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Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus
Siliziumverbindungen des Urans
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus Siliziumverbindungen des Urans, die eine bestimmte Form aufweisen sollen.
Unter den Siliziumverbindungen des Urans sind bisher mit Sicherheit lediglich folgende Verbindun-
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Derartige Verbindungen sind in der USA-Patentschrift Nr. 2, 731, 341 beschrieben. In dieser Patentschrift ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus diesen Verbindungen beschrieben, wobei deren Herstellung durch Vergiessen der Uran-Siliziumverbindung erfolgt.
Es ist offensichtlich, dass ein Interesse an Gegenständen aus Siliziumverbindungen des Urans, die in Gestalt von Stangen, Kugeln, Hohlzylindern usw. hergestellt sind, für Untersuchungen und Anwendungen auf kernphysikalischem Gebiete vorliegt.
Unglücklicherweise weisen mit Ausnahme des UsSi alleSiliziumyerbindungen des Urans nur in gerin- gemMasseMetalleigenschaften auf : Sie sind praktisch nicht duktil, nicht schmiedbar und sind hart, äusserst zerbrechlich und spröde.
Die Herstellung von Gegenständen in bestimmter Form ist daher sehr schwierig und mit den klassischen Methoden der Metallurgie sogar unmöglich, besonders bei einer industriellen Produktion.
Ziel der Erfindung ist es, die Schwierigkeiten mittels eines Verfahrens zu beheben, das auf einfache Weise das Formen von Gegenständen aus Siliziumverbindungen des Urans und insbesondere aus USi, USi, Usai, oder Using ermöglicht.
Dieses Verfahren besteht im wesentlichen darin, in einen Tiegel, der zugleich als Form für den herzustellenden Körper dient, eine innige Mischung von Uran - und Siliziumteilchen in dem der gewünschten Siliziumverbindung des Urans entsprechenden Verhältnis zu bringen und zu verdichten, diese Mischung im Vakuum auf wenigstens 4500C zu erhitzen, wobei die Mischung noch fest bleiben soll, und dann das erhaltene Produkt durch Erhitzen innerhalb oder ausserhalb des Tiegels im Vakuum auf eine Temperatur, die oberhalb der ersten Erhitzungstemperatur liegt, zu sintern.
Dieses Verfahren macht von dem Umstand Gebrauch, dass Uran und Silizium im festen Zustand bei Temperaturen ab 4500C chemisch miteinander reagieren können. Die Reaktionen zwischen Uran und Silizium verlaufen exotherm und die Reaktionsgeschwindigkeiten hängen von der Temperatur ab.
Die freigesetzten Wärmemengen für 1 g der Reaktionsmischung betragen bei 550 C :
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<tb> Us <SEP> - <SEP> Si2 <SEP> : <SEP> 5,4 <SEP> cal <SEP>
<tb> U-Si <SEP> : <SEP> 16, <SEP> 7 <SEP> cal <SEP>
<tb> U-Si <SEP> : <SEP> 37 <SEP> cal
<tb> U-Si. <SEP> : <SEP> 42, <SEP> 8 <SEP> cal
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Der erste Erhitzungsabschnitt bei dem Verfahren ist also durch die folgenden Überlegungen festgelegt : Es ist ratsam, bei Temperaturen oberhalb 450 C zu arbeiten, bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit genügend gross, jedoch noch kontrollierbar ist. Temperaturen zwischen 625 und 6750C genügen vollkommen für Reaktionszeiten von wenigstens etwa 1 h.
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. Am Ende dieses ersten Erhitzungsabschnittes hat man einen zusammenhängenden Gegenstand, der sich aus der Form nehmen lässt und der aus Siliziumverbindungen des Urans sowie aus Uran bzw. Silizium, das keine Verbindung eingegangen ist, besteht. Dieser Stoff leitet die Elektrizität.
Um die Reaktion zu vollenden und einen nicht porösen Gegenstand einer Siliziumverbindung des
Urans mit gewünschter Formel zu bekommen, ist es nötig, eine zweite Erhitzung zum Sintern bei sehr hoher Temperatur vorzugsweise zwischen etwa 1400 und 15000C auszuführen. Diese Erhitzung kann in einem Schmelzofen ausgeführt werden, wobei sich der Gegenstand in seiner ursprünglichen Form befindet oder nicht. Es ist jedoch viel günstiger, den Gegenstand aus seiner Form herauszunehmen und bei der zweiten Erhitzung die elektrische Leitfähigkeit desselben auszunutzen, indem man ihn entweder durch Joule'sche Wärme oder noch besser durch Induktion erwärmt.
Um die Induktionserhitzung in bequemer Weise auszuführen, hat es sich als besonders nützlich erwiesen, den Gegenstand in aufeinanderfolgenden Zonen zu erhitzen.
