DE1285070B

DE1285070B - Verfahren zum Verdichten eines keramischen Pulvers aus gesintertem oder geschmolzenem Urandioxyd

Info

Publication number: DE1285070B
Application number: DEU7848A
Authority: DE
Inventors: Hauth Joseph James
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1960-03-07
Filing date: 1961-03-03
Publication date: 1968-12-12
Also published as: CH371982A; NL261178A; GB925186A; US3042594A; GB925156A; NL128420C; FR1280532A

Description

Keramische Spaltstoffe hoher Dichte sind norma- io verringert wird, so daß die Frequenz um die Resolerweise erwünscht wegen ihrer erhöhten Reaktivität, nanzfrequenz pendelt, und schließlich das Rütteln bei ihrer erhöhten Fähigkeit, Spaltprodukte zurückzuhalten, ihrer vergrößerten Wärmeleitfähigkeit und
ihrer besseren Stabilität in Hochtemperaturkühlmitteln.

Bei der Herstellung von Kernreaktorbrennelementen ist es bereits bekannt, ein keramisches Pulver aus Spaltstoff oder Brutstoff in einer Metallkapsel einzuschließen und anschließend durch Drehstauchung den Kapseldurchmesser zu reduzieren, (deutsche Auslegeschrift 1055 143).

Es ist ferner bekannt, das spezifische Gewicht eines aus Metallpulvern bestehenden Verbundkörpers durch Rütteln zu erhöhen (schweizerische Patentschrift 227 631 und deutsche Patentschrift 554217) oder aber durch die Einwirkung von Schallschwingungen (deutsche Patentschrift 749 800). Dabei kann eine Erhöhung der Dichte des Metallpulvers um etwa 30% erhalten werden. Diese bekannten Verfahren beschränken sich auf Rüttelverfahren bei bestimmten Frequenzen.

Es wurde auch bereits erkannt, daß eine höhere
Verdichtung mittels einer Vibrationsverdichtung mit
Mischungen von ganz bestimmten Teilchengrößen
erhalten werden kann als mit einem Pulver mit be- 35
liebig verteilter Teilchengröße. Eine Abhandlung
über Verdichtung mittels Schwingungen und die
besten Verfahren, die dafür schon bisher bekannt
waren, ist in dem Bericht NAA-SR-4155 vom 1. Oktober 1959 enthalten, der von dem Office of Techni- 40 einer hin- und herpendelnden Frequenz bessere Ercal Services, Department of Commerce, Washington gebnisse erzielt werden können als mit einer einzigen 25, D. C, zu erhalten ist. In diesem Bericht wird günstigen Frequenz. Mit dem Verfahren nach der festgestellt, daß die maximal erreichbare Dichte Erfindung können Dichten von bis zu 90 %> der theo-9,00 g pro Kubikzentimeter ist, die 82,2% der theo- retisch erreichbaren erhalten werden. Diese Dichten retischen Dichte entspricht. Da diese Dichte geringer 45 sind innerhalb von Schwankungen von 1 % reproduist als die Dichte, die für die Verwendung in einem zierbar.

Die Verdichtung geht zunächst während der ersten wenigen Sekunden der Vibration schnell und dann langsamer vonstatten. Die Dichte des Kerns wird mittels eines Meßgeräts, das die y-Absorption mißt, gemessen, und der Brennstoffstab wird dann auf die

einer Harmonischen der Resonanzfrequenz fortgesetzt wird.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dabei der Behälter mit in vertikaler Richtung gerichteter Schwingungsamplitude entsprechend nachfolgendem Zyklus gerüttelt.

