DE3327921A1

DE3327921A1 - Verfahren zur herstellung von kernreaktorbrennstoffen

Info

Publication number: DE3327921A1
Application number: DE19833327921
Authority: DE
Inventors: Gerard N. 7513 Stutensee-Fr. Kramer; Karl Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Richter
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1982-09-06
Filing date: 1983-07-29
Publication date: 1984-03-08
Also published as: GB2126773B; LU84367A1; IT8348879A0; IT1167643B; GB8323643D0; FR2532778B1; FR2532778A1; GB2126773A

Description

PATENTANWÄLTE

1OOO BERLIN-DAHLEM 33 ■ PODBIELSKIALLEE 68 8OOO MÜNCHEN 22 . Wl D EN M AYER STRASS E 4g

BERLIN: DIPL.-INS. R. MÜLLER-BORN ER

MÜNCHEN: D1PL.-ING. HANS-HEINRICH WEY

DIPL.-INS. EKKEHARD KÖRNER

EUROPAISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)

Berlin, den 29. Juli 1983

Verfahren zur Herstellung von Kernreaktorbrennstoffen

(Priorität: Luxemburg, Nr. 84 367 v. 6.9.82)

6 Seiten Beschreibung mit 2 Patentansprüchen 1 Verfahrensschema Zusammenfassung

MB/Ma - 27 933

BERLIN: TELEFON (O3O) 8312O88 MÜNCHEN: TELEFON (08S) 225585

KABELrPROPINDUS-TELEX: 184057 KA B EL: P ROPI N DU S · TELEX: 524244

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernreaktorbrennstoffen vom Typ MX, wobei M ein Actinidemetall und X Stickstoff und/oder Kohlenstoff darstellt, wobei das Äctinideoxid oder die Actinideoxide mit Kohlenstoff vermischt, verpreßt und !carbothermisch reduziert werden.

Für schnelle Brutreaktoren wird allgemein Brennstoff vom Typ MX (z. B. Uran-Plutoniumkarbide) wegen einer höheren Brutrate und kürzerer Verdoppelungszeit im Vergleich mit Oxidbrennstoff eine große Bedeutung beigemessen. Gemischte Carbonitride kommen ebenfalls in Frage.

Die technologische Herstellung geschieht hauptsächlich durch karbothermische Reduktion von Uranoxid-Plutoniurnoxid-Kohlenstoffgemischen. Diese Oxid-Kohlenstoffpulvergemisch^ werden zu Tabletten, Scheiben etc. verpreßt und unter Vakuum, Inertgas oder Stickstoff b ii Temperaturen von ca. 1400⁰C bis 1800⁰C mehrere Stunden erhitzt. Dabei entstehen Sinterkörper der gewünschten chemischen Zusammensetzung mit einer Dichte von 40 bis 60 % theoretischer Dichte (TD).

Für den Einsatz im Reaktor werden jedoch Tablettendichten > 80 % TD verlangt. Deshalb werden die Sinterkörper mit 40 bis 60 % TD zerkleinert und gemahlen (Hammermühlen, Kugelmühlen, Vibrationsmühlen etc.}. Durch das Mahlen wird die Oberfläche der Pulver vergrößert und die Reaktivität der Pulver erhöht. Diese Pulver werden anschließend in die gewünschte Form verpreßt und gesintert. Die Tablettendichten liegen zwischen 80 und 97 % TD.

Der Verfahrensschritt des Zerkleinerns und Mahlens führt neben einem gewissen Geräte- und Zeitaufwand zu einer starken

Staubbildung innerhalb de^ produktberührten Arbeitsvolumens (Handschuhkasten-Geräte). Der hohe Staubanteil innerhalb de; Arbeitsvolumens führt einmal zu einer beachtlichen Strahlen· .belastung des Personals und beinhaltet zum anderen ein Sich« heitsrisiko, da feine Pulver von MX-Brennstoffen pyrophor
sind.

Außerdem muß dieser Verfahrensschritt wegen der hohen Affinität der erzeugten Pulver gegenüber Sauerstoff unter Inertgasatmosphäre mit sehr geringen 0„- und H„O-Restgehalten
(im allgemeinen C50 ppm) ausgeführt werden.

Die meisten technologisch relevanten Verfahren beruhen auf dem Prinzip der karbothermischen Reduktion von Oxiden und
basieren auf Preß-Sinterteehnik (mischen von M0„ + C, presse karbothermische Reduktion; brechen-mahlen des Reaktionsproduktes MX; pressen; sintern).

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß das Reaktionsprodukt direkt, also ohne vorhergehendes Zerkleinern und Mahlen,
nachverdichtet und dann bei hoher Temperatur, z. B. 1400 bis 1800°C,thermisch behandelt wird.

