NO153267B - Styringsanordning for en jernbaneskinne-slipeinnretning - Google Patents

Abstract

STYRINGSANORDNING FOR EN JERNBANESKINNE-SLIPEINNRETNING.

Description

Fremgangsmåte for fremstilling av toriumdikarbid og toriumurandikarbitl.

Nærværende oppfinnelse vedrører

brenselsmateriale og fertilt materiale for

kjernereaktorer, og mer spesielt en fremgangsmåte for å fremstille toriumdikarbid

og toriumurandikarbidpartikler for grafitt-matriksbrenselselementer.

Toriumdikarbid, ThC„, og kombinert

toriumurandikarbid (Th-U)C2 i form av

dispergerte partikler i en grafittmatriks er

anvendelige som fertilt materiale og brenselsmateriale for gasskjølte, kraftgenere-rende kjernereaktorer. Reaktorer av denne

type eksemplifiseres ved den gasskjølte

høytemperaturreaktor, en heliumkjølt, gra-fittmoderert eksperimentell reaktor, i hvilken høytemperaturpotensialen for gass-kjøling kombineres med et brensel med

evne til sterk oppbrenning. Brenselselemen-tene for denne reaktor består av ringfor-met kompakt grafitt som inneholder dis-pergert toriumurandikarbid i et forhold på 1 atom uran-235 til 10 atomer torium til

700 atomer karbon. Fremstilling av kompakt brensel utføres ved pyrolytisk å over-trekke torium-urandikarbidpartikler med

20—50 mikroner tykt lag av karbon, blande

de overtrukne partikler med et egnet bindemiddel og finfordelt grafitt og forme

blandingen til kompakte legemer ved var-mepressing og sintreringsmetoder. Partik-kelstørrelsen for torium-urandikarbid er

kritisk for å oppnå den ønskete kompakte

brenselsform. Fisjonsprodukter som frigis

fra partiklene, øker sterkt med avtagende

partikkelstørrelse og tjener til å opprette

en minimalstørrelsesgrense på ca. 100 mi-

kroner i diameter. Større partikler er også kritiske for å oppnå den ønskede brensels-ladning da større volum overtrekksmateri-ale er nødvendig for finere partikler. Vanligvis er partiklene med sfærisk eller til-nærmet sfærisk form og med størrelse på ca. 100 til 250 mikroner i diameter nødven-dig for denne type kompakt brensel, og en partikkelstørrelse på ca. 200 mikroner anvendes for den spesielle reaktor som er nevnt foran. Andre typer karbidholdige brenselselementer kan kreve mindre eller større partikler.

Alvorlige vanskeligheter har oppstått ved fremstillingen av torium og torium-urandikarbidpartikler av den ønskede stør-relse og form. Disse karbider fremstilles ved å omsette metallet eller hydridet eller oksydet av metallet med karbon ved en forhøyet temperatur. De karbiddannende reaksjoner avhenger av diffusjonsmekanis-men, og enten har finfordelte reaksjons-komponenter eller meget høy temperatur, f. eks. 2100°C, vært nødvendig. For å unngå disse temperaturer har finfordelte materialer vanligvis vært anvendt, og et findelt karbidprodukt har vært oppnådd. Størrelse og formingen av det findelte karbid har krevd en rekkefølge av trinn, slik som pel-letisering ved pressing i forbindelse med et bindemiddel, sintring, knusing og sikting til egnet størrelse. Da karbidet, særlig i finfordelt tilstand, reagerer med luft eller fuktighet, har disse behandlinger krevd en inert atmosfære og har vist seg besværlige. Dessuten fremstilles en stor andel finma-terialer som krever tilbakeføring. Størrel-sesdannelsen og formingen har også vært utført ved å smelte karbidet i elektrisk lys-bue, men denne metode har vært besvær-lig på grunn av de nødvendige høye temperaturer. Et annet problem som foreligger ved disse metoder og den ekstreme hard-het hos karbidene og den resulterende van-skelighet med hensyn til maling og forming.

Det er derfor et formål med nærværende oppfinnelse å fremskaffe en metode for å fremstille toriumdikarbid og torium-urandikarbidpartikler.

Et annet formål er å fremskaffe en fremgangsmåte for å fremstille disse partikler med en sfærisk form og en kontrollert partikkelstørrelse.

