SE515903C2 - Förfarande för framställning av och material ägnat att sintras till ett oxidbaserat kärnbränsleelement - Google Patents

Description

515 9.05 ''''' " 2 Man kan också anta att en ökad korrosionsresistans följer med en ökad kornstorlek hos kärnbränslet, eftersom korrosion före- trädesvis startar i korngränserna och ett kärnbränsleelements k förhållande mellan dess totala korngränsarea och dess volym minskar, d.v.s. den totala korngränsarean reduceras, då korn- storleken ökar. En god korrosionsresistens är önskvärd, eftersom kärnbränslet kan komma i kontakt med ånga eller vatten under drift pà grund av skador på ett omgivande kapslingsrör. Korro- sionsprodukter kan därvid spridas vidare ut i anläggningen, vilket bör undvikas av i sig kända skäl.

Förutom att de ovan nämnda tillsatserna resulterar i en större kornstorlek hos kärnbränslet och de fördelar som är förknippade med en sådan, bidrar åtminstone vissa av dem till en ökning av densiteten hos kärnbränsleelementet, med avseende på vikten av själva kärnbränslet, till exempel U, Th eller Pu, i förhållande till kärnbränsleelementets volym. En större effekt kan således er- hållas för en given volym av kärnbränslet.

Dessutom resulterar åtminstone vissa av nämnda tillsatser i en plasticitetsökning hos det sintrade kärnbränsleelementet. Detta resulterar i en mindre risk för skador på omgivande kapslingsrör vid snabba effektökningar under drift, och därmed förknippade volymförändringar hos kärnbränsleelementet, eftersom bränsle- elementet med mindre kraft än annars påverkar kapslingsröret.

Av de ovan nämnda tillsatserna är det Cr2O3 som ger det mest påtagliga resultatet. Tidigare teknik använder därför företrädes- vis CrzOs för att uppnå de ovan nämnda effekterna, framför allt ökningen av kornstorleken hos kärnbränslet. Cr2O3 måste dock betraktas som ett gift i detta sammanhang, eftersom Cr har ett relativt stort neutronabsorptionstvärsnitt, vilket i sin tur kan få en menlig inverkan på kärnbränsleelementets effekt, vilket insetts av sökanden. Enligt tidigare teknik tillsätts 1000-5000 ppm Cr (självt eller som Cr2O3) i förhållande till mängden av det oxidbaserade kärnbränslet, till exempel UO2, för att erhålla de ovan nämnda effekterna. ..... .. 3 sÃixñfllinÅNFÃrrNliufcfÄvflupPFiuwiuc-EN Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla ett förfarande som drar nytta av de effekter som kan uppnås ge- i nom tillsats av ytterligare en oxid, företrädesvis kromoxid till ett oxidbaserat kärnbränsle samtidigt som mängden av tillsatt krom- oxid regleras med hänsyn till de negativa konsekvenserna av fö- rekomsten av Cr i kärnbränsleelementet.

För att uppnå detta syfte är det inledningsvis definierade förfa- randet kännetecknat av att mängden tillsatt Cr är z 50 ppm och < 1000 ppm relativt mängden tillsatt oxidbaserat kärnbränsle.

Sådana mängder av tillsatt kromoxid ger markant ökade korn- storlekar hos olika oxidbaserade kärnbränslen, såsom UO; i samband med sintringen av kärnbränsleelementet, samtidigt som mängden Cr hålls på en lägre nivå än tidigare, och följaktligen har en reducerad negativ inverkan på kärnbränsleelementets ef- fektivitet under drift, trots sitt relativt höga neutronabsorptions- tvärsnitt. Ett ännu mer föredraget intervall beträffande mängden Cr är 100-700 ppm. “ Enligt ett föredraget utförande av förfarandet tillsätts dessutom ett pulver som innefattar åtminstone en ytterligare metalloxid, vars metall har ett väsentligt mindre neutronabsorptionstvärsnitt än Cr, i en sådan mängd att den märkbart bidrar till en kornför- storande effekt som kromoxiden har på kärnbränslet vid sintring- en. Den ytterligare metalloxiden är företrädesvis någon av Nb2O5, Al2O3 och MgO. Själva eller i kombination med varandra är nämnda' tillsatser otillräckliga för att man skall kunna uppnå de effekter som uppnås med kromoxiden, men som supplement till kromoxiden fungerar de utmärkt. Kromoxiden är företrädesvis Cf2O3.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande av förfarandet innefat- tar den ytterligare metalloxiden Al2O3 och är mängden tillsatt Al 2 20, och företrädesvis s 300 ppm. Under 20 ppm minskar effek- ten av tillsatt Al2O3 snabbt. Över 300 ppm blir, med den givna fl ~ I 0 nu o 515. 905 n a - ø c q u 4 kromoxidhalten, de ytterligare positiva effekterna av Al2O3 margi- nella.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande av förfarandet innefat- i tar den ytterligare metalloxiden MgO, varvid mängden tillsatt Mg är 220, och företrädesvis _<_3OO ppm. Under 20 ppm minskar snabbt de positiva effekterna av MgO på det oxidbaserade kärn- bränslet. Över 300 ppm Mg blir, med den givna kromoxidhalten, de ytterligare positiva effekterna av MgO marginella.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att .tillhandahålla ett ox- idbaserat material ägnat att sintras till ett kärnbränsleelement, vilket, genom ett i förväg fastställt innehåll av kromoxid och som ett resultat av sin sammansättning erhåller de fördelar i form av högre densitet, större kärnbränslekorn och bättre plasticitet som tillsatser av det inledningsvis nämnda ytterligare oxiderna ger upphov till, samtidigt som ett så lågt neutronabsorptionstvärsnitt som möjligt uppnås för kärnbränsleelementet.

