DD207862A1 - PROCESS FOR PRODUCING NUCLEAR MICROBALLS - Google Patents

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DD207862A1 DD82241533A DD24153382A DD207862A1 DD 207862 A1 DD207862 A1 DD 207862A1 DD 82241533 A DD82241533 A DD 82241533A DD 24153382 A DD24153382 A DD 24153382A DD 207862 A1 DD207862 A1 DD 207862A1
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Heinz-Juergen Engelmann
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Adw Ddr
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoff-Mikrokugeln aus waessrigen Loesungen der Nitrate der Kernbrennstoffe fuer die Erzeugung vibrationsverdichteter Brennelemente thermischer und schneller Reaktoren sowie fuer die Herstellung von Pellets. Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung eines in einfacher Weise durchfuehrbaren Verfahrens geringer Prozessstufenzahl zur Herstellung qualitativ hochwertiger Kernbrennstoff-Mikrokugeln. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von kugelfoermigen Kernbrennstoffen zu entwickeln, das zur Einstellung guenstiger Faellungsbedingungen den Einsatz hoher Gehalte am NH tief 4 NO tief 3 vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess mit einem Verfahren geloest, bei dem der Nitratgehalt der hochkonzentrierten Loesung der Kernbrennstoffe durch starke Reduktionsmittel, die gasfoermig mittels Traegergas in die Loesung eingebracht werden verringert wird.The invention relates to a process for the production of nuclear fuel microspheres from aqueous solutions of the nitrates of nuclear fuels for the production of vibration-sealed fuel thermal and fast reactors and for the production of pellets. The object of the invention is to develop a process of low number of stages which can be carried out in a simple manner for the production of high-quality nuclear fuel microspheres. The invention has for its object to develop a process for the production of spherical nuclear fuel, which avoids the use of high levels NH NH deep 4 NO deep 3 to set favorable conditions Faellungsbedingungen. This object is achieved according to the invention by a process in which the nitrate content of the highly concentrated solution of nuclear fuels is reduced by strong reducing agents which are introduced into the solution in a gaseous form by means of tracer gas.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoff-Mikrokugeln aus wäßrigen Lösungen der Nitrate der Kernbrennstoffe für die Erzeugung vibrationsverdichteter Brennelemente thermischer und schneller Reaktoren sowie für die Herstellung von Pellets.The invention relates to a process for the production of nuclear fuel microspheres from aqueous solutions of the nitrates of nuclear fuels for the production of vibration-compressed fuel elements of thermal and fast reactors and for the production of pellets.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

In der Literatur werden zahlreiche naßchemische Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Kernbrennstoffteilchen - sog. Mikrokugeln - beschrieben £ΐΑΕΑ Panel Meeting, Report IAEA - 161 (1974), Report IAEA-CH-36 (1977); H,V/.H. Lahr, Nucl. Technol. 31 (1976) 183]. Sie lassen sich alle in 4 Grundverfahreη einordnenNumerous wet-chemical processes for producing spherical nuclear fuel particles, so-called microspheres, are described in the literature. Ϊ́ΑΕΑ Panel Meeting, Report IAEA-161 (1974), Report IAEA-CH-36 (1977); H, V / .H. Lahr, Nucl. Technol. 31 (1976) 183]. They can all be classified in 4 basic methods

