DD209039A1 - Verfahren zur herstellung fliessfaehiger oxidischer kernbrennstoffpulver hoher schuettdichte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung fliessfaehiger oxidischer Kernbrennstoffpulver hoher Schuettdichte aus Uran-, Thorium- bzw. Plutoniumoxid oder Mischungen mit einem dieser Oxide als Hauptkomponente (im weiteren Uranoxid) fuer die Fertigung von Kernbrennstoff- Sinterkoerpern. Das Ziel der Erfindung besteht in der Verbesserung der Transport-, Dosier- und Lagerungseigenschaften des Kernbrennstoffpulvers. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer moeglichst fruehen Bearbeitungsstufe ein fliessfaehiges und in den nachfolgenden Bearbeitungsstufen diese Eigenschaft beinhaltendes Kernbrennstoffpulver hoher Schuettdichte zu erzeugen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass spaetestens vor dem letzten chemischen Verfahrensschritt eine Vorverdichtung/Granulierung des Pulvers durchgefuehrt wird. Obwohl diese vorverdichteten Zwischenprodukte mannigfachen Veraenderungen wie chemischen Umwandlungen, Aenderung des kristallographischen Gefueges, Volumen- und Massenveraenderungen unterworfen werden, bleibt ueberraschenderweise der Einfluss der Vorverdichtung auf die Schuettdichte und - mit Ausnahme der Pulvernachbehandlung durch Mahlen - auch die Fliessfaehigkeit ueber alle folgenden Bearbeitungsschritte wie Dehydratisierung, thermische Zersetzung, Oxydation und Reduktion bis zum Pressvorgang erhalten.

Description

- Ί' ~ Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung fließfähiger oxidischer Kernbrennstoffpulver hoher Schüttdichte aus Uran-, Thorium- bzw. Plutoniumoxid oder Mischungen mit einem dieser Oxide als Hauptkomponente (im weiteren Uranoxid) für die Fertigung von Kernbrennstoff-Sinterkörpern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

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Die verbreitetsten Konversionenerfahren der Uranoxidherstellung gehen von der wäßrigen Lösung der Metallverbindung aus, aus der mit Ammoniak (ADU-Verfahren), einer Ammoniak-Kohlendioxidaischung (AUC-Verfahren) oder mit Oxalsäure (bei Thorium' als Eä'uptkomponente) ein'Niederschlag ausgefällt wird, der nach Trocknen, thermischen Zersetzen und nach Reduktion das Uranoxidpulver liefert.

Die Konversionsverfahren haben entscheidenden Einfluß auf die Technologie und Ökonomie des Pelletherstellungsprozesses, Durch die im Konversionsprozeß erhaltenen chemischen und physikalischen Eigenschaften des UO₂-PuI-vers werden im Pelletherstellungsproseß die Anzahl der Prozeßstufen (je nach Fließfähigkeit und Morphologie des Pulvers), das Verdichtungsverhalten und die Sndqualität bestimmt.

Heben der Preß- Lina Sinterfähigkeit des Uranoxidpulvers ist vor allem die Schüttdichte und Fließfähigkeit des Materials von Bedeutung. Höhere Schüttdichte und Fließfähigkeit wirken sich bei sonst gleichen Eigenschaften des Pulvers günstig auf die Produktivität der Fertigung und auch' auf die Qualität der Kernbrennstoffsinterkör- per aus. Die Fließfähigkeit wirkt sich wesentlich auf die Transporteigenschaften aus,. Die Schüttdichte bestimmt über die Füilmenge der Preßmatrize die Höhe der

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Sinterkörper und über den Preß si; em pel-hub den Verschleiß des Preßwerkzeuges.

Das bekannte ADU-Verfahren erzeugt ein nicht fließfähiges Pulver geringer Schüttdichte. Srat im Pulververarbeitungspro.zeß wird in einem aufwendigen Verfahren preßfähiges Granulat hergestellt. Im industriell eingeführten Verfahren wird das Pulver in geeigneten Mühlen gemahlen, mit Plastifikatoren und Preßhilfsmitteln versetzt und vor dem Preßvorgang einer Druckgranulierung oder drucklosen Aufbaugranulierung unterzogen, Bis- zu diesem Verfahrensschritt sind aufgrund des nichtfließfähigen Pulvers geringer Dichte Transport-, Dosier- und Lagerungsprozesse sehr aufwendig. Um in einer frühen Bearbeitungsstufe freifließendes Pulver hoher -Schüttdichte vorliegen zu haben, wurden bereits Verfahren vorgeschlagen, die die Eigenschaften des Kernbrennstoffpulvers verbessern. In einer Reihe von Patentschriften wird vorgeschlagen, durch besondere Bedingungen während der Fällung des unlöslichen Niederschlages (3HD-PS 1 592 473, BRD-PS 1 240 055, BRD-PS 1 173 885), durch spezielle verfahrenstechnische Lösung bei der Zersetzung und Reduktion dieses Niederschlages (BRD-PS 1 592 478) oder durch Hochtemperaturbehandlung des Oxides (BRD-PS 1 240 055) zu fließfähigem Kernbrennstoffpulver zu gelangen. Diese Verfahren sind jedoch entweder an das AüC-Verfahren gebunden oder enthalten kosten- und energieaufwendige Verfahrensschritte wie die Hochternperaturbehandlung.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verbesserung der Transport-,, Dosier- und Lagerungseigenschaf ten des Kernbrennstoff Dulvers.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer möglichst frühen Bearbeitungsstufe ein fließfähiges und in den nachfolgenden Bearbeitungsstufen diese Eigenschaft beibehaltendes Kernbrennstoffpulver hoher Schüttdichte zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß spätestens vor dem letzten chemischen Verfahreneschritt eine Vorverdichtung/Granulierung des Pulvers durchgeführt wird.

