenti allumina, silice, alchio, lito e grafite non sono cos? prontamente suscettibili alla radiazioe di microonde a 2450 MHz.

Vennero effettuate delle prove per accertare che l'ossido di uranio con stechiometrie UO2 a U3O8 ? direttamente suscettibile alla radiazione di microonde disponendo comprsse di granuli di UO2 verdi pesenti in un tubo di allumina, mettendo il tubo in un fo no convenzionale a microonde a 2450 MHz , prevedendo mezzo per l'introduzione di un ' atmosfe ra riducente nel tubo, tappando le estremit? del tubo co materiale isolante refrattario e riscadando il tubo, con le compresse, nel forno in un'atmosfera riducente costituita da una miscela di gas N e N2 Il riscaldameno venne inizialmente effettuato per due minuti ad un'impostazione della potenza di 20, ci? che significa che il 100% della potenza del forno veniva erogata per il 20% del tempo di riscaldamento. La potenza iniziale di 20 , sufficiente per a sportare la maggior parte di qualsiasi umidit? contenuta, venne aumentata ad un'impostazione della potenza di 30 e mtenuta per cinque minuti per asportare qualsiasi umidit? rimasta. Poi la potenza venne aumentata ad un'inpostazione di 70 per dieci minuti e quindi aumentata ad un'impostazioe di 100 per ulteriori quindici minuti . Il tubo di allumina stesso era trasparente alla radiazione di microonde permettendo il passaggio della radiazione delle microonde e il riscaldamento delle compresse dall' interno verso l'esterno piuttosto che dall'esterno verso

terno, essendo questa una caratteristica di normali forni a refrattario. il riscaldamento a 1370?C venne ottenuto dopo solo quindici minuti di esercizio Un bagliore tremolante dall'interno del tubo inizi? circa 5 minuti dopo l'impostazione della potenza a 70, tale bagliore diventando costa te all'impostazione dell' intera potenza di 100 , ed una temperatura di sinterizzazione di 1620?C venne misurata alla superficie estern a dal tubo. L'impostazione della potenza di 100 venne mantenuta per altri 15 minuti e poi le compresse vennero raffreddate nel forn temperatura ambiente, l'atmosfera riducente venendo continuamente mantenuta. Furo o effettuate misurazioni delle densit? delle compresse che vengono presentate

come segue:

Ulteriori prove vennero effettuate su delle compresse di granuli UO2 della misura pi? comunemente

usata nella preparazione di granuli di combustibile nucleare. Le prove vennero effettuate come descritto sopra all'occezione che il tempo di sinterizzazione

venne aumentato a 4 ore e le compresse presentarono un diamtro interno di circa 0,3 cm. Vennero effettuate delle misurazioni della densit? delle compresse che vengono presentate come segue:

Fu scelta l'allumina per l'uso nella camera di sinterizzazione perch? essa era in grado di resistere alle elevate temperature generate ma non interagi

va il campo delle microonde. Di conseguenza non potevano essere presi in considerazione componenti metallici perch? essi riflettono le microonde. Dute il processo di preparazione del combustibile nucleare, non occorre che le compresse siano sigillate

in tubi di allumina, ma "navicella" di allumina, con tenitori o altro materiale invisibile alla radiazione delle microonde potrebbero essere usati quale mezzo di trasporto per le compresse nel forno a induzione a microonde. Le compresse di pova di biossido di uranio con legante organico e di biossido di ura nio e U3O8 cn legante organico risultarono tutte suscettibili alla radiazione delle microonde dimostrando con ci? che il forno di sinterizzazione a induzione a microonde ? una valida altenativa al forno di sinterizzazione del tipo a refrattario.