Die Erfindung und weitere Eigenschaften und Vorteile des Verfahrens gemäss der Erfindung werden an Hand der folgenden Beispielsbeschreibung und der dazugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Fig. l ist eine perspektivische Ansicht eines Gerätes zur Ausführung der ersten Verfahrensstufe in teilweise aufgeschnittenem Zustand ;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Gerätes zur Ausführung des zweiten Verfahrensschrittes.
Die im folgenden beschriebenen Geräte dienen zurHerstellung von zylindrischen Stangen B mit einer Länge von etwa 40 cm und 3, 5 cm Durchmesser aus Siliziumverbindungen des Urans.
Das in Fig. 1 dargestellte Gerät umfasst einen Tiegel 1 aus Graphit, in den eine innige Mischung von Silizium- und Uranteilchen eingebracht wird. Dieser Tiegel ist an seinem oberen Ende offen und weist eine innere zylindrische und eine äussere doppelkegelstumpfförmige Fläche auf, wobei der Querschnitt der äusseren Fläche von dem mittleren Abschnitt des Tiegels nach den Enden hin abnimmt. Der Tiegel ist aus mehreren Abschnitten 2 gebildet, die entlang ihrer Rotationsachsen aneinandergereiht sind. Der Aufbau des Tiegels 1 aus länglichen Stücken erleichtert das Herausnehmen der Stange. Die Teile 2 des Tiegels sind miteinander durch Ringe 3 in Berührung gehalten, welche selbst aus Graphit bestehen, die unter Druck auf die äussere Oberfläche des Tiegels aufgedrückt sind und sich wegen des konischen Verlaufs der Oberfläche halten.
Der Tiegel 1 kann in eine zylindrische Retorte 4 aus nichtrostendem Stahl eingesetzt sein, an die ein Rohr 5 mit zugehörigen Einrichtungen angesetzt ist, um in der zylindrischen Retorte 4 ein erstes Vakuum herzustellen und dann eine Entgasung unter einem zweiten Vakuum auszuführen. Das Rohr 5 lässt sich durch den Hahn 6, der daran befestigt ist, von der zylindrischen Retorte 4 abtrennen. Diese. Retorte,
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ist hohl und wird durch ein im Inneren strömendes Strömungsmittel gekühlt. Sie ist in einen Wechselstromkreis mit niedriger Impedanz eingeschaltet und wird von einem Wechselstrom hoher Frequenz, z. B. von 500 kHz, durchflossen, der von einer nicht dargestellten Spannungsquelle herrührt.
Die Windung 27 gewährleistet eine stark konzentrierte und auf einen Bereich der Stange begrenzte, starke Induktionserhitzung, während die rohrförmigen Öfen 26 die Aufgabe haben, einen zu grossen Temperaturgradienten zu beiden Seiten des Bereiches zu vermeiden.
Es ist offensichtlich, dass sich beim Verschieben des Laufwagens 13 auch das Rohr 10 und die Erhitzungszone zugleich derart verschieben, dass man die ganze Stange B nach und nach erhitzen kann.
An Hand des folgenden Beispiels wird die Herstellung einer Stange aus U g8iz beschrieben.
Als Ausgangsstoffe werden Uran und Silizium verwender.Das Uran ist in einem Brennprozess aus Urandioxyd hergestellt und hat die folgenden Eigenschaften :
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<tb>
<tb> Art <SEP> der <SEP> Ver- <SEP> b <SEP> Cr <SEP> Cu <SEP> Fe <SEP> Mn <SEP> Ni <SEP> Si <SEP> Al
<tb> unreinigung
<tb> Anteil <SEP> in <SEP> 10-6 <SEP> 0,1 <SEP> 18 <SEP> < 20 <SEP> 60 <SEP> 8 <SEP> 15 <SEP> 100 <SEP> 100
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Der mittlere Durchmesser der Urankömer beträgt 25,.
Das Silizium hat einen Reinheitsgrad von 99,9% und ist durch Reduktion von Quarz im Lichtbogen hergestellt und danach gereinigt. Die Verunreinigung besteht im wesentlichen aus Kohlenstoff (0, 06go).
Die mittlere Grösse der Siliziumkörner beträgt 50 ze
Uranpulver und Siliziumpulver werden in einer Mischmaschine gemischt, wobei die Mischungsanteile der Zusammensetzung des Usai2 entsprechen. Die Mischung wird dann in den Tiegel 1 geschüttet und durch Schütteln in dem Tiegel verfestigt.