a) Rütteln mit geringer Schwingungsamplitude bei einer Frequenz, die größer als die Resonanzfrequenz ist;

b) schnelles Verringern der Rüttelfrequenz bis die Resonanzfrequenz des Behälters erreicht ist;

c) Vergrößern der Schwingungsamplitude und mehrmaliges Pendeln der Rüttelfrequenz um den Wert der Resonanzfrequenz;

d) Verringern der Rüttelfrequenz auf eine Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Behälters;

e) Erhöhen der Rüttelfrequenz auf die Resonanzfrequenz und mehrmaliges Pendeln der Rüttelfrequenz um die Resonanzfrequenz;

f) Erhöhen der Rüttelfrequenz auf eine höhere Harmonische der Resonanzfrequenz und mehrmaliges Pendeln um diese Frequenz;

g) Erhöhen der Rüttelfrequenz auf eine Frequenz, die sehr viel größer als die Resonanzfrequenz ist.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß mit

Kernreaktor erwünscht ist, mußte die Packungsdichte des Materials auf den gewünschten Wert durch andere Maßnahmen, wie z. B. durch Stauchen, vergrößert werden.

Es wurde ferner bereits vorgeschlagen, für die Schwingungsverdichtung von keramischen Pulvern mit der Resonanzfrequenz zu arbeiten, (Ceramic Fabrication Processes von W. D. Kingery, 1958, S. 74 bis 78) oder aber mit einer Frequenz, die wesentlich kleiner oder größer als die Resonanzfrequenz und in einem Bereich zwischen 10 bis 15 000 Hz liegen kann. (Journal of the American Ceramic Society, Vol. 38, November 1955, S. 396 bis 404). Die Bestimmung der günstigsten Frequenz kann dabei zweckmäßig durch Ausprobieren verschiedener Frequenzen erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die begewünschte Länge abgeschnitten. Die zweite Endkappe wird aufgeschweißt, und der Stab ist damit zur Einbringung in ein Brennelement fertig.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, wobei für das hergestellte Kernreaktorbrennelement Urandioxyd in einer Dichte von 84,5% der theoretischen kristallographischen Dichte erforderlich ist.

Gesintertes oder geschmolzenes Urandioxyd wurde zerstoßen und in Fraktionen gewünschter Größe abgesiebt. Eine abgewogene Menge des Materials wurde in ein Rohr aus einer Zirkonium-Legierung, bestehend aus Zr, 1,5% Sn, 0,12% Fe, 0,10% Cr und

kannten Verfahren zur Verdichtung eines keramischen Pulvers weiterzuverbessern, so daß Preßlinge 65 0,05% Ni, gegossen, dessen untere Endkappe zuerst von hinreichender Dichte, die für den direkten Ge- aufgeschweißt wurde. Ein gewichtsbelasteter Stößel, brauch in einem Kernreaktor geeignet sind, herge- der aus einem Gewicht und einer länglichen, mit einer stellt werden können. Gegebenenfalls kann der Preß- Meßeinteilung versehenen Stange besteht, wurde in

das Rohr eingebracht. Dieses Rohr wurde mit einem 2-kW-Vibrator in Schwingungen versetzt, wobei der Erregergenerator des Vibrators eine Bandbreite von 5 bis 5000 Hz besitzt. Der luftgekühlte Vibrator schwingt bei einer Belastung von maximal ± 340 kg.

Bei diesem speziellen Herstellungsverfahren betrug die Anfangsfrequenz 1000 Hz bei niederer Leistung. Diese war gut oberhalb der Resonanzfrequenz des leeren Metallrohrs. Die Frequenz wurde dann schnell verringert, wodurch sich die Teilchen teilweise ausrichteten und verdichteten. Bei einer relativ niederen Frequenz — etwa bei 180 Hz — wurde eine sehr steile Zunahme der Amplitude festgestellt, wobei gleichzeitig eine schnelle Verdichtung stattfand. Dies konnte daraus ersehen werden, wie schnell der Stößel in das Rohr hinabfiel. Wenn die Resonanzfrequenz erreicht war, wurde die volle Leistung eingeschaltet. Die Frequenz wurde dann langsam zurück und einige Male über die Resonanzfrequenz hin und her verstellt (±100 Hz). Die Resonanzfrequenz stieg während der Verdichtung der Teilchen auf etwa 240 Hz.