Enda et formål er å fremskaffe en fremgangsmåte for å fremstille partikler hvor størrelse og formgivning utføres før omdannelse til karbid.

Et ytterligere formål er å fremskaffe en fremgangsmåte for å fremstille disse partikler ved relativt lave temperaturer.

Andre formål og fordeler ved nærværende oppfinnelse vil fremgå av den føl-gende detaljerte beskrivelse og påstander.

I overensstemmelse med nærværende oppfinnelse er der fremskaffet en fremgangsmåte for å fremstille toriumdikarbid eller torium-urandikarbid ved å forbinde findelt karbon med findelt toriumoksyd eller uranholdig toriumoksyd i et molart forhold mellom karbon og torium på minst 4 til 1, og brenne den resulterende blanding i en inert atmosfære, og karakteristisk for fremgangsmåten er at blandingen som skal brennes fremstilles ved å blande findelt karbon med en kolloidal oppløsning av toriumoksyd eller en kolloidal oppløsning av uranholdig toriumoxyd, hvilken kolloidale oppløsning inneholder nitrationer i et molart forhold mellom nitrat og torium på 0.05 til 0,15, og omdanne den resulterende blanding til faste partikler med forutbestemt størrelse og form.

Ved denne fremgangsmåte utføres stør-relsesdannelsen og formingen av partiklene før omdannelse til karbid og mens partiklene er i en kjemisk form som ikke er føl-som overfor luft eller fuktighet. Behandling av finfordelte karbider for størrelses-dannelse og formingsoperasjoner unngås. I motsetning til tidligere metoder fremstilles kafbidpartikler av den ønskete størrelse ved relativt lav temperatur. Denne fremgangsmåte er enkel og kan tilpasses til arbeid i stor målestokk eller under fjern-styrt kontrollerte betingelser, hvor det er nødvendig på grunn av utstråling av tori-umdatterisotoper ved gjenbehandling av bestrålt materiale.

Det er funnet at anvendelse av karbonholdig toriumdioksydsol som reaksjons-blandingen for fremstillingen av toriumdikarbid tillater en kontrollert overgang fra den flytende til den faste tilstand, og denne overgang fremskaffer et enkelt, men meget fleksibelt middel for størrelsesdan-nelse og forming av de resulterende partikler. Ved varierende betingelser ved omdannelse av solblandingen til fast form kan partikler av en gitt størrelse innen et ut-strakt område fremstilles. Dessuten vil an-vendelsen av dette system fremskaffe ensartet fordeling av uran hvor et torium-urandikarbidprodukt er ønsket.

En toriumoksydsol som er egnet for fremgangsmåten etter oppfinnelsen kan fremstilles ved å dispergere finfordelt toriumoksyd i et vandig nitratsystem. En ni-trationkonsentrasjon på minst 10— ?> til 10—4 molar og et nitrat-til-torium molart forhold på ca. 0,05 til 0,15 er kritisk for å oppnå en stabil sol. Hvor et uranholdig pro-dukt er ønsket kan en del av nitratet til-føres ved å fremskaffe uran i form av uranylnitrat i systemet. Den optimale mengde nitrat innen det angitte område avhenger av partikkelstørrelsen for toriumdioksyd, og større mengder er nødvendig for mindre partikkelstørrelser da nitratet innvirker med overflaten av torium. Toriumoksyd kan tilføres i enhver konsentrasjon opp til 5 molar, men ca. 2 molar er foretrukket. Dannelse av en sol utføres for-trinnsvis ved å justere nitratet, toriumoksyd, og hvis nærværende, urankonsentra-sjoner, justere pH til en verdi på ca. 3,5 til 4,0 ved tilsetning av ammoniumhydroksyd og oppslutte den resulterende blanding ved en temperatur på 80 til 100°C. Oppslutning over en tidsperiode på ca. 1 time er vanligvis nødvendig. Den resulterende sol inneholder kolloidale toriumoksydpartikler som har en gjennomsnittlig diameter på 20 til 350 Ångstrøm, og partiklene består sann-synligvis for det meste av enkelt krystal-litter av toriumoksyd med uranet, hvis nærværende adsorbert på dem.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til en spesiell fremgangsmåte for å fremstille toriumoksydet for innarbeidelse i solen, og enhver metode som gir toriumoksyd med tilstrekkelig dispergerbarhet for soldan-nelse kan brukes. Det er imidlertid foretrukket å fremstille toriumoksydet ved dampdenitrering av toriumnitrat ved en temperatur ikke over ca. 475°C. Etter å ha blitt brakt i kontakt med overopphetet damp, omdannes hydratisert toriumnitrat til et smeltet dihydrat ved en temperatur på ca. 180°C. Temperaturen økes derpå til 475°C over en tidsperiode på minst ca. 4 timer og holdes ved denne temperatur i ca. 1 time. Produktet er et meget dispergerbart krystallinsk oksyd som inneholder mindre enn 1 vektsprosent nitrat. Andre metoder som kan brukes omfatter termisk denitre-ring av toriumnitrat i luft ved en temperatur ikke over 475°C, kalsinering av toriumoksalat ved en temperatur ikke over 1000°C og bunnfelling av vandig toriumhydroksyd fra en toriumnitratopp-løsning med ammoniumhydroksyd. Dampdenitrering som beskrevet foran er foretrukket på grunn av den lettere kontroll og dens mulighet for tilpasning til arbeid i stor målestokk.

