SE452153B - Sett att tillverka sintrade kernbrenslekroppar - Google Patents

Description

10 452 153 z materialet därefter, då det i stor utrsträckning förlorat sin förmåga att taga upp neutroner, har någon större negativ inverkan på reaktorns drift.

Viss restabsorption kvarstår dock.

Vid tillverkningen av de kända kutsarna innehållande absorbatormaterial an- vändes Gd203 med kubiskt kristallgitter, vilket är den kommersiellt förekom- mande mcdifikationen av Gd203. Vid sintringen av kutsarna går gadolinium- atomer in i U02-gittret och ersätter enstaka uranatomer i detta. Det bildas då en fast lösning.

Enligt den föreliggande uppfinningen har det.visat sig att användning av Gd203 med monoklin struktur ger en sintrat kuts med avsevärt ökad homo- genitet med avseende på fast lösning av gadolinium i U02-gittret, dvs en kuts i vilken en avsevärt större del av gadoliniumatomerna gått in och er- satt uranatomer i U02-gittret och därvid bildat en produkt, i'vilken an- delen gadolinium är jämnare fördelad 1 hela produkten, något som medför att de sintrade kutsarna får en jämnare kvalitet med säkrare förutbestäm- bara egenskaper, särskilt i vad avser absorption av neutroner och stabili- tet vid reaktorns driftbetingelser så att dimensionerna och därmed spalten mellan kuts och kapselrör kan bibehållas vid förutbestämda och optimala in värden.

En trolig förklaring till de enligt uppfinningen uppnådda gynnsamma resul- taten är följande. Kubisk Gd203 övergår vid de betingelser som användes vid sintringen från kubisk till monoklin fas. Eftersom monoklin Gd 0 har en ? 2 3 högre densitet än kubisk Gd203, dvs en mindre volym hos en viss kvantitet Gd203, medför fasomvandlingen en volymminskning hos Gd203-kristalliterna, så att spalter eller mellanrum och av den förorsakad försämrad kontakt kan uppstå mellan Gö2O3-kristalliter och UO2-kristalliter. Vid användning av monoklin Gd203 som utgångsmaterial i stället för kubisk Gd2O3 förekommer ingen fasomvandling av Gd2O3 vid sintringen och därmed ingen bildning av spalter eller mellanrum mellan Gd203-kristalliter och U02-kristalliter.

Därigenom skulle gadoliniumatomer pâ ett effektivare sätt gå in i uran- dioxidgittret och ersätta uranatomer i detta.

Vad som kännetecknar uppfinningen framgår av patentkraven.

Pulvret av urandioxid kan innehålla upp till 20 viktprocent U308 för att 3 452 155 åstadkomma en eftersträvad densitet hos den sintrade kroppen och en efter- strävad stabilitet hos denna, så att den inte successivt undergår krymp- ning eller svällning då den utsättes för påkänningar under drift i en reaktor. Mängden Gd2O3 i pulvret uppgår till 1-20 viktprooent. Med vikt- procent av ett ämne i urandioxid i denna ansökan avses vikten av ifråga- varande ämne i procent av sammanlagda viktenlv ämnet, urandioxiden och övriga eventuellt 1 pulvret ingående ämnen.

Monoklin Gd2O3 kan framställas genom värmebehandling av kommersiell kubisk cdzos 1 imft vid em temperatur av minst 1250 °c een företrädesvis högst 1400 Qc. sørerderiig behenalingetia vid 1350-°c är omkring u timmer.

Pulvret av 002 utgöres lämpligen av ett malt pulver med en medelpartikel- storlek av 0,2-15 Pm, företrädesvis 1-5 fm. Medelpartikelstorleken hos pulvret av monoklin Gd2O3 uppgår lämpligen till 0,2-10}wm och företrädes- vis till 1-5 Fm. Hedelpartikelstorleken hos pulvret av 0308 uppgår lämp- ligen till 0,2-10 Pm och företrädesvis till 1-5 lum.

Pressningen och sintringen av pulvret kan utföras på konventionellt sätt.

Pressningen kan lämpligen utföras vid ett tryck av 200-450 MPa och före- trädesvis vid ett tryck av 250-350 MPa. Sintringen kan bl a utföras 1 en atmosfär bestående av fuktad vätgas, vanligen innehållande 1-2 volymprocent H20 vid en temperatur av 1600-1800 °C eller i en atmosfär bestående av en blandning av vätgas och koldioxid, i vilken mängden koldioxid kan utgöra upp till 20 volymprocent av sammanlagda mängden vätgas och koldioxid, vid en temperatur av 1600-1800 °C. Även andra sintringsatmosfärer kan användas med vilka ett syrepartialtryck som vid 1750 OC uppgår till 10-10-10-6 atm kan åstadkommas. Särskilt gynnsamma resultat med monoklin Gd203 uppnås vid användning av ett syrepartialtryck som vid 1750 OC är högre än 10-7 atm, eftersom man då får en ökad diffusionshastighet hos materialet och där- igenom en effektivare homogenisering.

Urandioxiden i det pulver som skall sintras har lämpligen en sammansätt- ning av från U02_10 till U02_25 och företrädesvis från U02'12 till U02_18.