Die Frequenz wurde dann auf etwa 100 Hz vermindert und wieder auf die Resonanzfrequenz erhöht und hierauf wiederum um die Resonanzfrequenz herum einige Male verändert. Die Frequenz wurde dann vergrößert, bis eine Harmonische der Grundresonanzfrequenz erreicht wurde, und dann vor und zurück gegenüber dieser Harmonischen verändert. Sie wurde darauf auf etwa 4000Hz erhöht. Dieses ganze Verfahren dauerte etwa 3 Minuten.

Die dadurch erhaltenen Spaltstoffstangen besaßen völlig zufriedenstellende Eigenschaften. Weder vor oder nach Bestrahlung konnten Veränderungen der Abmessungen oder Beschädigungen der Umhüllungsrohre festgestellt werden, die den Vibrationen zugeschrieben werden können.

Während der Verfahrensweise wurde der Vibrator von Hand abgestimmt, deshalb waren die Geschwindigkeiten der Frequenzänderungen nicht identisch. Versuche haben gezeigt, daß es nicht auf konstante Änderungsgeschwindigkeiten ankommt.

Die beschriebene Arbeitsweise wurde eingehalten, da festgestellt wurde, daß jeder Brennelemententyp und in einem geringen Ausmaß jedes Brennelement eines bestimmten Typs sich verschieden verhält in bezug auf eine optimale Anpassung der mechanischen Eigenschaften des Schwingungssystems, bedingt durch die jeweilige Teilchengröße oder die Größenverteilung des Spaltstoffmaterials und durch geringe Unterschiede in der Verfahrensweise. Zum Beispiel verändern Unterschiede in der Beschickung des Spaltstoffmaterials, in der Ankopplung des Brennstoffrohrs an den Vibrator u. dgl. in geringem Ausmaß die Frequenzen, die sich am meisten bei der Verdichtung des Spaltstoffmaterials auswirken. Die beschriebene Verfahrensweise gewährleistet eine maximale Verdichtung ohne Rücksicht auf diese kleinen Variationen.

Die Verwendung eines gewichtsbelasteten Stößels ist zwar wünschenswert, jedoch nicht wesentlich, um die Erfindung durchzuführen.

Die nachfolgende Tabelle I gibt die Ergebnisse von einigen Versuchen nach dem beschriebenen Verfahren wieder.

Tabelle I Dichte von verdichtetem UO₀

Herstellungsart

Korngrößenverteilung

Gewichtsprozent

Größe des Rohres aus der
Zirkonium-Legierung

Außen-

durch- Wandmesser stärke

Länge mm

mm

Dichte in %
der theoretischen Dichte

mit vibrator-

mit 2 kW

Vibrator·

erregung,

5 bis 5000 Hz

Gesintert und
gemahlen¹)

Gesintert und
gemahlen

Gesintert und J

gemahlen

Gesintert und
gemahlen

Geschmolzen und
gemahlen²) ....

Geschmolzen und
gemahlen

100

60
40

60
18

60
15
25

60
20
20

Elektrolytisch
hergestellt³)

< 0,83 > 0,15 i)

< 6,68 > 0,36

< 0,83 > 0,15 <0,07

< 6,68 > 2,36

< 0,83 > 0,15

< 3,33 > 1,65

< 0,42 > 0,21 <0,07

< 3,33 > 1,65

< 0,42 > 0,21

< 0,15 > 0,07

< 1,17 > 0,83

< 0,21 > 0,15

< 0,07 > 0,04

3,3 3,0

3,5 3,2

1,8 1,0

1,6 213,4
243,8

243,8
243,8

19,05
14,48

14,48
14,48

0,89
0,76

0,76
0,76

58 zu 62

243,8 < 14,48 0,76

91,4 19,05 0,89

82

53

69

85

84
87

90
83,1

65

*) Teilchendichte 95 % der theoretischen Dichte.