Finfordelt karbon kombineres med to-riumoksydsolen for å gi et karbon-til-torium molart forhold på minst 4 til 1, det støkiometriske forhold for dannelse av toriumdikarbid. Et lite overskudd av karbon, f. eks. 0,03 mol pr. mol toriumoksyd er foretrukket for å kompensere for reduksjon av flyktig materiale i gelet og for å sikre fullstendig omdannelse til dikarbidet. Ut-trykket «finfordelt karbon» slik som anvendt her skal angi karbon som har et overflateareal på minst 600 m2/g og en, midlere partikkelstørrelse ikke over 350 Ångstrøm. Det er foretrukket å bruke karbonpartikler på omtrent samme størrelse som det dispergerte toriumdioksyd i solen, f. eks. ca. 70 Ångstrøm midlere diameter for damp-denitrert toriumdioksyd. Materialet som fremstilles ved forbrenning av hydrokar-boner og som i handelen er tilgjengelig under betegnelsen «FURNACE BLACK» er særlig egnet i denne henseende. Det finfordelte karbon kan også fremskaffes fra andre karbonholdige materialer som spal-ter seg til fritt reaksjonsdyktig karbon.

Ved en alternativ utførelsesform blandes finfordelt karbon med vandig toriumoksyd før dannelse av en sol ved å tilsette karbon ved et mellomliggende trinn i bunn-fellingen av det vandige toriumoksyd. Den begynnende utfelling forårsakes ved grad-vis tilsetning av en vandig ammoniumhy-droksydoppløsning til en omrørt torium-nitratoppløsning inntil et slør av bunnfall danner seg. Foretrukne betingelser i dette trinn er en temperatur på ca. 90°C til 100°C, en ammoniumhydroksydkonsentra-sjon på 3 til 6 molar og en toriumnitratkon-sentrasjon på 0,1 til 1,0 molar. Denne blak-ke blanding oppsluttes over en tidsperiode på minst 10 minutter, og det finfordelte karbon tilsettes til blandingen. Bunnfel-lingen fullendes derpå ved tilsetningen avi mer ammoniumhydxoksydoppløsning. To-riumoksydkarbon-bunnfallet utvinnes ved filtrering og vasking, og bunnfallet innarbeides i en sol ved oppslutning i et nitratsystem, slik som beskrevet foran for toriumoksyd alene. Et nitrat-til-toriumforhold på ca. 0,05 er foretrukket for dette materiale.

Toriumoksydsol-karbonblandingen omdannes til fast form under kontrollerte betingelser for å gi partikler av den ønskete størrelse. Dannelsen av faste partikler kan utføres ved metoder hvor blandingen først fordampes og dehydratiseres for å gi en fast kake som derpå findeles eller ved metoder hvor partiklene dannes før eller samtidig med fordampning og dehydrati-sering.