1. Sol-Gelverfahren1. Sol-gel method

2. Hydrolyseverfahren2. Hydrolysis process

3. Gel-F'ällungsverfahren . ' ~3. Gel precipitation method. '~

4. Polykondensationsverfahren " .4. Polycondensation process ".

Ein weiterentvvickeltes Gel-Fällungsverfahren ist das EGU-Verfahren. Hierbei wird die Gießlösung durch Mischen von Uranylnitrat, Harnstoff und Ämraoniumnitratlösung hergestellt, Die fertige Lösung enthält 1,5 Mol/l UO2(NOo)2> des weiteren 3-4 Mol Harnstoff und 2-3 Mol NHJTO3 pro Mol Uran. Diese Lösung ist durch Zusatz von NH- zu 25 - 30 % vorneutralisiert. Dieses, sowie der relativ hohe Gehalt an NH.NOt sind zur Einstellung günstiger Fällungsbedingungen und zur schnellen Aushärtung des Tropfens erforderlich. Die Gießlösung wird horizontal in die Geliersäule eingespritzt. Durch Einwirkung eines elektromagnetischen Schwingsystems werden die Flüssigkeitsstrahlen zu gleichmäßigen Tröpfchen zerteilt. Die Tropfen werden durch Reaktion mit NHo-Gas vorgehärtet. Nach einer Flugstrecke von 10 - 20 cmA further developed gel precipitation method is the EGU method. Here, the casting solution is prepared by mixing uranyl nitrate, urea and Ämraoniumnitratlösung, The final solution contains 1.5 mol / l UO 2 (NOo) 2 > further 3-4 moles of urea and 2-3 mol of NHJTO 3 per mole of uranium. This solution is preneutralized by addition of NH- to 25-30 % . This, as well as the relatively high content of NH.NOt are necessary for setting favorable precipitation conditions and for rapid curing of the droplet. The casting solution is injected horizontally into the gelling column. By the action of an electromagnetic vibration system, the liquid jets are divided into uniform droplets. The drops are precured by reaction with NH 2 gas. After a flight distance of 10 - 20 cm

-äJU!.19e2*02l67C-äJU! .19e2 * 02l67C

241533241533

^fallen die Mikrokugeln in eine 5 - 7 Mol WH.OH-Lösung, in der sie ausgehärtet werden. Das Auswaschen von in . den Mikrokugeln enthaltenen WH,WO-. und Harnstoff erfolgt in .einem separaten Schritt, mit 7 Mol WH,OH-Lösung. In einem weiteren Schritt sind die Mikrokugeln bei 600C etwa 10 Min. in gleicher Lösung zu altern. Die Trocknung der Mikrokugeln muß in einer Monoschicht erfolgen;' Das U (VI) wird bei Temperaturen von 600 - 8000C mit Wasserstoff zu UOp reduziert. Die Sinterung der UO^-Mikrokugeln erfolgt bei 1.4000C (3h) in H2 oder Ar/Hg. Die erreichte Enddichte der UOg-Mikro.kugeln liegt· bei 98 % der th. Dichte des UOp. '^ the microspheres fall into a 5-7 mol WH.OH solution in which they are cured. Washing out in. WH, WO- contained in the microspheres. and urea takes place in .a separate step, with 7 moles of WH, OH solution. In a further step, the microspheres at 60 0 C for about 10 min. Age in the same solution to age. The drying of the microspheres must be done in a monolayer; ' The U (VI) is reduced at temperatures of 600 - 800 0 C with hydrogen to UOp. The sintering of the UO ^ microspheres is carried out at 1400 0 C (3h) in H 2 or Ar / Hg. The final density of the UOg microspheres reached is 98 % of the th. Density of UOp. '

Die bekannten Verfahren enthalten folgende Mangel: The known methods contain the following deficiency:

1. Herstellung kolloidaler Lösungen der Oxide-der. Kernbrennstoff e '1. Preparation of colloidal solutions of oxides-the. Nuclear fuel e '

2. Einsatz größerer Mengen thermisch instabiler organischer Verbindungen (z.B.'HMTA)2. Use of larger amounts of thermally unstable organic compounds (e.g. 'HMTA)

3. Denitratisierung der Lösung durch Extraktionsprozesse, die besonders bei Gegenwart von Plutonium schwer beherrschbar sind.3. Denitrification of the solution by extraction processes, which are difficult to control, especially in the presence of plutonium.

4. Einsatz von Eindickern zur Erhöhung der Viskosität von Lösungen relativ niedriger Konzentration.4. Use of thickeners to increase the viscosity of solutions of relatively low concentration.

5. Hohe Gehalte an WH»HO, in der Lösung zur Realisierung günstiger Fällungsbedingungen für Uran führen bei Anwesenheit von Plutonium zu sehr ungünstigen Pällungsbedingungen füi° Plutonium. .5. High levels of WH »HO, in the solution for realizing favorable precipitation conditions for uranium, lead to very unfavorable precipitation conditions for plutonium in the presence of plutonium. ,

6. Hoher Witratgehält in den Mikrokugeln zwingt zu mehreren Prozeßstufen für Aushärtung, Waschen und Alterung der Mikrokugeln.6. High Witratgehält in the microspheres forces to several stages of the process for curing, washing and aging of the microspheres.