Det färdiga sintrade materialet har lämpligen en sammansättning av från (U,Gd)02_00 till (U,Gd)O2_01 och företrädesvis från (U,Gd)0 till 2.ooo (u,ca)o2_0O8¿ Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av utföringsexempel . ,...,.,. ! 452 153 *I -e under hänvisning till bifogade ritning, i vilken fig 1 sohematiskt visar en ugn för tillverkning av sintrade kärnbränslekroppar enligt den~före- liggande uppfinningen.

'Ugnen enligt figuren är en tunnelugn där själva ugnskanalen 10 är upp- byggd av sintrade stenar 11 av aluminiumoxid. I kanalens inre del är värmeelement 12 1 form av knippen av molybdentråd anordnade. värmeelemen- ten värms upp med elektrisk ström. Ugnen är försedd med termoelement för mätning av temperaturenä.ol1ka delar. Genomföringarna för termoelementen är betecknade 13. Ugnskanalen är utanför ugnen förlängd med delar 1Å och av rostfritt stål. Vid sintring av kärnbränslekroppar 1 ugnen placeras formpressade kroppar av ett pulver av urandioxid med sammansättningen UO2_15 innehållande 10 viktproeent Gd203 U3 av molybden som föras genom ugnen efter varandra från dess ena ände 16 och 10 viktprocent 08 i skepp till dess andra ände 17. Gd203 består av monoklin Gd203, som framställts genom värmebehandling av kommersiell kubisk Gd203 1 luft vid 1§50°C under H timmar. Det använda pulvret har framställts genom blandning av ett pul- ver av de angivna ingående oxiderna med en medelpartikelstorlek hos var och en av 2-3)mm samt förpressning av blandningen vid ett tryck av 100 MPa och rumstemperatur, följt av granulering av den förpressade produkten och fië av siktning av den granulerade produkten, så att storleken hos granulerna understiger 1.5 mm. Efter granuleringen inblandas 0.15 $ zinkstearat, som verkar som ett internt smörjmedel. Därefter sker pressning vid ett tryck av 300 Ma. De formpressade kropparna har då fått slutlig form för sint- ring. Förflyttningen av skeppen genom ugnen sker genom att de skjutes § fram efter hand_§om varje nytt föres in vid änden 16. I motströms mot skeppens förflyttning, dvs vid änden 17 av ugnen, tillföres den vid sint- ringen använda gasen, i detta utföringsexempel i form av vätgas innehåll- ande H20, motsvarande en relativ fuktighet av 80 % vid rumstemperatur.

Sintringsatmosfåren har därvid ett syrepartialtryck av omkring 10-9 atm vid 1750 °C. Eftersom ugnskanalen inte har nâgra skiljeväggar kan gasen strömma fritt genom hela kanalen. Temperaturen hos kärnbränslekropparna stiger från rumstemperaturen till 1750 OC vid förflyttningen från ugnens ände 16 till ett stycke in i den med värmeelement 12 försedda zonen. Den bibehåller denna temperatur under åtminstone huvuddelen av den återstående förflyttningen genom den nämnda zonen. I samband med uppvärmning från rums- temperatur under användning av den vid änden 17 tillförda ovan angivna

Claims (5)

10 5 452 153 sintringsgasen inträffar en reduktion av kärnbränslematerialet så att de sintrade kropparna får sammansättningen (U,Gd)0 . Tiden för passage 2.002 i av ett skepp genom hela ugnen uppgår till 10 timmar och uppehållstiden ' i den med värmeelement 12 försedda zonen till 2.5 timmar. De pressade kutsarna har en täthet av 5.50 g/cm3. Efter sintringen har de en täthet av 10.01 g/cm3. Kutsarna uppvisar god stabilitet. .......-....-_- I ett alternativt utförande användes en sintringsatmosfär bestående av en blandning av 60 volymsprocent vätgas och H0 volymsprocent koldioxid med ett syrepartialtryck av omkring 10-6 atm vid 1750 °C, medan övriga betingelser är oförändrade. PATENTKRAV

1. Sätt att tillverka sintrade kärnbränslekroppar genom pressning av ett pulver av 002 innehållande 1-20 viktprocent Gd203 och eventuellt innehåll- ande upp till 20 viktprocent 0308 till en pressad kropp och sintring av den pressade kroppen, k ä n n e t e c k n a t därav, att kärnbränsle- kropparna tillverkas av ett pulver, i vilket Gd2O3 åtminstone delvis ut- W göres av monoklin Gd203 och att den monoklina Gd203 inblandas i pulvret före pressningen.

2. Sätt enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att vid tillverkningen använd Gd203 framställes genom värmebehandling av kubisk odzo3 vid miner. 1250 °c 1 luft.

3. Sätt enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att sintringen av den pressade kroppen utföres i en atmosfär som vid -1o_,0-6 1750 OC har ett syrepartialtryck av 10 atm.

H. Sätt enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t därav, att sintringen av den pressade kroppen utföres i en atmosfär som vid 1750 OC har ett syrepartialtryck av över 10-7 atm.

5. Sätt enligt något av patentkraven 1-H, k ä n n e t e c k n a t därav, att sintringen utföres vid en temperatur av 1600-1800 °C.