Ved den første utførelsesform oppvar-mes blandingen og vannet i den fordampes inntil den resulterende gel er tilstrekkelig tørr for størrelsesdannelse og forming, og tørking inntil alt bortsett fra ca. 5 til 10 vektsprosent av det gjenværende flyktige nitrat og vann er fjernet er egnet for dette formål. Tørkingsbetingelser er ikke kritiske bortsett fra at en temperatur høy nok til å antenne karbonet unngås. En temperatur på ca. 90—130°C er foretrukket. En tidsperiode på ca. 12 til 24 timer er nødvendig for tørking ved 130°C, og lengre tider er nødvendig ved lavere temperaturer. Det resulterende tørkede gel findeles ved vanlig maling eller knusing for å gi partikler av den ønskete størrelse. Den tørkede gelkake brytes opp lett og ingen spesiell behandling eller inert atmosfære er nødvendig. Den ønskede størrelsesf raks jon kan oppnås ved siktning. Metoden er egnet ved fremstilling

av partikler på 100—250 mikroner i diameter for kompakt grafitt-matriksbrensel

og kan også anvendes for større eller mindre partikler ved å justere findeling- og siktningsbetingelser. De resulterende partikler kan ytterligere formes eller avrundes til nær sfærisk form ved vanlig teknikk, slik som valsningsbehandling. Det fine materiale som fremstilles ved denne rekkeføl-ge av trinn kan føres tilbake ved igjen å dispergeres i fortynnet salpetersyre for å gi en sol-karbonblanding og omdanne blandingen til partikler på samme måte som den opprinnelige blanding.

Dannelse av faste toriumoksyd-karbonpartikler før eller samtidig med fjerning av vann fra blandingen kan utføres etter flere metoder. Ved en metode dispergeres blandingen i en organisk væske for å gi stiv-nete dråper. Et organisk tørkingsmiddel tilsettes derpå under kontrollerte betingelser for å fjerne vannet og gi geldan-nede sfæriske partikler. Denne metode er særlig egnet for å fremstille partikler med en ensartet størrelse fra ca. 50—400 mi-

kroner i diameter. Denne metode er be-

skrevet i U.S. patent nr. 3 171 715. En an-

nen metode som er egnet for dannelse av sfæriske faste partikler består av forstøv-

ningstørring av toriumoksydsolkarbonblan-

dingen på vanlig måte. Mindre partikler,

f. eks. 1—3 mikroner i diameter, kan frem-

stilles etter denne metode. Sfæriske partik-

ler kan også fremstilles ved anvendelse av en roterende spinneskive hvor soldråpene mates til sentret av en oppvarmet roterende skive. Ettersom dråpene i spiral beveger seg utover på grunn av skivens rotasjon, behol-

der de sfærisk form og tørrer til et stabilt gel. Denne metode kan brukes ved frem-

stilling av partikler med 150—300 mikroner i diameter, skjønt den ikke er begrenset til dette størrelsesområde.

Toriumoksyd-karbonpartiklene som er

dannet som beskrevet foran omdannes til toriumdikarbid ved oppvarming ved en temperatur på minst 1400°C og vanligvis 1450—1775°C, i en inert atmosfære. De foretrukne oppvarmingsbetingelser er en temperatur på ca. 1775°C i en time både for toriumdikarbid og torium-urandikarbid.

Ved lavere temperaturer er lengre oppvar-

mingstider nødvendig for fullstendig om-

dannelse. Partiklene krymper ca. 30 vo-

lumprosent under oppvarming, og denne krympning tas i betraktning for størrelses-

dannelse av partiklene i de forutgående partikkelfremstillingstrinnene.

De resulterende partikler består av stø-

kiometrisk toriumdikarbid eller, når uran er tilstede, en fast oppløsning av torium-

urandikarbid sammen med en liten mengde fritt karbon. Intet monokarbid eller annen karbidfase kan påvises i partiklene. Disse partikler er særlig egnet for pyrolytisk overtrekning med karbon og innarbeides i et grafitt-matriksbrenselselement på grunn av fravær av andre karbidfaser.

Uran kan innarbeides i toriumdikarbi-

det i et forhold på opp til ca. 10 atompro-

sent av det totale metall. Ved høyere for-

hold er den uranholdige sol ikke stabil.

Uranverdier kan fremskaffes i solen som

uranylnitrat eller som et dispergerbart ok-

syd, dvs. hydratisert UO,, eller bunnfelt ammoniumdiuranat. Uranylnitrrat er fore-

trukket da solen fremstilles i et nitratsy-

stem. De gjenværende trinn av fremgangs-

måten er de samme som for torium alene bortsett fra som nevnt foran.

Oppfinnelsen skal ytterligere illustreres

av de følgende spesifikke eksempler.

Eksempel 1.