Das obengenannte EGU-Verfahren umgeht die Mängel nach Punkt 1 - 4. Bestehen bleiben beziehungsweise neu auftreten jedoch die Mangel nach Punkt 5 u. 6. Deshalb ist das Verfahren zum Beispiel für die Herstellung von U/Pu Mischoxid-Brennstoff wenig oder'nicht geeignet.The above-mentioned EGU procedure bypasses the deficiencies according to point 1 - 4. Existence or new occurrence but the deficiency according to point 5 u. 6. Therefore, the method is little or not suitable for the production of U / Pu mixed oxide fuel, for example.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Dns Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung- einea in einfacher Weise durchführbaren Verfahrens geringer Prozeßstufenzahl zur Herstellung qualitativ hochwertiger Kernbrennstoff-Mikrokugeln.The object of the invention is to develop a process of low process steps that can be carried out in a simple manner to produce high-quality nuclear fuel microspheres.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Kernbrennstoffen zu entwickeln, das zur Einstellung günstiger Pallungsbedingungen den Einsatz "hoher Gehalte am NH .NO., vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, bei dem der Nitratgehalt der hochkonzentrierten Lösung der Kernbrennstoffe durch starke Reduktionsmittel, die gasförmig mittels Trägergas in die Lösung eingebracht werden verringert wird.The object of the invention is to develop a process for the production of spherical nuclear fuels which avoids the use of "high contents of NH.NO.sub.2 to set favorable conditions for palletizing." This object is achieved according to the invention by a process in which the nitrate content of the highly concentrated Solution of nuclear fuels by strong reducing agents, which are introduced in gaseous form by means of carrier gas into the solution is reduced.

Durch Nitratverringerung entsteht eine stabile Lösung erhöhter Viskosität.Nitrate reduction produces a stable solution of increased viscosity.

Als Reduktionsmittel kommen dabei besonders solche zum Ein- setz, die selbst nur gasförmige Reaktionsprodukte ergeben. Damit wird eine Verdünnung vermieden. Durch Wegfall des hohen HH.NO.,-Zusatzes und zusätzlicher Verringerung des Nitratgehaltes in der Lösung wird der Gehalt an aus den Mikrokugeln auszuwaschenden Verunreinigungen so weit gesenkt, daß Aushärten, V/a sehen und Altern der Mikrokugeln in einem Schritt erfolgen können.Particularly suitable reducing agents are those which themselves give only gaseous reaction products. This avoids dilution. By eliminating the high HH.NO., - Addition and additional reduction of the nitrate content in the solution, the content of impurities to be washed out of the microspheres is lowered so that hardening, V / a see and aging of the microspheres can be done in one step.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für Elemente, die bei hohen Nitratgehalten schwer oder nicht verarbeitbar sind (trifft besonders für Plutonium zu) geeignet. Die je nach Reduktionsmittel auch bei höherer Temperatur (50-1050C) durchzuführende Reduktion ergibt bei Pu-enthaltenden Lösungen eine definierte Wertigkeit, des Pu (fast vollständig Pu (III)), die günstige Pallungsbedingungen bewirkt. InThe process according to the invention is also suitable for elements which are difficult or impossible to process at high nitrate contents (especially true for plutonium). Depending on the reducing agent at a higher temperature (50-105 0 C) to be performed results in reducing Pu-solutions containing a defined value, the Pu (almost completely (III) Pu), causes the beneficial Pallungsbedingungen. In

241533 7241533 7

einfacher Weise können nach dem beschriebenen Ver- . fahren C- und N-haltige Kernbrennstoffe.(z.B. UC, (U/Pu)C, UK.u.a.) hergestellt werden. Dazu ist den Ausgangslösungen entsprechend 'feinteiliger Kohlenstoff (für UC z.B. 3.Mol C pro MÖl U) zuzusetzen. Die wie oben hergestellten, jedoch nur kalzinierten, beziehungsweise reduzierten Materialien werden dazu einer Karboreduktion oder einer Behandlung in BV)r-haltiger Atmosphäre ,bei hohen Temperaturen (1200' 1600°) unterworfen. . ; . . . ' .'simple manner can according to the described Ver. drive C- and N-containing nuclear fuels (eg UC, (U / Pu) C, UK.ua). For this purpose, the starting solutions according to 'finely divided carbon (for UC, for example, 3.Mol C per Möl U) add. The materials prepared as above, but only calcined or reduced, are subjected to a carbon reduction or a treatment in a BV) r-containing atmosphere at high temperatures (1200 '1600 °). , ; , , , '.'

