NO144734B - Transportvogn med hyllearrangement og hjul. - Google Patents

Abstract

Transportvogn med hyllearrangement og hjul.

Description

Varmefast kjernebrensel og fremgangsmåte og innretning til dets fremstilling.

Den foreliggende oppfinnelse angår

nye varmefaste produkter som kan karak-teriseres ved den ene eller den annen av

formlene X02/XN og X02/YN, som beteg-ner det eutektikum som dannes mellom

oxydet og nitridet av et element X, res-pektive mellom oxydet av et element X og

nitridet av et element Y, og hvor elemen-tene X og Y tilhører actinide-gruppen.

Ifølge en foretrukken utførelsesform

av oppfinnelsen utgjøres eutektiket av

spaltbare elementer, f. eks. naturlig uran,

uran 233, plutonium, eller fertile elementer

som f. eks. thorium.

Man får på denne måte nye kjerne-brensler som er av varmefast type og derfor egnet til å utholde høye driftstempe-raturer. De nye brensler har betydelige for-deler fremfor de hittil benyttede varmefaste brensler på grunn av sine bemerkel-sesverdige fysiske og kjemiske egenskaper.

Således har de fremfor alt høyere ter-misk og elektrisk ledningsevne enn de tilsvarende oxyder. F. eks. har eutektiket

U02/UN (hvis sammensetning tilsvarer 1

molekyl U02 for 1 molekyl UN) bedre var-meledningsevne enn oxydet U02. Herav

følger dels at varmevekslingen mellom

brenselet og kjølefluidet skjer under bedre

betingelser, og dels at brenselet byr bedre

motstand mot plutselige temperaturfor-andringer (choc thermique) i tilfellet av

variasjoner i driftsforholdene eller stans

av kjernereaktoren.

Likeledes har de nye brensler i mange

tilfeller stor motstandsdyktighet overfor oxydasjon og kjemisk korrosjon. Således byr eutektiket U02/UN bedre motstand mot oxydasjon enn urancarbid UC. Dets gode kjemiske stabilitet selv ved høy temperatur setter det istand til i tilfellet av brudd på skjeden ikke å bli ødelagt raskt ved kontakten med kjølefluidet, f. eks. kull-syregass eller smeltet natrium.

Som det vil fremgå senere, fås de nye brensler lett i form av massive stykker som ikke i sin struktur inneholder tallrike po-rer, som kan være skadelige både for bren-selets mekaniske fasthet og for neutron-strømmens stabilitet (stabilité du régime neutronique).

Denne kombinasjon av egenskaper som hittil ikke har latt seg forene, viser den store betydning av disse nye varmefaste brensler sammenholdt med varmefaste brensler som det har vært vanlig å bruke hittil, særlig f. eks. oxyder og carbider.

I forhold til nitrider har de nye brensler først og fremst fordelen av et mindre neutroninnfangnings-tverrsnitt (section de capture neutronique).

Det bør dog bemerkes at neutroninn-fangningstverrsnittet for disse nye brensler er større enn for de tilsvarende oxyder

(på grunn av nitridmengden i eutektiket)

og man derfor bør ta sikte på enten å an-vende de nye brensler i reaktorer med hur-tige neutroner eller å anrike dem i tilfellet av reaktorer med langsomme neutroner.

Hvis det anvendte brensel i det sist-nevnte tilfelle f. eks. utgjøres av eutektiket UO../UN, er det hensiktsmessig å anrike uranet til et innhold av U 235 mellom 1 og 5 vektprosent alt efter de egenskaper som er fastlagt for reaktoren.

En annen løsning, som likeledes er mulig for reaktorer med langsomme neutroner, består i å benytte et brensel som inneholder både uran og plutonium, og som har formelen UO^/PuN og en sammensetning nær den eutektiske, og hvor innholdet av molekyler av UO, er 65—75 pst.

Man finner i virkeligheten at disse nye varmefaste produkter kan fås på grunnlag av sammensetninger som ikke svarer nøyaktig til eutektikum, men ligger i nærheten av dette og har lignende egenskaper, særlig som de nettopp nevnte.

