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Verfahren zum Herstellen von Kohlenstoffkörpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallcarbide enthaltenden Kohlenstoffkörpern, insbesondere für Reaktorbrennstoffelemente.
Zur Herstellung von Carbiden ist es bereits bekannt, pulverförmige Metalle oder deren Oxyde mit festem Kohlenstoff, wie feingemahlene Zuckerkohle, Flammruss zu mischen und dann zu erhitzen, dabei ist es günstig, Presslinge aus den Ausgangsmaterialien zu bilden und die Erhitzung unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen. Dieses Herstellungsverfahren ist auch schon bei Uran angewendet worden.
Erfindungsgemäss wird nun vorgeschlagen, dass im wesentlichen sphärische Kohlenstoffteilchen mit einem Durchmesser von mindestens 100 li mit pulverförmigen, carbidbildenden Metallen und/oder deren Verbindungen umhüllt werden, dass gegebenenfalls diese neuen Teilchen dann mit einem feinen Kohlenstoffpulver, vorzugsweise mit Flammruss, überzogen werden, und dass die so erhaltenen Teilchen dann in einer inerten Schutzgasatmosphäre bis zum Schmelzen des oder der Metallcarbide erhitzt und
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Form beschichteter Teilchen als Brennstoffe oder Reaktorgifte verwendet werden. Das Kohlenstoffgerüst der Teilchen können sogenannte Fluid-Koks-Teilchen bilden. Diese Kohlenstoffteilchen fallen als Nebenprodukte beim Cracken von Erdöl an. Sie haben bei Korngrössen von einigen Mikron bis zu einigen Millimetern eine mehr oder weniger kugelförmige Gestalt.
Infolge ihrer guten mechanischen Stabilität und geeigneten Porosität sind sie für den oben genannten Zweck sehr vorteilhaft zu gebrauchen. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, auch andere Kohlenstoffteilchen zu verwenden, so z. B. Teilchen, die durch Verkoken von kugelförmigen Kunststoffteilchen hergestellt worden sind.
Die auf die Oberfläche des Gerüstes aufgebrachten Metalle oder zu Carbiden umsetzbaren Verbindungen können in einem Arbeitsgang carbidisiert und durch Erhitzen bis zum Schmelzen in den Kohlenstoffkern durch Diffusion eingebracht werden.
Die erfindungsgemässen kohlenstoffverdünnten Teilchen, d. s. Teilchen mit einem Nberstöchio- metrischen Gehalt an Kohlenstoff, haben gegenüber den bisher bekannten eine erhöhte mechanische Stabilität und Abriebfestigkeit. Dies ist für einen eventuell erforderlichen Beschichtungsvorgang im Fliessbett von grosser Bedeutung, weil ein Zermahlen bzw. Zerbrechen der Teilchen praktisch unmöglich wird. Die Herstellung von metallcarbidhaltigen Kohlenstoffteilchen wird durch die Erfindung wesentlich vereinfacht, wobei Verluste an wertvollen bzw. toxischen Ausgangsmaterialien (z. B. U 235, Pu) vermieden ist.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines Beispieles näher beschrieben.
Die Ausgangssubstanzen sind 100 g Fluid-Koks, 50 g Uran 235-Dioxyd, 10 g Stearinsäure und 10 g Flammruss. Der Fluid-Koks mit einer Korngrösse von 315 bis 400 p wird in ein dicht verschliessbares, zylindrisches, korrosionsbeständiges Mischgefäss von 500 ml Inhalt gefüllt, wozu dann noch das gut sinterfähige Urandioxyd-Pulver mit einer Korngrösse kleiner als 40 p mit der angegebenen Menge geraspelter Stearinsäure gegeben wird. Anschliessend wird das Gefäss dicht verschlossen und unter einem
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Neigungswinkel von 30 bis 60 um die Längsachse rotierend mit einem Wärmestrahler auf zirka 700 C erwärmt. Nach ungefähr 30 - 60 min ist das Oxydpulver auf der Oberfläche des harten Koksteilchens schneeballartig aufgebracht.
Nun wird das Mischgefäss geöffnet und der Flammruss zugesetzt. Durch fortgesetzte Mischung des Behälters werden die urandioxydbeschichteten Koksteilchen mit einer Russ- schicht umhüllt ; dies verhindert ein Zusammenbacken der Teilchen beim thermischen Umsetzen.
Die Teilchen werden nun dem Mischgefäss entnommen und fest in einen Graphittiegel gepackt, der dann in einem Hochtemperaturofen unter Schutzgas (Ar, He, H) oder Vakuum bis zum Schmelzen des betreffenden Metallcarbids, bei Urancarbid z. B. auf 25000 C, aufgeheizt wird. Es ist dabei zu beachten, dass der Umsatz zam Urancarbid bei zirka 1300 C einsetzt und mit dem Freiwerden von CO verbunden ist. Um die Koksteilchen gut mit Carbid zu durchsetzen, werden diese ungefähr 2 h lang auf der Schmelztemperatur des Carbids gehalten. Die so hergestellten Teilchen sind dann homogen mit Carbid durchsetzt und können nun in bekannter Weise mit Pyrokohlenstoff beschichtet werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich nicht nur für Kernbrennstoffelemente, sondern auch bei andern Stoffen, wie Bor, Gadolinium, Samarium od. ähnl. Elementen, die als Reaktorgifte verwendet werden. Auch können Mischungen von Metallpulvern bzw. Metallverbindungen auf das Kohlenstoffgerilst aufgebracht werden, z. B. eine Mischung aus Uran und Thorium. Auch die Carbide der Elemente der 4A-, 5A-und 6A-Gruppe des periodischen Systems der Elemente lassen sich gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren verwenden.
An Stelle von Stearinsäure können auch andere verdampfbare bzw. verkokbare Bindemittel, z. B.
Zn-Stearat, Hartparaffine, Furfurylalkohol usw. verwendet werden. An Stelle von Flammruss können auch andere kohlenstoffhaltige Substanzen, wie Graphit, organische Substanzen usw. zugesetzt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen von Metallcarbide enthaltenden Kohlenstoffkörpern, insbesondere für
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tallen und/oder deren Verbindungen umhüllt werden, dass gegebenenfalls diese Teilchen dann mit einem feinkörnigen Kohlenstoffpulver, vorzugsweise mit Flammruss, überzogen werden, dass die Teilchen hierauf in einer inerten Schutzgasatmosphäre bis zum Schmelzen des oder der Metallcarbide erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten werden, bis die Carbide in den Kohlenstoffkern diffundiert sind.