Es entsteht nach diesem Verfahren außerdem die Möglichkeit durch' einfaches Zumischen von löslichen Verbindungen'Oder kolloidalen Pulvern zur. Ausgangslösung mit nichtnuklearen Materialien dotierte Kernbrennstoffe herzustellen, Voraussetzung dafür ist allein die Unlöslichkeit oder geringe Löslichkeit der Materialien in wäßrigen HK^OH-Lögüngen. Verbindungen die zur Mischkristallbildung fähig sind, ~ bilden bei Herstellung nach diesem Verfahren ideale Misbirkristalle (z.B. (U/Pu)02~Mischkristall). .,It also creates the possibility by 'simple admixture of soluble compounds' or colloidal powders according to this method. Starting solution with non-nuclear materials to produce doped nuclear fuel, the only prerequisite is the insolubility or low solubility of the materials in aqueous HK ^ OH Lögüngen. Compounds which are capable of solid solution formation form ideal Misbir crystals (eg (U / Pu) O 2 ~ mixed crystal) when prepared by this process. .,

Ausführungsbeispiel >. -.. .Exemplary embodiment>. - ...

1.. Beispiel ·1 .. Example ·

In eine auf- 900C erwärmte- UO2(M)3)2-Lösung (2",3 Mol U/l) wird mittels lip als Trägergas Formaldehyd eingeleitet ,bis ein 10,/U= 1,5 erreicht ist. Die abgekühlte Lösung wird mit Harnstoff (Harnstoff/U =- 1,8) versetzt und zu Tropfen verdüst (Durchmesser = rund 200 /Utn). Die Tropfen durchfliegen, einen MiL enthaltenden Gasraum (Flugstrecke etwa 20cm). und fallen anschließend in ein Rohr das HH^OH-Lösung . (6 Rio 1/1 ML·) mit einer Temperatur von GO0C enthält. Hoch einer Verweilzeit von 5 min. werden die Mikrokugeln von der Lösung abgetrennt und in einem bei 70 C mit ,'Wasserdampf gesättigten E^-Strom getrocknet (Aufheizrate = 150°/h).Formaldehyde is introduced into a UO 2 (M) 3 ) 2 solution (2 ", 3 mol U / l) heated to 90 ° C. by means of lip as the carrier gas until a 10, / U = 1.5 is reached. The cooled solution is mixed with urea (urea / U = - 1.8) and sprayed to drips (diameter = about 200 / Utn.) The drops fly through a MiL-containing gas space (flight distance about 20 cm) and then fall into a tube The HH ^ OH solution (6 rio 1/1 ML x) at a temperature of GO 0 C. High in a residence time of 5 min, the microspheres are separated from the solution and saturated with water at 70 ° C E ^ stream dried (heating rate = 150 ° / h).

Bei 300 C wird die WasserdampfSättigung eingestellt und demAt 300 C, the water vapor saturation is set and the

3333

Np-Strom 10 Vol-% H0 zugesetzt. Nach Erreichen einer Temperatur von 75O0C wird mit einer Heizrate von 800°C/h auf 1250 C erhitzt und 3 h bei dieser Temperatur gehalten. Die gebildeten UO2-Mikrokugeln haben 95 - 99 %' der thermischen Dichte des UO0.Np flow 10% by volume H 0 added. After reaching a temperature of 75O 0 C is heated at a heating rate of 800 ° C / h to 1250 C and maintained at this temperature for 3 h. The formed UO 2 microspheres have 95-99 % of the thermal density of UO 0 .

2. Beispiel.2nd example.

In eine wie in Beispiel 1 denitratisierte.Lösung wird nach Zusatz von Harnstoff feinteiliger Rußkohlenstoff zugesetzt und durchRühren dispergiert (C/U = 3).Die wie in Beispiel 1 hergestellten Mikrokugeln werden nach Erreichen einer Temperatur von 7000C abgekühlt und nach Einsetzen in einen Vakuumofen im Hochvakuum (besser 10" Torr) mit einer Heizrate von 1000°C/h auf eine Temperatur bei der Karboreduktion einsetzt (etwa 11000C) erhitzt. Bis zur Beendigung der Karboreduktion wird die Temperatur langsam auf etwa 145O0C gesteigert. Sinterung der UC-Mikrokugeln bei 175O0C ergibt Dichten von 80 - 92 % der th. Dichte.In a demitratisierte. as in Example 1 solution finely divided carbon black is added after addition of urea and dispersed by stirring (C / U = 3). The microspheres prepared as in Example 1 are cooled after reaching a temperature of 700 0 C and after insertion into a vacuum oven (preferably 10 "Torr) using a heating rate of 1000 ° C / h to a temperature in the Karboreduktion (about 1100 0 C) was heated in a high vacuum. Until the completion of the Karboreduktion the temperature is slowly increased to about 145 ° 0 C, sintering UC-microspheres at 175O 0 C gives densities 80-92% of th density..