Generelt inneholder det eutektikum som dannes på grunnlag av de to bestanddeler XO? på den ene side og XN eller YN på den annen side, n, molekyler av XO=, og nn molekyler av XN eller YN. Forholdet

— er spesifikt for arten av vedkommende n2

bestanddeler (oxyd eller nitrid), men er forskjellig når man skifter oxyd eller nitrid. Det kan være lik 1, f. eks. i tilfellet av eutektiket UO.?/UN, som har 1 molekyl UO» for 1 molekyl UN. I hvert spesielt tilfelle gjør en mikrografisk undersøkelse av den faste fase som fås ved kjøling av et smeltebad av de to bestanddeler, og en efterfølgende analyse av den sone som inneholder eutektiket, det mulig lettvint å bestemme eutektikets sammensetning.

Hvis man vil oppnå et eutektikum dannet på grunnlag av to forskjellige metaller, altså svarende til formelen XO„/YN, kan man bestemme hvilket metall som skal foreligge som oxyd og hvilket som nitrid i det dannede eutektikum, ved å basere seg på dannelsesvarmen (chaleurs de for-mation) for henholdsvis oxydene og nitri-dene av de to metaller, idet det dannede eutektikum alltid svarer til den største mulige dannelsesvarme. Denne teori er be-kreftet av erfaringen, og man får således alltid eutektiket Th02/UN (inneholdende 25 molekyler ThO, til" 75 molekyler UN), men det er ikke mulig å få eutektiket U02/ThN, noe som skyldes at det er eutektiket ThO„/UN som tilsvarer den maksi-male dannelsesvarme.

På grunn av sin eutektiske sammensetning har de nye varmefaste produkter et bestemt smeltepunkt likedan som de rene forbindelser og lavere enn smelte-punktene for deres bestanddeler. Således har eutektiket U02/UN et smeltepunkt av størrelsesordene 2200°C, mens smeltepunk-tet for U02 er av størrelsesordene 2850°C og for UN av størrelsesordene 2600°C. Men det er viktig å merke seg at smeltning av U02 er ledsaget av en betydelig fordamp-ning, og at smeltning av UN medfører en dissosiasjon av denne forbindelse. Derimot skjer der under smeltning av eutektiket UO,/UN ingen spaltning av dette eutektikum hvis man iakttar den forsiktighets-regel å arbeide i nitrogenatmosfære. Denne meget viktige egenskap gjør det mulig å få de nye varmefaste produkter i massiv form og med den teoretiske tetthet, noe som er av en viss interesse for mange anvendelser. Mens de hittil benyttede varmefaste brensler måtte behandles ved kostbare pulver-metallurgiske prosesser (fordi det nesten var umulig å få dem i smeltet tilstand) blir det mulig å lage de nye varmefaste legemer i en hvilken som helst ønsket geometrisk form rett og slett ved å støpe dem i en passende form og under nitrogenatmosfære. Denne forenkling represente-rer et meget betydelig teknisk fremskritt og gjør det mulig i høy grad å påskynde produksjonen og samtidig å redusere an-skaffelsesprisen påtagelig.

Oppfinnelsen går videre ut på en fremgangsmåte til fremstilling av de ovenfor angitte nye varmefaste produkter. Denne fremgangsmåte er karakterisert ved at man går ut fra en blanding som inneholder et metalloxyd X02 og et metall X eller Y og med molekylære prosentinnhold av oxyd og metall stort sett svarende til det molekylære prosentinnhold av det samme oxyd og av nitridet av det samme metall i det tilsvarende eutektikum, og man bevirker smeltning av blandingen og nitrering av metallet ved oppvarmning til høy temperatur under nitrogenatmosfære, hvorefter en påfølgende avkjøling av det oppnådde flytende bad til stivning gir den eutektiske sammensetning XO„/XN eller X02/YN.

Ifølge en utførelsesvariant går man for å fremstille et eutektikum X02/XN ut fra en blanding som inneholder et metalloxyd XO„ og carbon, og hvor det molekylære innhold av carbon er stort sett det dobbelte av det molekylære innhold av nitrid i det tilsvarende eutektikum, og man bevirker smeltning av blandingen såvel som reduksjon av en del av oxydet til me-tallisk tilstand samt nitrering av det metall som fås ved denne reduksjon, ved en oppvarmning til høy temperatur under nitrogenatmosfære, hvorefter en avkjøling av det oppnådde flytende bad til stivning gir den eutektiske sammensetning X02/XN.