Obwohl diese vorverdichteten Zwischenprodukte mannigfachen Veränderungen wie chemischen Umwandlungen, Änderung de3 kristallographischen Gefüges, Volumen- und Massenveränderungen unter¹.? ο rf en werden, bleibt überraschenderweise der Einfluß der Vorverdichtung auf die Schüttdichte und - mit Ausnahme der Pulvemachbehand— lung durch IJahlen - auch die Pließfähigkeit über alle, folgenden Bearbeitungsschritte v;ie Dehydratisierung, thermische Zersetzung, Oxydation und Reduktion bis zum Preßνorgang erhalten.

Das erfindungsgemäß erzeugte freifiießende Pulver höherer Schüttdichte wirkt-sich sehr vorteilhaft auf die Transport-, Dosier- und Lagerungsprosesse sowie auf die Entleerbarkeit der Apparate aus. Des v/eiteren werden die durch spezielle Pulvernachbehandlungen erzeugten Pulverstrukturen nicht mehr zerstört, wie dies bei den bekannten Verfahren der Granulierung der Pail ist. Die Dichte der Pellets liegt bei dem neuen Verfahren in dem selben Größenbereich r/ie bei den Verfahren, bei denen der Verfahrensschritt Vorverdichten/Granulieren direkt vor des Verfressen zu Pellets angeordnet ist.

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Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden 3 Ausführungsbeispiele*

Beispiel 1

Aus einer wäßrigen UranylnitratIosung (150 g Uran/1) wird sit 2TH- bei pH = S und. einer Temperatur von 40 ⁰G ADU ausgefällt. Der^ Niederschlag wird abfiltriert. Der bei 120 ⁰C getrocknete Filterkuchen" wird in einer Walzenpresse mit ca. 0,1 GPa vorverdichtet und in einem Siebgranulator zerkleinert. Das nun frei fließende Material wird in einem Drehrohrofen unter Wasserstoff auf 600 ⁰C erhitzt, wobei das ADU zersetzt und gleichseitig zu ürandiosid reduziert wird. Das den Drehrohrofen verlassende Granulat ist frei fließend, weist eine Schüttdichte von 2,4 g/cm"⁵ auf und wird direkt in einer matrisengeschmierten Presse unter Druck von 0,3 GPa au zylindrischen Pellets verpreßt. Auf gleiche Weise, jedoch ohne Druckgranulierung" des ADü hergestelltes Urandioxid ist während des Konversionsprozesses nicht frei flieisend und besitzt eine Schüttdichte von 1,1 g/cm .

Beispiel 2

Das nach dem ADü-Yerfahren durch Fällung erzeugte nicht fließende Zwischenprodukt einer Schüttdichte von 1,6 g/cm wird unter Zusatz von 5 G-ew.-jS Wasser auf'einem Drehteller granuliert. Dieses Granulat wird unmittelbar in die beheizte Zone eines Drehrohrofens gefördert. Dort wird es entwässert und mit Luft bei 500 "¹C codiert, Das oxydierte Granulat wird in einem zweiten Drehrohrofen bei 600 ⁰G in Wasserstoffatmosphäre reduziert. Das den Reduktionsofen verlassende Material besitzt eins Schutt-

in einer matrisangeschiaierten Presse mit 0,3 GPa zu Pellets ver^reßt.

Auf gleiche Weise, jedoch ohne Vorverdichtung/'Granulation hergestelltes Urandioxid ist während des Konversionsprozesses nicht frei fließend und weist nach Yer- ' lassen des Reduktionsdrehrohrofens lediglich die ursprüngliche Schüttdichte von 1,6 g/cm'³ auf.

Beispiel 3

Aus einer Thoriumnitratlösung (200 g/l) wird bei Raumtemperatur mit einer konz. Osalsäurelösung Thorium-

oxalat ausgefällt« Der abfiltrierte und bei 100 C getrocknete Niederschlag wird in einer hydraulischen Presse mit 0,1 GPa. vorverdichtet, in einer Schlagmühle bis zu einer Teilchengröße ^ 1 am zerstoßen,, Dieses granulierte Thoriuraoxalat wird anschließend in einem Drehrohrofen dehydratisiert und bei Temperaturen zwischen 400 und SOO C thermisch'

zt.

bleibende Thoriumosidgranulat ist frei fließend ciit einer-Schüttdichte von 1,9 g/cm .

Ss wird direkt mit 0,4 GPa und mit Matrizenschmierung- zu Formkörpern verpreßt.

Auf gleiche Weise, jedoch ohne Druckgranulierung des Thoriumoxalats hergestelltes Thoriurnoxid ist in keiner Verarbeitungsstufe frei fließend und besitzt eine Schutt-.

dichte von 0,9 g/cm"«

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch.

   .Verfahren zur Herstellung fließfähiger osid.isch.er Kernbrennstoff pulver hoher Schüttdichte, bei den ein im
   naßchemischen Verfahren durch Fällung aus einer wäßrigen Lösung erzeugtes Zwischenprodukt durch Trocknung,
   thermische Zersetzung und im Bedarfsfalle anschließende Reduktion und Pulvernachbehandlung zu νerpreßten
   Pulver weiterbehandelt wird,

   dadurch gekennzeichnet, daß spätestens vor dem letzten chemischen Verfahrensschritt eine Vorverdichtung/Granulierung des Pulvers durchgeführt wird«