Das "Direkt-Preßverfahren" beruht, wie die meisten MX-Kern-' brennstoff-Herstellungsverfahren, auf der karbothermisehen Reduktion der Oxide bzw. deren Gemische. Die Oxid-Kohlenstoi gemische werden in einer bestimmten, der Geometrie des Endproduktes angepaßten Form verpreßt und thermisch behandelt (bei 1300 bis 1800⁰C unter Vakuum oder Inertgas oder Stickstoff bzw. Stickstoff—Inertgasgemischen). Nach der thermiscl· Behandlung liegt das Reaktionsprodukt in der gewünschten
chemischen Zusammensetzung in Form von Tabletten mit vorge-

gebenen Dimensionen und einer Materialdichte von 40 bis 60 % vor. Die einzelnen Tabletten werden in einer normalen Kaltpresse direkt, α. h. im Gegensatz zu üblichen Verfahren ohne vorhergehendes Zerkleinern und Mahlen, chargiert und nachverdichtet. Anschließend werden die Preßlinge durch Nachsintern bei 1400 bis 1800°C unter Vakuum oder Inertgas oder Stickstoff bzw. Inertgas-Stickstoffgemisch auf die gewünschte Dichte und Dimension gebracht.

Durch dieses neue Verfahren entfällt der Verfahrensschritt "Zerkleinern-Mahlen", der in den bisherigen Verfahren verwendet wird. Näheres ist aus dem beigefügten Verfahrensschema ersichtlich.

Dadurch ergeben sich gegenüber den bisherigen Herstellungsverfahren folgende Vorteile:

- geringerer Aufwand an Geräten und Zeit,

- die Handhabung von MX-Typ-Pulver mit ihrer großen Affinität gegenüber Sauerstoff entfällt,

- ein auf praktisch Null reduzierter Staubanteil.

Die beiden vorhergehenden Punkte ergeben einen geringeren Aufwand für die zur Handhabung notwendige Schutzgasatmosphäre (die Affinität gegenüber Sauerstoff der MX-Brennstoffe ist abhängig von ihrer spezifischen Oberfläche). Das Risiko der Selbstentzündung durch Pulver bzw. Staub wird vermieden. Die Strahlenbelastung des Personals wird wesentlich reduziert. Die Spaltstoff-Flußkontrolle wird erleichtert.

Weiter kann man die Matrizen der Pressen durch Preßlinge anstelle von Pulvern chargieren, d. h.

- einfaches und schnelles Chargieren der Matrizen,

- einfacher und gut kontrollierbarer Materialfluß,

- kurze und billigere Matrizen aufgrund des geringen Verdichtungsverhältnisses,

- keine metallischen Verunreinigungen, die bei dem bisher üblichen Zerkleinern und Mahlen entstehen,

- große Variationsmöglichkeiten in bezug auf Brennstoffstruktur (z. B. Porengroße, Nachsinterverhalten) durch Wahl der entsprechenden Parameter der Ausgangsmaterialien.

Das neue Verfahren wurde bereits praktisch erprobt. Es wurd z. B. Uran-Plutoniumkarbidbrennstoffe mit verschiedenen Brennstoffdichten und Sau^rstoffrestgehalten hergestellt und charakterisiert.

Pelletdichte: 78 % bis 86 % TD. Es liegen sogar Proben vor mit 90 % TD,

Sauerstoffgehalt:<100 ppm und ca. 2000 ppm.

Keramograühische Schliffe der Brennstoffe liegen ebenfalls vor.

MB/Ma - 27 933

933

Int. Cl.³: G 21 C 3/58

Anmeldetag: 29. Juli 1983

Offenlegungstag: 8. März 1984

Verfahrensschema "Herstellung von MX-Brennstoffen durch ltarbothermische Reduktion der Oxide"

PRESSEN

Uranoxyd _Roh1en

MISCHEN Plutonium- _stüff oxyd

Kaltpresse Tabletten, Scheiben

^VakuU!n> Inertgas I. μ bzw. Inertgas/N₂

REDUKTION ₁₃₀₀ . ₁₈oo »c

-7rni/i γτμγπμ Hammermühle ZERKLEINERN Kugelmühle

VibrationsniUhle

PRESSEN

Kaltpresse Tabletten

Vakuum, Inertgas SMERN N₂ bzw. Inertgas/N

HOO - 1800 "C MISCHEN

Uranoxyd _Kohlen. Plutoniumoxyd

Stoff

PRESSEN

Kaltpresse Tabletten

i/ADDHTurDM Vakuum, Inertgas KARBOIHERM, _{n bzw}. inertgas/N₂

REDUKTION ₁₃₀₀ . ₁₈₀₀ o_C

NACHVERDICHTEN

Kaltpresse Tabletten

MACH-SINTERN

Vakuum, Inertgas N₂ bzw. Inertgas/N₂

- 1800 ⁰C

bisher übliches Verfahren neues Verfahren

EUROPÄISCH!·: ATOMGKMKINSClIAFT (EURATOM)

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Kernreaktorbrennstoffen "- vom Typ MX, wobei M ein Actinidenmetall und X Kohlenstoff und/oder Stickstoff darstellt, wobei das Actinideoxid oder die Actinideoxide mit Kohlenstoff vermischt, verpreßt und !carbothermisch reduziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsprodukt direkt nachverdichtet und dann bei hoher Temperatur thermisch behandelt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die thermische Behandlung bei einer Temperatur von 1400 - 1800⁰C stattfindet.

MB/Ma

27 9 33

BERLIN: TELEFON (O3O) 8312Ο88
KABEL: PROPINDUS · TELEX: 1Θ4Ο57

MÜNCHEN: TELEFON IQ89) 235585 KABEL: PROPINDUS · TELEX: 524244