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Verfahren zur Untersuchung bzw. Reinigung des Überzuges von
Materialteilchen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung bzw. Reinigung des Überzuges von Materialteilchen, vorzugsweise von Brennstoffteilchen für Kernreaktoren.
Bei der Herstellung von Brennstoffmaterial mit hoher Spaltprodukterückhaltefähigkeit werden kleine kugelförmige Materialteilchen mit einem Überzug aus Pyrokohlenstoff undjoderMetal1karbiden versehen.
Während der Aufbringung des Überzuges oder während der nachfolgenden Handhabung besteht die Gefahr, dass kleine Risse im Überzug entstehen. Da diese Defekte das Zurückhalten der Spaltprodukte und insbesondere der gasförmigen Spaltprodukte stark beeinträchtigen wurden, ist die Schaffung eines Verfahrens zur Bestimmung dieser Defekte und zur Eliminierung der Materialteilchen mit fehlerhaftem Überzug äusserst wünschenswert.
Im Gegensatz zu den Brennstoffelementen mit metallischer Umhüllung, bei denen durch eine Behandlung mit geeigneten Lösungsmitteln oder durch Sublimation im Vakuum die Hüllenwerkstoffe zuerst abgetrennt werden und dann das Kernmaterial einer weiteren Verarbeitung zugeführt wird, ist es bei Kernbrennstoffen auf der Basis kleiner Partikel mit Kohlenstoff-oder Karbidüberzügen wesentlich, das Hüllenmaterial überhaupt nicht in die Reaktion einzubeziehen, sondern für Untersuchungszwecke oder für die Rückgewinnung der spaltbaren Stoffe Reaktionen zwischen dem Kernmaterial allein und einem entsprechenden Reagens hervorzurufen.
Erfindungsgemäss wird nunmehr vorgeschlagen, dass die überzogenen Materialteilchen mit einem Medium in Kontakt gebracht werden, das an den fehlerhaften Stellen des Überzuges in diese eindringt und mit dem Teilchenmaterial flüchtige Verbindungen bildet, wobei im Inneren des Überzuges vorzugsweise ein Überdruck entsteht und der Überzug gegebenenfalls gesprengt wird, so dass zwischen den Materialteil- chen mit fehlerhaftem Überzug und solchen mit fehlerfreiem Überzug physikalisch erfassbare Unterschiede entstehen, die zur Bestimmung und Rückgewinnung des Anteiles fehlerhaft überzogener Materialteilchen Verwendung finden.
Vorteilhafterweise wird dabei ein derartiges Medium verwendet, das mit dem Kernmaterial der Teilchen flüchtige Verbindungen bildet. Es ist z. B. bekannt, dass Uran und Thorium wie auch einige andere Elemente, wie Zirkon, flüchtige Chloride bilden. Auch wenn die Karbide bzw. Oxyde dieser Elemente mit Chlorgas in Reaktion treten, entstehen flüchtige Chloride.
Das Chlorgas dringt durch die fehlerhaften Stellen des Überzuges in die Materialteilchen ein, wobei das Teilchenmaterial, also z. B. UC, mit dem Chlorgas reagiert und das flüchtige Chlorid, z. B. UC1. oder UCls bildet. Die Volumsausdehnung während dieser Reaktion bewirkt ein Zerreissen des Überzuges.
Die flüchtigen Chloride könnennun die Materialteilchen verlassen und abgeführt werden. Nur der Kohlenstoff des Überzuges und die Karbidreste sowie die Materialteilchen mit fehlerfreiem Überzug verbleiben.
Dieses Verfahren erlaubt auch die vollständige Entfernung und Wiedergewinnung des Urans, Thoriums
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bzw. Zirkoniums der Materialteilchen mit fehlerhaftem Überzug ; auch eine Verunreinigung der Überzugsoberfläche der Materialteilchen bei fehlerfreiem Überzug kann auf Grund dieses Verfahrens entfernt werden.
Im folgenden sei kurz ein Versuchsbeispiel angeführt :
Die Materialteilchen wurden in Quarz- oder Graphitboote eingebettet und in ein Quarzrohr mit ungefähr 25 mm innerem Durchmesser eingebracht. Dieses Rohr wurde in einem normalen Rohrofen auf eine Temperatur zwischen 750 und 8500C erwärmt. Bei dieser Temperatur ist der Partialdruck vom UCl. und ThC14 bereits gross genug, um den gewünschten Effekt zu geben. Als Reaktionsgas wurde Chlorgas aus einer Standardflasche verwendet, das mit konzentrierter H SO getrocknet wurde. Statt Chlorgas kann aber auch mit CCl4, gesättigtes Argon oder mit Cd. gesättigter Stickstoff mit ähnlichem Resultat verwendet werden.