Detta syfte uppnås medelst ett material av det inledningsvis defi- nierade slaget, vilket är kännetecknat av att mängden Cr är z 50 ppm och < 1000 ppm relativt mängden av det oxidbaserade kärn- bränslet.

Enligt ett föredraget utförande innefattar det oxidbaserade mate- rialet dessutom åtminstone en ytterligare metalloxid, vars metall har ett väsentligt mindre neutronabsorptionstvärsnitt än Cr och föreligger i en sådan mängd att den märkbart bidrar till den kornförstorande effekt som kromoxiden har på det oxidbaserade kärnbränslet vid en sintring av materialet. Den ytterligare metall- oxiden kan vara någon av de tidigare nämnda Nb2O5, Al2O3 och MgO. Samtidig förekomst av flera av dessa oxider är också möj- lig i materialet. Den ytterligare metalloxiden eller -oxiderna har en supplementär roll relativt kromoxiden, utan att öka det totala neutronabsorptionstvärsnittet hos kärnbränsleelementet nämn- värt.

.:U.: » . . . ..

. Enligt ett ytterligare föredraget utförande innefattar nämnda me- talloxid aluminiumoxid i form av AI2O3, varvid mängden 2 20, och företrädesvis s 300 ppm relativt mängden kärnbränsle. Under 20 g ppm sjunker effekterna av tillsatt Al2O3. Över 300 ppm Al blir, med den givna kromoxidhalten, de ytterligare positiva effekterna av AI2O3 marginella.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande innefattar metalloxiden magnesiumoxid i form av MgO varvid mängden Mg 2 20, och fö-i reträdesvis s 300 ppm relativt mängden kärnbränsle. Mängden MgO är begränsad av samma orsaker som för Al2O3.

Ytterligare fördelar med och särdrag hos förfarandet och materi- alet enligt uppfinningen kommer att framgå av den följande, de- taljerade beskrivningen samt de övriga osjälvständiga patentkra- ven. i DETALJERAD BESKRIVNING AV ETTUTFÖRANDE Enligt ett föredraget utförande av förfarandet enligt uppfinningen, tillsätts ett eller flera pulver som innefattar Cr2O3, Al2O3 och MgO till ett pulver som innefattar ett oxidbaserat kärnbränsle. i detta fall U02.

Den tillsatta mängden Cr2O3 där Cr ligger i intervallet 50-1000 ppm (viktsandelar med avseende på vikten av UOZ), mängden tillsatt Al i form av Al2O3 ligger i intervallet 20-300 ppm och mängden tillsatt Mg i form av MgO ligger i intervallet 20-300 ppm. Separat eller som en del av något av nämnda pulver till- sätts även ett bindemedel och Smörjmedel, såsom är i sig känt.

Därefter blandas pulvren på något i sig känt sätt så att en homo- gen blandning erhålls.

Den homogena pulverblandningen pressas därefter till en eller flera grönkroppar, med ett tryck av 200-700 MPa.

Grönkroppen eller -kropparna sintras därefter i en vätgasatmo- sfär med tillsats av 0,1-5,0 % av C02, alternativt enbart i fuktad I QIO! ha o 1ol I 0 u o I: non 6 vätgas utan COz-tillsats. Sintringen pågår i 1-6 timmar vid en temperatur av 1400-1800°C och under atmosfärstryck. En densi- tet mycket nära den teoretiska densiteten uppnås därigenom.

UOz-kornen, vilka inledningsvis hade en kornstorlek i storleks- ordningen 10 pm har under sintringen växt till 2 25 um, det vill säga blivit avsevärt större.

De tillsatta oxiderna Cr2O3, Al2O3 och MgO har under sintringen bildat en smältfas som hos det färdigsintrade och kylda materia- let, det vill säga det bildade bränsleelementet, bildar en matris kring de i den sintrade kroppen belägna UOg-partiklarna.