Ifølge en foretrukken utførelsesform av fremgangsmåten ligger det nitrogen-trykk som anvendes under oppvarmningen mellom 50 og 760 mm kvikksølvsøyle, og nitrogenet kan være fortynnet med en inert gass, hvorunder det samlede trykk av gassene holdes under eller lik 760 mm kvikksølvsøyle. Oppvarmningen foretas ved induksjon eller ved hjelp av en lysbueovn.

Under oppvarmningen av blandingen av utgangsstoffer dannes der raskt en flytende fase som sikrer god kontakt mellom disse.

Går man ut fra en blanding av oxyd og metall, skyldes den raske dannelse av den flytende fase først og fremst smelt-ningen av metallet, som lettes av den høye temperatur (f. eks. 2500°C) som man ar-beider ved, og dernest den oppløsende virk-ning av det smeltede metall på oxydet.

Går man ut fra en blandling av oxyd og carbon, vil dette redusere oxydet og fri-gjøre metallet ved reaksjonen

og man får dermed de samme forhold som i det foregående tilfelle.

I begge tilfeller nitreres det smeltede metall i kontakt med nitrogenet, og man får dermed i det samme flytende bad en blanding av metalloxyd og -nitrid. Sammensetningen av væskebadet er bestemt ved utgangsblandingens sammensetning, som blir å velge passende for hvert tilfelle slik at den flytende fase får stort sett samme sammensetning som det eutektikum som fås i fast tilstand ved kjøling av badet. Under disse forhold blir sammensetningen av den faste fase den samme i alle punkter, og den blir - likeledes til enhver tid den samme som i den flytende fase som står over den stivnede del. M.a.o. det faste pro-dukt blir fullstendig homogent og dets sammensetning uforanderlig.

Vil man gjennomføre en kontinuerlig produksjon, er det fordelaktig å innføre ut-gangsstoffene i form av små agglomerater eller pressbiter (pastilles) med den øns-kede sammensetning, noe som særlig er av interesse når man går ut fra en blanding av metalloxyd og carbon. Går man ut fra en blanding av metalloxyd og metall, kan man innføre oxydet i form av små korn f. eks. på noen mm og metallet som små spon. I alle tilfeller får man som følge av dannelsen av den flytende fase raskt en intim blanding av bestanddelene.

I alle tilfeller hvor der arbeides med et metalloxyd som lett kan reduseres med carbon under frigjøring av metallet, er det særlig fordelaktig på denne måte å fremstille metallet in situ, for fremstilling av metalloxydet skjer i alminnelighet under langt mer økonomiske betingelser enn fremstillingen av det tilsvarende metall.

Således kan man f. eks. ha interesse av å fremstille eutektiket U02/UN ved å gå ut fra en ekvimolekylær blanding av urandioxyd og carbon.

Oppvarmningen som skal sikre smelt-ningen, kan foregå enten ved hjelp av en lysbue eller ved induksjon, og begge disse metoder har fordelen av å fremkalle en intern omrøring som bedrer homogenise-ringen ytterligere.

Hvis man foretar en smeltning med lysbue, bruker man en elektrode som ikke forbrukes, og hvis aktive del utgjøres av et materiale som ikke reagerer med nitrogen ved høy temperatur, f. eks. wolfram. Man lar lysbuen arbeide med en strøm-styrke f. eks. av størrelsesordene 500—2000 ampere og en belastningsspenning av stør-relsesordene 15—20 volt, faktorer som i første rekke avhenger av mengden av anvendte utgangsstoffer.

Reaksjonsbeholderen fylles før oppvarmningen med nitrogen, som eventuelt kan være spedd opp med en inert gass, f. eks. argon eller helium. Nitrogentrykket bør fortrinsvis være over 50 mm kvikk-sølvsøyle. Ut fra hva som er hensiktsmessig med hensyn til driften av lysbuen, er det å foretrekke å la det totale gasstrykk (av nitrogen alene eller av nitrogen pluss inert gass) være under 760 mm kvikksølv-søyle. I dette trykkintervall har partial-trykket av nitrogen ingen påtagelig innfly-delse på nitreringsreaksjonen, som såsnart metallet er smeltet, foregår meget raskt. På grunn av denne nitreringsreaksjon skjer der et fall i nitrogentrykket, og det blir derfor nødvendig å føre in ferskt nitrogen til stadighet under hele operasjonen.