Nach dem Durchgang durch die Reaktionszone wird das Gas in eine Reinigungsanlage geleitet, wo das Uranchlorid durch Hydrolyse oder Kondensation abgetrennt und dann das unveränderte Chlor in Na S 0. oder einer andern geeigneten chemischen Substanz absorbiert wird.
Bei jenen Teilchen (Materialteilchen und Überzug), deren Überzug Mikrorisse aufweist, wird dieser innerhalb der ersten 20 min der Behandlung aufgerissen. Eine darauffolgende optische Untersuchung lässt auf Grund der Unterschiede im Aussehen zwischen dem Materialteilchen mit fehlerhaftem Überzug und solchem mit fehlerfreiem Überzug eine klare Bestimmung zu, ob Materialteilchen mit fehlerhaftem Überzug vorhanden sind oder nicht. Auf Grund der Beständigkeit des Graphits und des Pyrokohlenstoffes gegen Cl 2 tritt bei den Teilchen mit fehlerfreiem Überzug keine Änderung auf. Zum besseren Verständnis ist das Versuchsergebnis durch zwei Figuren veranschaulicht. Fig. 1 zeigt die Teilchen vor der Behandlung, die Fig. 2 zeigt die gleichen Teilchen nach der Behandlung.
Man sieht deutlich, dass etliche der Teilchen Sprünge aufweisen oder aber auch vollständig zerstört worden sind. Das Teilchen 1 weist einen Riss 3 auf, wogegen das Teilchen 2 in zwei Teile 4,5 aufgespalten worden ist. Mit 6,7 und 8 sind Risse an andern Teilchen dargestellt.
Um das Uran aus einer Charge überzogener Teilchen vollständig zu entfernen, wurde eine Zeit von 5 bis 6 h benötigt. Der Anteil der Materialteilchen mit fehlerhaftem Überzug kann durch die Bestimmung des entfernten Urans, durch eine Mikrobestimmung des in der Probe verbleibenden Urans sowie durch Bestimmung der Radioaktivität der Probe vor und nach der Behandlung ermittelt werden.
Die Oberflächenverunreinigung der überzogenen Materialteilchen durch Uran konnte durch eine
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Behandlungmit Chlor bei 750 C von 7000 < x-Impulse/5 min auf weniger als 50 < x-Impulse/5verringert werden.
Wünscht man eine Trennung der Teilchen mit fehlerhaftem Überzug von denen mit fehlerfreiem Überzug, so müssen die Teilchen so lange behandelt werden, bis ein Dichteunterschied vorhanden ist, der genügt, um diese Teilchen auf Grund ihrer Dichte nach irgendeinem bekannten Verfahren zu trennen.
Im vorliegenden ist das erfindungsgemässe Verfahren für Materialteilchen aus Uran bzw. Thorium beschrieben worden, es ist jedoch selbstverständlich, dass das Verfahren auch für jegliche andere solche Teilchen Verwendung finden kann. So ist das Verfahren z. B. auch für Molybdänteilchen geeignet, die mitAI0 überzogen sind und einem Sauerstoffstrom ausgesetzt sind. Die Hauptbedingung des vorliegenden Verfahrens ist also, dass das Reaktionsmedium mit dem Teilchenmaterial anders reagiert, als mit dem Material des Überzuges.
Während die Reinigung der Überzüge auch durch andere Verfahren erreicht werden kann, so ist doch Defektoskopie in zuverlässiger, einfacher und schneller Weise nur durch das erfindungsgemässe Verfahren möglich.
PATENTANSPRÜCHE : l. Verfahren zur Untersuchung bzw. Reinigung des Überzuges von Materialteilchen, vorzugsweise von Brennstoffteilchen für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass die überzogenen Material- teilchen mit einem Medium in Kontakt gebracht werden, das an den fehlerhaften Stellen des Überzuges in diese eindringt und mit dem Te. ilchenmaterial flüchtige Verbindungen bildet, wobei im Inneren des Überzuges vorzugsweise ein Überdruck entsteht und der Überzug gegebenenfalls gesprengt wird, so dass zwischen den Materialteilchen mit fehlerhaftem Überzug und solchen mit fehlerfreiem Überzug physikalisch erfassbare Unterschiede entstehen, die zur Bestimmung und Rückgewinnung des Anteiles fehlerhaft überzogener Materialteilchen Verwendung finden.