Naturligtvis kommer varianter av det beskrivna, föredragna utfö- randet att vara uppenbara för en fackman inom området, dock utan att denne därvid kringår det skyddsomfång som är definierat »genom de bifogade patentkraven med stöd av beskrivningen av uppfinningen.

Det uppfinningsenliga förfarandet och materialet är väl lämpade för framställning av kärnbränsleelement i form av bränslekutsar, vilka positioneras i kapslingsrör och används i tryckvattenreakto- rer och kokarvattenreaktorer för utvinning av kärnenergi genom kärnklyvning aktiverad genom neutronbestrålning.

Det skall understrykas att de angivna ppm-värdena avser vikt metall/vikt oxidbaserat kärnbränsle, t.ex. vikt Cr/vikt UOZ.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 non 0:0 I c o: n 1 5 1 5 9 Û 5 1- ~'.=:-f.=-. s :En :ï'!-"fÉ= ïïšzff? :'.'= k :to .o.a,ø. .n o. :nu än” |'u ¿¿ g. .q n o 0' I t I; nu u 0 ° o a n u '=.- q. o n o o' . I un! I " J I I O Cl GI .. 1. Patentkrav

1. Förfarande för framställning av ett oxidbaserat kärnbränsle- element, vid vilket det oxidbaserade kärnbränslet blanclas med kromoxid och sintras till en fast kropp, varvid Cr tillsätts det oxidbaserade kärnbränslet i en halt som är z 50 ppm och < 1000 ppm relativt mängden oxidbaserat kärnbränsle, kännetecknat därav, att åtminstone en ytterligare metalloxid, vars metall har ett väsentligt mindre neutronabsorptionstvärsnitt än Cr, tillsätts i en sådan mängd att den märkbart bidrar till en kornförstorande ef- fekt som kromoxid har på kärnbränslet vid sintringen.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat därav, att kromoxiden äf Cfgog.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat därav, att den ytterligare metalloxiden innefattar aluminiumoxid.

4. Förfarande enligt krav 3, kännetecknat därav, att aluminium- oxiden innefattar A|2O3 och att mängden tillsatt Al är z 20, och företrädesvis s 300 ppm.

5. Förfarande enligt något av kraven 1-4, kännetecknat därav, att den ytterligare metalloxiden innefattar magnesiumoxid. ö.

6. Förfarande enligt krav 5, kännetecknat därav, att magnesium- oxiden innefattar MgO och mängden tillsatt Mg är 2 20, och före- trädesvis s 300 ppm.

7. Förfarande enligt något av kraven 1-6, kännetecknat därav, att sintringen utförs vid en temperatur, vid vilken kromoxid och den eventuella ytterligare metalloxiden bildar en smältfas som efter sintringen bildar en matris mellan partiklar av det oxidbase- rade kärnbränslet. 10 15 20 25 30 35

8. Förfarande enligt något av kraven 1-7, kännetecknat därav, att det oxidbaserade kärnbränslet innefattar åtminstone en av oxiderna UOZ, Th02 och PuO2.

9. Oxidbaserat material ägnat att sintras till ett kärnbränsleele- ment, innefattande ett oxidbaserat kärnbränsle och kromoxid, varvid mängden Cr är z 50 ppm och < 1000 ppm relativt mäng- den av det oxidbaserade kärnbränslet, kännetecknat därav, att det innefattar åtminstone en ytterligare metalloxid, vars metall har ett väsentligt mindre neutronabsorptionstvärsnitt än Cr och föreligger i en sådan mängd att den märkbart bidrar till en korn- förstorande effekt som kromoxid har på det oxidbaserade kärn- bränslet vid en sintring av materialet.

10. Oxidbaserat material enligt krav 9,0 kännetecknat därav, att kromoxiden är Cr2O3.

11. Oxidbaserat material enligt krav 9 eller 10, kännetecknat därav, att den ytterligare metalloxiden innefattar aluminiumoxid.

12. Oxidbaserat material enligt krav 11, kännetecknat därav, att aluminiumoxiden är Al2O3 och att mängden Al är 2 20, och före- trädesvis s 300 ppm.

13. Oxidbaserat material enligt något av kraven 9-12, känne- tecknat därav, att den ytterligare metalloxiden innefattar mag- nesiumoxid.

14. Oxidbaserat material enligt krav 13, kännetecknat därav, att magnesiumoxiden är MgO och att mängden Mg är z 20, och fö- reträdesvis : 300 ppm.

15. Oxidbaserat material enligt något av kraven 9-14, lglfi; tecknat därav, att det oxidbaserade kärnbränslet innefattar åt- minstone något av UOZ, ThOz och PuOz.