3. Beispiel ; 3rd example ;

In eine auf 85°C erwärmte UO2(NO3)2-Lösung (2,3 Mol/lU, die 0,2 Mol/l Zirkon enthält, wird mittels Np als Trägergas Formaldehyd bis zu. einem NO,/Meto11 = 1,6 eingeleitet. Der abgekühlten Lösung wird Harnstoff (Harnstoff/Metall=1,,8) zugesetzt. Die weitere Verarbeitung au Mikrokugeln erfolgt wie im Beispiel 1. Die gebildeten U0o/Zr0o-Mikrökugeln entholten das Zr homogen in der UO0-Motrix verteilt.In a heated to 85 ° C UO 2 (NO 3 ) 2 solution (2.3 mol / lU, containing 0.2 mol / l zirconium, using Np as the carrier gas formaldehyde up to a NO, / Meto11 = 1 6. The urea (urea / metal = 1, 8) is added to the cooled solution, and the further processing of microspheres is carried out as in Example 1. The U0 o / Zr0 o microspheres that are formed bring the Zr homogeneously into the UO 0 . Motrix distributed.

4. Beispiel4th example

UOo-Mikrokugeln die wie in Beispiel 1 hergestellt wurden, wobei die Temperaturbehandlung nur bis 7000C ausgedehnt und dann abgekühlt wurde, werden zu Pellets (Durchmesser mm, Höhe = 8 mm) verpreßt. Diese Pellets werden inUOO microspheres were prepared as in Example 1, wherein the temperature of treatment was extended only up to 700 0 C, and then cooled to be Pellets (diameter mm, height = 8 mm) is pressed. These pellets are in

533 J 533 y

atrömenden Ar/10 % EL mit Aufheizraten von 500°C/h auf 16OO°C erhitzt und bei dieaer Temperatur 5 h geairitert. Die geainterten Pellets erreichen Dichten bia 95 % der th. Dichte.heated Ar / 10 % EL with heating rates of 500 ° C / h to 16OO ° C and at this temperature for 5 h voriiritert. The sintered pellets reach densities bia 95 % of th. Density.

Claims (2)

Erfindungsanspruchinvention claim 1. Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoff-Mikro- .kugeln aus einer Mtratlösung der Kernbrennstoffe, > bei dem aus der Nitratlösung durch Zumischung von V Zusätzen und Hilfsstoffen eine Gießlösung hergestellt wird, die au Tröpfchen zerteilt und durch chemische j Reaktion verfestigt wird und die so erhaltenen Mikrokugeln anschließend gewaschen, getrocknet, kalziniert und gesintert werden,dadurch gekennzeichnet, daß der Hitratgehalt der TTitratlösung der Kernbrennstoffe durch starke Reduktionsmittel, welche gasförmig mittels Träger· gas in die Lösung eingebracht werden,verringert wird...1. A process for the production of nuclear fuel micro. Mulls from a Mtratlösung of nuclear fuels,> in which from the nitrate solution by admixture of V additives and auxiliaries a casting solution is prepared, which is divided into droplets and solidified by chemical j reaction and the like The resulting microspheres are subsequently washed, dried, calcined and sintered, characterized in that the nitrate content of the nitrate solution of the nuclear fuel is reduced by strong reducing agents which are introduced into the solution in gaseous form by means of carrier gas ... 2. Verfahren nach Punkt T, dadurch gekennzeichnet, daß Reduktionsmittel eingesetzt werden, die nur gasförmige Reaktionsprodukte, bilden.2. Method according to point T, characterized in that reducing agents are used, which form only gaseous reaction products.
DD82241533A 1982-07-09 1982-07-09 PROCESS FOR PRODUCING NUCLEAR MICROBALLS DD207862A1 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4214272A1 (en) * 1992-05-04 1993-11-11 Nukem Gmbh Method and device for producing microspheres

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