En toriumoksydsol ble fremstilt ved å

dispergere 300 g toriumoksyd som er opp-

nådd ved dampdenitrering av toriumnitrat ved en maksimumstemperatur på 475°C i en 0,15 molar salpetersyreoppløsning for å

gi et nitrat-til-torium molart forhold på

0,1, justere pH til 3,8 og oppslutte ved 90°C.

Den endelige konsentrasjon av torium var

2 molar. 81,2 g karbon i form av «CHANNEL

BLACK» ble derpå tilsatt og blandet med

solen. Karbonet hadde et overflateareal på

667 m-Vg og en midlere partikkelstørrelse på 9 millimikroner i diameter. Den resul-

terende blanding ble lufttørket i en ovn ved 130°C i 16 timer for å gi en fast kake. Ka-

ken ble knust, siktet og valsebehandlet til partikler med 2,54 mm i diameter og tilnær-

met sfæriske i form. En 15 g prøve av par-

tiklene ble derpå oppvarmet ved 1775°C i argon i 6 timer. Analyse av produktet viste 99,8 pst. omdannelse til toriumdikarbid med intet tilstedeværende monokarbid.

Eksempel 2.

Torium-urankarbidpartikler ble frem-

stilt etter metoden i eksempel 1 bortsett fra at uranylnitratet ble brakt inn i solen i et forhold på 5 atomprosent uran i for-

hold til totalt metall. Analyse av produkt-

partiklene viste 99,0 pst. omdannelse til di-

karbid med intet monokarbid.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av toriumdikarbid eller torium-urandikarbid ved å forbinde findelt karbon med findelt toriumoksyd eller uranholdig toriumoksyd i et molart forhold mellom karbon og to-

rium på minst 4 til 1 og brenne den resulterende blanding i en inert atmosfære, karakterisert ved at blandingen som skal brennes, fremstilles ved å blande findelt karbon med en kolloidal oppløsning av toriumoksyd eller en kolloidal oppløsning av uranholdig toriumoksyd, hvilken kolloidale oppløsning inneholder nitrationer i et molart forhold mellom nitrat og torium på 0,05 til 0,15, og omdanne den resulterende blanding til faste partikler med forutbestemt størrelse og form.

2. Fremgangsmåte etter påstand 1, karakterisert ved at blandingen av kolloidal oppløsning og karbon omdannes til faste partikler ved å fordampe blandingen til en tørr gel og findele den resulterende tørrede gel.

3. Fremgangsmåte etter påstand 1, karakterisert ved at blandingen av kolloidal oppløsning og karbon omdannes til faste partikler ved å forme den til kule-formede, faste agglomerater og dehydrere agglomeratene.

4. Fremgangsmåte etter påstand 1, karakterisert ved at blandingen som skal brennes fremstilles ved å felle ut en tåke av faste, vannholdige toriumoksydpartikler i et vandig nitratsystem med en vandig ammoniumhydroksydoppløsning, tilsette findelt karbon til den resulterende blanding i et molart forhold mellom karbon og torium på minst 4 til 1, tilsette en tilstrekkelig mengde av en vandig ammo-niumhydroksydoppløsning til den resulterende karbonholdige blanding for å full-ende utfelling av vannholdig toriumoksyd i denne, og justere forholdet mellom nitrat og torium i den resulterende oppløsning til 0,05 til 0,13, og koke den resulterende blanding inntil en karbonholdig kolloidal opp-løsning dannes, hvoretter den kolloidale oppløsning omdannes til faste partikler av forutbestemt størrelse og form.

5. Fremgangsmåte etter de foregående påstander, karakterisert ved at findelt toriumoksyd dispergeres i et vandig nitratsystem i et molart forhold mellom nitrat og torium på 0,05 til 0,15, det inn-føres dispergerbart uran i den resulterende blanding i en mengde på opp til 10 atomprosent av det totale metall i oppløsningen, pH for den resulterende blanding justeres til 3,5 til 4,0, den resulterende blanding ko-kes ved en temperatur på 80°C til 100°C inntil en kolloidal oppløsning dannes, og den kolloidale oppløsning blandes med findelt karbon i et forhold mellom karbon og torium på minst 4 til 1, hvorpå den resulterende blanding omdannes til faste, sfæriske partikler som brennes ved en temperatur på minst 1400 °C i en inert atmosfære.