I tilfellet av at metallet fremstilles in situ ved reduksjon av et metalloxyd ved hjelp av carbon, skjer der en dannelse av carbonoxyd, og man anordner derfor for-uten tilførlselsledningen for nitrogen en ledning hvorigjennom carbonoxydet fjer-nes efterhvert som det dannes.

Utførelsen av fremgangsmåten til fremstilling av de nye varmefaste produkter kan skje diskontinuerlig ved hjelp av vilkårlig kjent apparatur, f. eks. idet man innfører chargen av utgangsmateriale i en digel forsynt med et kjølesystem og anbragt under nitrogenatmosfære i en be-holder.

Ifølge en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen kan man likeledes gjen-nomføre prosessen kontinuerlig under anr vendelse av en innretning som vil bli beskrevet i det følgende.

Denne innretning er i første rekke karakterisert ved at den omfatter en lysbueovn, anordninger til kontinuerlig chargering av blandingen i ovnen, en tilførsels-ledning for nitrogen, en avløpsledning for nitrogen, anordninger til å regulere strøm-men av denne gass i avhengighet av trykket i ovnen, en digel som har en sylindrisk forlengelse nedentil, anordninger til kjø-ling av digelen, et bevegelig stempel i for-lengelsen samt manøvreringsanordninger til å forskyve stempelet efterhvert som støpestykket dannes.

Ifølge en foretrukken utførelsesform omfatter innretningen envidere anordninger til å samordne hastigheten av den fremadskridende innføring av chargen og hastigheten av den likeledes fremadskridende synkning av stempelet slik at overflaten av smeltebadet holdes på konstant nivå.

På tegningen er innretningen vist skjematisk i vertikalt snitt.

Tegningen viser en kobberelektrode 1 som ikke forbrukes, og som rager ned i en tett ovn 2. Elektroden 1 er hul og kjøles med vann via et tilløp 3 og et avløp 4. Ved sin nedre ende er den forlenget med en wolframfinger 5. Under elektroden 1 er der anbragt en digel 6, som f. eks. består av kobber, og som kjøles med vann 7 som ankommer ved 8 og går ut ved 9. Digelen 6 og elektroden 1 er forbundet med hver sin pol for strømmen, idet der er anordnet midler (ikke vist på figuren) til å sikre deres isolasjon. Digelen 6 er nedentil forlenget med en sylinder 10 som er åpen ved sin nedre ende. I denne sylinder 10 kan der med liten friksjon gli et kobberstempel 11 som kjøles med vann ved 12, og hvis nedadgående bevegelse oppnås ved hjelp av vilkårlig egnede midler, f. eks. slike som er antydet skjematisk ved 13 (tannhjul og tannstang), med en synkningshastighet som kan reguleres efter ønske.

Videre blir dette system kombinert med organer til å sikre hovedsakelig kontinuerlig chargering av reaksjonsblandin-gen, som f. eks. tilføres i form av småstykker 14. Således kan disse småstykker eller pressbiter innføres på forhånd i et magasin 15 hvorfra de suksessivt føres innover mot digelen 6 f. eks. med et stempel 16.

En særskilt apparatur kan. anordnes til å sikre automatisk oppveining av ut-gangsstoffene, blanding av disse og kom-presjon til pressbiter.

Innføringen av nitrogen, alene eller

oppspedd med en inert gass, i ovnen 2 skjer gjennom en ledning 17. Gassatmosfæren kan avsuges i vilkårlig regulerbar mengde ved hjelp av en ledning 18 som er forsynt med en ventil 19 og forbundet med en pumpe, som ikke er vist på figuren. Et manometer 20 viser til enhver tid trykket i beholderen. Ledningen 17 er forbundet med et reservoir (ikke vist) som inneholder nitrogen, alene eller blandet med en inert gass, under trykk. Denne ledning 17 har en ventil 21 som kan inngå i et system til automatisk styring (slik det er velkjent i praksis) som gjør det mulig å styre inn-føringen av nitrogenet, resp. gassblandin-gen, i avhengighet av trykket i beholderen slik at dette trykk blir holdt på en konstant og på forhånd fastlagt verdi.