La rimessa in cclo cio? il riciclaggio di biossido di uranio di sfrido o avanz ? un' aggiunta importante al processo della preparazione del combustibile nucleare. Durante la preparazione dei granu li viene generata una quantit? di granuli di biossido di uranio sinterizzato e di polvere di biossido di uranio disponibile per la in ciclo. Granuli sinterizzati che non corrispondono alle specifiche e di biossido di uranio o detrito di frantumazione generato durante la fase di frantuma zione o frammentazione delle comprsse vengono trasportati in una navicella o in un recipiente di allumina o di altro simile materiale invisibile (cio? non suscett) alla radiazione di microonde in un forno a induzione a microonde per il ritrattamento ed il riciclo. Inoltre, qualsiasi altro biossido di uranio di sfrido o di avanzo potrebbe essere aggiunto e trattato in questo modo. Il riscaldamento del materiale alla sua temperatura di ossidazione di almeno 200?C nel forno a microonde viene effettuato mediante la radiazione a microonde in un'atmosfera ossidante, generalmente, ma non esclusivamente in aria nella quale l'UO2 viene ossidato per formare polvere di U3O8. Il tempo e la temperatura di riscaldamento specifici non sono critici ma il riscaldamento dovrebbe essere effettuato per un periodo sufficiente per cambiare il materiale in fine nera, un che ? una funzione della massa di materiale ma che viene generalmente completato in un campo di temperature approssimativamente fra 400 e 500?C in circa 20 a 40 minuti. Nel forno 1 granuli ven no riscaldati al punto in cui la superficie esterna del gra si ossida in U3O8 e si separa dal gra interno di UO2 a causa delle differenze nella densit? fra UO2 e U3O8, l'UO2 presentando maggiore densit?. Con l' introduzione di superfici fresche, non ossidate, il processo suole continuare fino a quando l'intero grano ? ossidato riducendosi in nera di U3O8. La polvere di biossido di uranio o il detrito di frantumazione si trovano gi? in forma di perci? a segui del riscaldamento nel forno in atmosfera ossidante il detrito suole venire velocemente trasformato nella polvere di U3O8. Il prodotto ossidatp che esce dal forno ? una fine polvere di U3O8 adatta, dopo il raffreddamento, per essere mescolata di nuovo con polveri di biossido, di uranio e di legante organico in un pocesso di preparazione dei granuli di combustibile nucleare.

Il riscaldamento nel forno di riciclaggio pu? essere continuo o intermittente. L'ossidazione del granuli viene per? favorita dal riscaldamento a microonde quando il livello della potenza di alimentazione viene alternato, cio? ? intermittente una fase di potenza inserita essendo seuita da una fase di interruzione della potenza. Dopo un periodo di potenza inserita seguita da un periodo di interruzione di potenza i granuli di UO2 si riscaldano in modo estremamente rapido quando la radiazione delle microonde viee ristabilita. Granuli sinterizzati sono stati frantumati completamente semplicemente disinse la fonte delle microonde e riinserendola durante l ' ossidazio dei granuli . Quando il materiale di UO2 oltrepassato la temperatura di ossidazione la sua suscettibilit? alla radiazione delle microonde ? molto elevata. Quando la radiazione delle microonde viene interrotta il materiale comincia a raffreddarsi sempre ossidandosi. Il materiale ritorna immediatamente ad una temperatura corrispondente ad bagliore rosso quando la radiazione delle microonde viene riintrodotta . Il rapido riscaldamento e raffreddamento fa si che sollecitazioni termiche trasendo si verifichino nella struttura dei granuli. Le sollecitazioni termiche, insieme con le sollecitazio introdotte a causa della differea della densit? fra UO2 e U3O8 la frantumazione o frattura dei granuli in condizione statica. Superfici cio? fresche esposte in occasione di ogni ciclo di raffreddamto permettendo che l'ossidazione continui fino ad essere completa.