Dieses Verfestigen der Mischung stellt einen wesentlichen Verfahrensschritt dar, da es sich herausgestellt hat, dass man für dieHerstellung einer fertigen Stange, die weder irgendwelche Deformationen noch Sprünge aufweist, eine Mischung aus Uran und Silizium nehmen muss, deren Dichte abhängig von der Natur der gewünschten Siliziumverbindung des Urans bestimmt ist. Für die Verbindung U8S muss die Dichte der Mischung nach dem Schüttelvorgang in der Nähe von 5, 8 liegen. Ebenso müssen die Dichten für USi, usi, und USi. in der Nähe von 5, 6, 4, 4 bzw. 3, 7 liegen. Diese Werte gelten natürlich nur für Mischungen mit Bestandteilen, die die oben angegebenen Eigenschaften aufweisen.
Man kann jedoch in jedem Falle, d. h. gemäss der Körnung und der Herstellungsart des Siliziums und des Urans, durch eine Reihe von Versuchen leicht bestimmen, wie gross die Dichte sein muss, bei der sich die besten Resultate ergeben (so dass das Endprodukt zusammenhängend, nicht deformiert und nicht gesprungen ist).
Der Tiegel 1 wird dann in die zylindrische Retorte 4 eingesetzt, in dem man ein erstes Vakuum herstellt und dann eine Entgasung unter einem zweiten Vakuum ausführt.Wenn der Enddruck 10-5 mm Queck- silbersäule erreicht hat, wird die zylindrische Retorte 4 in den rohrförmigen Ofen 8 eingeführt. Die Regelung desAufheizens durch den Ofen ist wichtig. Bei einer Temperatur von etwa 450 C, bei der die Reaktion von Uran und Silizium im festen Zustand beginnt, kann die Wärmefreisetzung bei der Reaktion so gross werden, wenn man den Aufheizvorgang nicht genau steuert, dass eine plötzliche Verbrennung einsetzt, die die Uran- und Siliziummischung aus dem Tiegel herausschleudert, der selbst zerstört werden kann.
Für den Temperaturbereich von 400 bis 6500C hat sich eine Aufheizgeschwindigkeit von 500C pro h ils genügend erwiesen. Nach einer Verweilzeit von 1 h bei 6500C wird das Ganze langsam abgekühlt. Die Stange B stellt dann eine genügend zusammenhängende Masse dar, die herausgenommen werden kan.
Die Dichte der Stange ist etwa 7, 5, entsprechend 60% der theoretischen Dichte.
Die Reaktion der Umwandlung zu U3Si unter Beseitigung der Poren in der Stange kann nach Einbringen der Stange in einen Raum unter Vakuum und unter genügend hoher Temperatur erfolgen. Beim Glühen während 2 h bei 15000C lassen sich 90% der theoretischen Dichte erreichen.
Das Aufheizen geschieht am besten mittels des in Fig. 2 dargestellten Gerätes, das die elektrische Leitfähigkeit der Stange B ausnutzt. Es ist so möglich, mit einem Hochfrequenzgenerator mit einer Lei-
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stung von 10 Kilowatt und bei einer Vorschubgeschwindigkeit des Laufwagens 13 von etwa 4 cm pro h Stangen zu erhalten, deren Dichte ganz in der Nähe der theoretischen Dichte liegt.
Mit dem in Fig. 2 dargestellten Gerät lassen sich auch leicht Stangen grosser Länge herstellen.
Ausserdem ist die Unterstützung der Stange bei Vermeidung von Ausscheidungen. bei hoher Temperatur dadurch beträchtlich erleichtert, dass die erhitzte Zone sehr begrenzt ist und sich langsam verschiebt.
Die Stange macht während des Sinterns auch wenig Umwandlungen durch und nimmt insbesondere keine eingeschnürte Gestalt an, wie bei der Anwendung üblicher Sintermethoden.
Mit dem beschriebenen Verfahren können auch Formteile aus andern Siliziumverbindungen des Urans hergestellt werden'.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen von Gegenständen von bestimmter Form aus Siliziumverbindungen des Urans, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Tiegel, der zugleich als Form für den herzustellenden Körper dient, eine innige Mischung von Uran- und Siliziumteilchen in dem der gewünschten Siliziumverbindung des Urans entsprechenden Verhältnis gebracht und verdichtet wird, worauf diese Mischung in einem ersten Verfahrensschritt im Vakuum auf eine Temperatur von wenigstens 4500C erhitzt wird, um die Uranund Siliziumteilchen miteinander reagieren zu lassen, wobei die Mischung jedoch noch fest bleiben soll, und dass der so erhaltene zusammenhängende und poröse Körper in einem zweiten Verfahrensschritt im Vakuum auf eine Temperatur, die oberhalb der ersten Erhitzungstemperatur liegt, innerhalb oder ausserhalb des Tiegels erhitzt wird,
um die Reaktion zwischen den Silizium- und Uranteilchen zu vollenden und um ein zusammenhängendes, nicht poröses Produkt zu erhalten.