Som nevnt tidligere har nitrogentryk-get i og for seg ingen påtagelig innflydélse på nitreringsreaksjonen, men i praksis har man interesse av å holde trykket konstant for ikke å endre forholdene med hensyn til lysbuens virkemåte og for dermed å kunne holde driften under hovedsakelig konstante og reproduserende forhold. Det totale indre trykk blir, likeledes for å lette lysbuens arbeide, fortrinsvis holdt på en verdi lik eller under 760 mm kvikksølvsøyle.

Da manøvreringsanordningen for stempelet står under atmosfæretrykk, kan man, hvis der arbeides under redusert trykk, anordne midler som f. eks. en fjær 22 (eller hvilke som helst likeverdige midler) til automatisk å utbalansere trykket.

Såsnart de første biter 14 er bragt til smeltning ved 23 ved hjelp av lysbuen, foregår nitreringsreaksjonen raskt, og man får dermed en flytende fase som inneholder en eutektisk blanding av metalloxyd, og -nitrid. Dette eutektikum stivner ved 24 ovenfor det kj ølede stempel 11. Hvis man så samordner synkningshastigheten av stempelet 11 med innføringshastigheten for bitene 14 slik at overflaten av smeltebadet holder seg på et stort sett fast nivå, kommer man dermed frem til å holde lys-buespenningen mellom elektroden og badet på en konstant verdi og får samtidig et støpestykke som kan trekkes kontinuerlig ut av ovnen.

Man kan anordne organer til automatisk å sikre avbrytelse av lysbuen, stopp

av chargen og av stempelets synkebeve-gelse når der er oppnådd en ønsket lengde av støpestykket i sylinderen 10.

Det er dermed mulig efter ønske og i en eneste operasjon å få et støpestykke med ønsket diameter og lengde. Enn videre vil det hvis ytterdiameteren skal fås med en meget nøyaktig fastlagt verdi, være mulig å bearbeide støpestykket ved metoder som er vanlig brukt for keramiske materialer.

I det følgende vil der bli beskrevet forskjellige ikke-begrensende eksempler på utførelsen av den fremgangsmåte til fremstilling av nye varmefaste produkter som oppfinnelsen går ut på. De forholdsregler med hensyn til utførelsen som vil bli beskrevet i forbindelse med disse eksempler, er å betrakte som utgjørende deler av oppfinnelsen, dog selvsagt slik å forstå at hvilke som helst likeverdige forholdsregler like godt vil kunne benyttes uten at man over-skrider oppfinnelsens ramme.

Eksempel 1.

Dette eksempel gjelder fremstilling av et varmefast brensel som utgjøres av et eutektikum TJ02/UN. Fremstillingen skjer i et apparat i likhet med det som er beskrevet i forbindelse med figuren. Utgangs-materialene innføres i form av pressbiter inneholdende en ekvimolekylær blanding av urandioxyd og carbon.

Lysbueovnen fylles med nitrogen under et trykk av 200 mm kvikksølvsøyle, som holdes under hele operasjonen, og man sender en strøm gjennom apparatet med en styrke av 800 ampere og en spenning av 15 volt. Man får dermed eutektiket UO„/UN i form av støpestykker med diameter 30 mm og lengde 200 mm.

Eksempel 2.

Dette eksempel gjelder fremstilling av et varmefast brensel dannet av et eutektikum Th02/UN. Fremstillingen av dette eutektikum svarer til 25 molekyler Th02 for 75 molekyler UN. I den samme lysbueovn som ble benyttet for eksempel 1, inn-fører man en blanding av Th02 og uran i molekylære andeler på henholdsvis 0,25 og 0,75. Der benyttes en blanding av nitrogen og argon, og man holder i beholderen under hele operasjonen et totaltrykk av 600 mm kvikksølvsøyle samtidig som partial-trykket av nitrogen er 200 mm kvikksølv-søyle. Man sender en strøm igjennom med en styrke av 1000 ampere under en spenning på 15 volt. Man får eutektiket ThO„/ UN i form av støpestykker med en diameter av 40 mm og en lengde av 300 mm.