Le prove di laboratorio hanno dimostrato che campioni di polvere di posti in un a microonde convenzionali di 2450 MHz direttamente suscettibili alla radiazione delle microon in un'atmosfera ossidante. Un campio di polvere di con un peso di circa 5 grammi raggiunger? il bagliore so in meno di un minuto e l'ossidazione si verificher? su tutte le superfici a contatto con aria. Le prohanno anche dimostrato che un granulo sinterizzato posto campo delle microonde ne percepisce l'effetto giro di circa 1 a 2 minuti, il frantumandosi che l'ossidazione progredisce. L'ossidazione granulo vie favori impostan il livello della potenza a 50. Il si frantuma a causa delle differenze di densit? e delle sollecitazioni termiche indotte quando le microonde vengono inserite e poi disinserite. Una impostazione dotta della potenza, che forniva radiazione delle microonde inserita/disinserita, cio? intermittente intensificava l'ossidazie per la creazione di sollecitazioni termiche e di differenze di densit? causando la frattura del granulo e aumentando le superfi fresche di UO2 disponibi per l'ossidazione Sebbene in alle disposizioni di lege si sia qui illustrata e descritta una forma di realizzazione specifica dell'invenzione , gli esperti in materia comprenderanno che potranno essere fatti cambiamei nella dell'invenzione coperta dalle rivendicazioni e che certe caratteristiche dell'invenzione possono qualche essere usate vantaggiosamente senza il corrispondente uso delle altre caratteristiche.

Claims

RIVENDICAZIONI

1) Un metodo per preparare granuli o palline di combustibile nucleare le fasi di: a) mescolazione di predeterminata quantit? di biossido di uranio e di pol organiche; b) e compressione della miscela mescolata per dar luogo a compresse di granuli pressati; c) riscaldamento e sinterizzazione delle compresse in un forno a induzione a microonde in un' atmosferra riducente;

c) mao delle compresse alla di sinterizzae nel'atmosfera riducente un tempo predeterminato;

e) raffreddamento delle compresse approssimativamente alla temperatura ambiente mentre viene l'atmosfera riducente; e

f) frantumazione delle compresse per ottenere il prodotto desiderato finito i granuli .

2) Il meto secdo la rivendicazione 1, in cui la compressione ? sufficiente per ottenere denteorica della compressa di circa il 50%.

3) Il metodo la rivendicazione 1 , in cui la compressione ? sufficiente per ottenere una densit? teorica della comprea di circa il

4) Il metodo secondo la rivendicazione 1 prendente inoltre le fasi (b) e (c) le fasi di:

far passar a frza le comprse attraveo schermi o setacci per forme un granulato ; e comprimere il granulato per formare compresse di granuli pressati.

5) Il metodo secondo la rivendicazione 4, in cui la compressione ? sufficiente per ottenere una densit? teorica della compressa di circa il 50%.

6) Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui le compresse vengono sinterizzate in detto forno a induzione a microonde ad una temperatura nell'ambito da circa 1600?C a circa 1800?C.

7) Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta atmosfera riducente comprende una miscea di gas e N2

8) Il metodo secondo la rivendicazione 7, in cui detta miscela di gas ? di circa il 75% di H2 e il 25% di N2.

9) Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta quantit? di biossido di uranio e di leganti organiche della fase a) ? di circa dal 99,7 al 99,9% e dallo 0,1 allo 0,3% del peso rispettivamente.

10) Il metodo secondo la rivendicazione 1 in cui il tempo di permanenza della fase d) ? circa di 2 a 6 ore.

Il metodo secondo la rivendicazione 1 , che comprende inoltre la fase di aggiungere una quantit? predeterminata di polvere di U3O8 la miscezione con detti biossido di uranio e polveri leganti organiche della fase a).

12) Un metodo secondo la rivendicazione 11, in cu la quanti? della di U3O8 ? di circa il 5% del peso miscela in polvere mescolata.

13) Un metodo riciclare granuli di biossdo di uranio sinterizzati scarto o di bios sido di uranio di sfrido o di avanzo generati durante la preparazione di granuli di combustibile nucleare comprendente le fasi di:

- trasportare i granuli di biosso di uranio sinterizzati, la polvere di biosso di uranio di sfrido o la combinazio di esse in un for a induzione a microonde;

- riscaldare il materiale nel forno a induzione a microonde in un'atmosfera ossidante per ossidare il biosso di urao fino a divenire di U3O8 ; .

- trasferire la di U38 per la miscelazione co biosso do uranio e polvi legati organiche in un processo di preparazione di gra nuli di combustibile nucleare.

Il metodo secondo la rivendicazione 13, in cui il riscaldamento nel forno a induzione a microonde ? continuo.

15) Il metodo secondo la rivendicazione 13, in cui il riscaldamento nel forno a induzione a microonde ? intermittente.