²) Teilchendichte 99 °/o der theoretischen Dichte.

³) Teilchendichte 93 <Vo der theoretischen Dichte.

⁴) Teilchengrößenbereich für gestauchte PRTR-Elemente (»Plutonium Recycle Test Reactor« [vgl. »Directory of Nuclear Reactor«, Bd. Ill, 1960, S. 295 bis 300]).

Tabelle II

Verfahren	UO₂-Dichte in°/o der theoretisch erreichbaren Dichte
1. Mit einem Vibrator üblicher Bau art (110 Volt) 60Hz, von oben und unten gestampft	73,6
2. Mit einem Vibrator (2 kW, + 340 kg Druck) mit Erregung, 5 bis 5000 Hz ■
a) bei 60 Hz	77,1
b) bei Anfangsresonanzfrequenz (365 Hz)	80,0
c) von Anfangs-bis Endresonanzfrequenz (von 365 bis 440 Hz)	82,6
d) mit Frequenzpendeln nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren, von 100 bis 5000 Hz	84,8

Die Tabelle I enthält vergleichsweise die Ergebnisse einiger Versuche mit einem Vibrator üblicher Bauart, mit dem diese neuartige besondere Arbeitsweise nicht durchgeführt werden konnte. Es wird festgestellt, daß bessere Ergebnisse erhalten werden, selbst wenn das Pulver so wie es gestoßen wurde verdichtet wurde.

Es ist klar, daß durch geeignete Wahl der Teilchengrößenfraktionen ein Preßling erhalten werden kann, dessen Dichte hinreicht, daß er in einem Kernreaktor verwendet werden kann. Die erreichte Maximaldichte bei geschmolzenem und gestoßenem Urandioxyd war 90% der theoretischen Dichte, während die maximale Dichte bei gesintertem und gestoßenem Urandioxyd 87% betrug.

Die Tabelle I zeigt die Bedeutung, welche die Verwendung von mehreren Fraktionen verschiedenen Größenbereichs für die Erzielung eines verdichteten Körpers von einer Dichte hat, die groß genug ist, um die direkte Verwendung des Körpers in einem Kernreaktor zu ermöglichen. Die Tabelle zeigt die Größen, die zur Erzielung der größten Verdichtung verwendet wurden, und ebenso die Resultate, wenn etwas von diesem Optimum abgewichen wurde. Die Kriterien für die Auswahl von Fraktionen optimaler Größenbereiche sind offensichtlich.

Eine weitere Zunahme der Dichte um etwa 2%

kann erhalten werden, wenn das durch Vibration ver- Die relativ geringen Dichten, die bei dieser Verdichtete Rohr gestaucht wird. Der sich ergebende 30 suchsreihe erhalten wurden, beruhen auf einer etwas Preßling weist eine Dichte auf, die höher ist als unter dem Optimum liegenden Teilchendichte und die, die durch eine Verdichtung mittels Stauchen in Rohren erhalten werden kann, deren Füllung gestampft wurde. Hingegen ist die Zunahme der Dichte im allgemeinen nicht hinreichend, um die zusätzlichen Kosten zu rechtfertigen, da der durch die Vibration verdichtete Stab ohne weiteren Aufwand zufriedenstellende Eigenschaften aufweist.

Beim Verfahren nach der Erfindung ist im Reso- 40 nanzfall die Vertikalamplitude der Schwingungen des oberen Rohrendes ein Vielfaches der Amplitude der dem Rohr durch den Vibrator erteilten Schwingungen. In dem Maße, wie die Schwingungen am Rohr nach oben wandern, findet eine 45 haft anwendbar, um Brennelemente von gleichförmig Stauchwirkung auf das zu verdichtende Material hoher Dichte in komplizierten geometrischen Formen statt. zu erhalten, die dem Stauchen nicht zugänglich sind.