Eksempel 3.

Dette eksempel gjelder fremstilling av et varmefast brensel bestående av et eutektikum Th02/ThN hvis sammensetning svarer til 15 molekyler Th02 til 85 molekyler ThN. I den lysbueovn som ble benyttet for de foregående eksempler, innfører man pressbiter inneholdende en blanding av thoriumdioxyd og carbon. Blandingen inneholder 15 molekyler ThOa til 170 molekyler C. Lysbueovnen fylles med nitrogen under et trykk av 500 mm kvikksølvsøyle, som holdes under hele operasjonen. Man sender en strøm igjennom med en styrke av 800 ampere under en spenning på 15 volt. Man får eutektiket Th02/ThN i form av støpestykker med en diameter av 15 mm og en lengde av 150 mm.

Som det sier seg selv og forøvrig alle-rede fremgår av det foregående, er det mulig å utføre oppfinnelsen på andre måter enn de beskrevne uten å overskride dens ramme. Spesielt kan oppfinnelsen således anvendes til fremstilling av eutektika XO,/ XN eller X02/YN hvor X og/eller Y kan betegne ikke ett eneste metall valgt fra actinidgruppen, men to eller flere metaller fra denne gruppe og med oxyder eller nitrider som er isomorfe og istand til å danne faste oppløsninger.

Claims (9)

1. Varmefast kjernebrensel, karakterisert ved at det er sammensatt av et oksyd av et element i actinidgruppen og et nitrid av samme element eller av et an-net element i actinidgruppen i slike mengdeforhold at de danner et eutektikum.

2. Fremgangsmåte til fremstilling av et varmefast kjernebrensel som angitt i påstand 1, omfattende å blande et metalloksyd og et metall i slikt forhold at molekylarforholdet mellom oksyd og metall i denne blanding er lik molekylarforholdet mellom det samme oksyd og nitridet av metallet i det tilsvarende eutektikum, smelte blandingen og nitrere metallet ved opphetning til høy temperatur i nitrogenatmosfære.

3. Fremgangsmåte til fremstilling av et varmefast kjernebrensel som angitt i påstand 1 og med formelen X02/XN, omfattende å blande et metalloksyd og carbon i et slikt mengdeforhold at det prosentuelle molekylarinnhold av carbon i blandingen blir stort sett det dobbelte av det prosentuelle molekylarforhold av nitrid i det tilsvarende eutektikum, smelte blandingen, redusere en del av oksydet til me-tallisk form og nitrere det metall som fås ved reduksjonen av den nevnte del av oksydet, ved hjelp av en opphetning til høy temperatur under nitrogenatmosfære.

4. Fremgangsmåte som angitt i påstand 2 eller 3, karakterisert ved at nitrogentrykket holdes mellom 50 og 760 mm Hg.

5. Fremgangsmåte som angitt i påstand 4, karakterisert ved at nitrogenet fortynnes med en inert gass og totaltryk-ket av gassene holdes under eller lik 760 mm Hg.

6. Fremgangsmåte som angitt i påstand 2 eller 3, karakterisert ved at oppvarmningen skjer ved induksjon.

7. Innretning til utførelse av en fremgangsmåte som angitt i påstand 2 eller 3, karakterisert ved at den består av en lysbueovn (2), anordninger (15, 16) til kontinuerlig chargering av blandingen i ovnen, en tilførselsledning (17) for nitrogen, en avløpsledning (18) for nitrogen, anordninger (21) til å regulere strømnings-mengden av denne gass i avhengighet av trykket i ovnen, en digel (6) som har en sylindrisk forlengelse (10) nedentil, anordninger (7—9) til kjøling av digelen, et bevegelig stempel (11) i det indre av den nevnte forlengelse (10), samt manøvre-ringsanordninger (13) til å forskyve stempelet etterhvert som støpestykket dannes.

8. Innretning som angitt i påstand 7, karakterisert ved at den omfatter anordninger til å samordne hastigheten av innføring av chargen (14) og hastigheten av synkning av stempelet (11) slik at overflaten av smeltebadet (23) holdes på et konstant nivå.

9. Innretning som angitt i påstand 7, karakterisert ved at lysbueovnen (2) har en elektrode (1, 5) som ikke forbrukes.