Eine größere Verdichtung wird erreicht, wenn zu- Zum Beispiel können ineinander verschobene, rohrsätzlich bei einer höheren harmonischen Schwingung förmige und von innen gekühlte Brennelemente sehr der Grundresonanzfrequenz Vibriert wird. Die Vibra- 50 leicht mittels dieses Verfahrens hergestellt werden, tion bei Frequenzen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Resonanzfrequenz ist jedoch wirksam, unabhängig davon, ob eine höhere harmonische Schwingung eingestellt wurde, und verursacht eine Zunahme sowohl der Dichte als auch der Gleichförmigkeit 55 des Preßlings. Diese Verbesserung ist der bevor-

1. Verfahren zum Verdichten eines keramischen Pulvers aus gesintertem oder geschmolzenem Urandioxyd in einem Behälter zur Herstellung eines Kernreaktor-Brennelements, gemäß dem aus verschiedenen Fraktionen mit stark unterschiedlichen Korngrößen bestehende Pulver in den als Brennstoffhülle dienenden Behälter eingefüllt und dieser dann bei verschiedenen Frequenzen gerüttelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der gefüllte Behälter zunächst mit einer Frequenz größer als die Resonanzfre-

Teilchengrößeverteilung. Es kann hingegen beobachtet werden, daß der Brennstoffstab, der durch eine Frequenzpendelung hergestellt wurde, den Anforderangen des PRTR genügte. Dazu kommt, daß die kürzeren Stäbe keine so hohe Verdichtung erlangen, wie die Stäbe mit der vollen Länge von 2,4384 m infolge des stärkeren Selbstpreßeffekts der längeren Rohre.

Die Erfindung ist insbesondere verwendbar für die Herstellung von Brennelementen, die Plutonium enthalten, da sich die Verdichtung durch eine Rütteleinrichtung besonders gut für eine ferngesteuerte Betriebsweise eignet. Die Erfindung ist ebenfalls vorteil-

Claims

Patentansprüche:

60

zugten Orientierung der Partikeln verschiedener Größe in dem Gemenge, infolge der Vibration bei verschiedenen Amplituden und Frequenzen, zuzuschreiben.

Die nachfolgende Tabelle II gibt eine Übersicht über die durch das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber bekannten Verfahren erzielbare Verbesserung. Die verwendete Mischung war eine Mischung aus Urandioxydteilchen mit einer Packung, die 95% der theoretisch erreichbaren Dichte betrug, in einem 1,2192 m langen Rohr aus der obenerwähnten Zir- . konium-Legierung.

quenz des gefüllten Behälters gerüttelt wird, hier-

auf die Rüttelfrequenz mehrere Male kontinuierlich erhöht und verringert wird, so daß die Frequenz um die Resonanzfrequenz pendelt, und schließlich das Rütteln bei einer Harmonischen der Resonanzfrequenz fortgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mit in vertikaler Richtung gerichteter Schwingungsamplitude entsprechend nachfolgendem Zyklus gerüttelt wird:

IO

a) Rütteln mit geringer Schwingungsamplitude bei einer Frequenz, die größer als die Resonanzfrequenz ist;

b) schnelles Verringern der Rüttelfrequenz bis die Resonanzfrequenz des Behälters erreicht ist;

c) Vergrößern der Schwingungsamplitude und mehrmaliges Pendeln der Rüttelfrequenz um den Wert der Resonanzfrequenz;

d) Verringern der Rüttelfrequenz auf eine Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des Behälters;

e) Erhöhen der Rüttelfrequenz auf die Resonanzfrequenz und mehrmaliges Pendeln der Rüttelfrequenz um die Resonanzfrequenz;

f) Erhöhen der Rüttelfrequenz auf eine höhere Harmonische der Resonanzfrequenz und mehrmaliges Pendeln um diese Frequenz;

g) Erhöhen der Rüttelfrequenz auf eine Frequenz, die sehr viel größer als die Resonanzfrequenz ist.

809 647/1815