DE1059420B

DE1059420B - Verfahren zur Herstellung von Urandioxyd hoher Dichte

Info

Publication number: DE1059420B
Application number: DEU5624A
Authority: DE
Inventors: William Earl Roake
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1957-10-28
Filing date: 1958-09-22
Publication date: 1959-06-18
Also published as: NL231961A; BE572172A; US2952535A; GB848609A; NL105382C; FR1204910A

Description

C 01 G

DEUTSCHES JBiWKk PATENTAMT

kl. 12 η 10

INTERNAT. KL., C Ol g AUSLEGESCHRIFT 1059 420

U5624IVa/12n

-43/02b-

ANMELDETAG: 22. SEPTEMBER 19S8

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 18. JUNI 1959

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Materials, das sich für die Brennelemente von Neutronenreaktoren eignet, sowie das dabei erhaltene Material.

In einer großen Zahl von Neutronenreaktoren werden als Brennstoff Urandioxyd oder urandioxydhaltige Gemische verwendet. Es ist stets erwünscht, mit einem Urandioxyd hoher Dichte zu arbeiten, da der Reaktor dann weniger voluminös ist und da ferner Stoffe hoher Dichte eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Urandioxyds oder Urandioxyd enthaltenden Materials, das eine besonders hohe Dichte aufweist.

Hierzu wurde versucht, durch Einverleibung von Verunreinigungen in dias Urandioxydmaterial in seiner Kristallstruktur einen Gitterdefekt hervorzurufen und dadurch eine bessere Raumdiffusion bei der Sintertemperatur und dementsprechend ein Produkt mit einer höheren Dichte zu erhalten.

Es wurde gefunden, daß das Calciumhydrid diese erwünschte Dichteerhöhung ergibt und die ideale Substanz für diesen Zweck darstellt. Das Calciumhydrid besitzt eine Doppel funktion: Wenn man ein Gemisch aus dem Urandioxydmaterial und Calciumhydrid auf oberhalb 675° C erhitzt, setzt das Hydrid in dem gesamten dichten Körper Wasserstoffgas in Freiheit, und dieses Wasserstoffgas reduziert dann das stabilere, sechswertige Uran zur vierten Wertigkeitsstufe und hält es in derselben. Das Calciumhydrid liefert dementsprechend auch Calciummetall in sauerstofffreier Form, das einen kleinen Teil des Urandioxyds zu metallischem Uran reduziert. Durch diese Reduktion des Urandioxyds werden in dem Gitter Leerstellen erzeugt, die zu einer besseren Diffusion während der Sinterung und zur Entstehung eines dichteren Produktes bei derselben führen.

Gemäß der Erfindung wird dem Urandioxyd eine vergleichsweise kleine Menge Calciumhydrid so beigemischt, daß man eine gleichmäßige Verteilung erhält, das Gemisch zu einem dichten Körper gepreßt, der dichte Körper unter Zersetzung des Calciumhydrids, Bildung von metallischem Calcium und Entstehen einer reduzierenden Atmosphäre in dem gesamten Körper langsam, insbesondere im Vakuum, erhitzt, die Erhitzung bis zum Erreichen der Sintertemperatur fortgesetzt und die Sintertemperatur aufrechterhalten, wobei dias gebildete Calciummetall einen Teil des Urandioxyds zu metallischem Uran reduziert und dadurch die Bildung von Gitterleerstellen verursacht, welche die Raumdiffusion verbessern und zur Entstehung eines Sinterkörpers erhöhter Dichte führen.

Man kann mit unterschiedlich großen Calcium-

Verfahren zur Herstellung
von Urandioxyd hoher Dichte

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission, Washington, D. C. (V. St. A.)

Vertreter Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt, München 27, Gaußstr. 6

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 28. Oktober 1957

William Earl Roake, Richland, Wash. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

as mengen arbeiten, die in einem gewissen Umfang von dem anwesenden Sauerstoffüberschuß (über die der Formel UO_2-0 entsprechenden Menge) und dem gewünschten Grad der Raumdiffusion abhängen, die eine Funktion der erzeugten Gitterleerstellen und damit

der Anzahl der Calciumatome in dem UO₂,₀-Gitter ist. Eine Calciummenge von etwa 1 bis 3 Gewichtsprozent hat sich als besonders zufriedenstellend erwiesen, wobei etwa 1,5 Gewichtsprozent bevorzugt werden. Für die Brennelemente ist zwar jedes Uran-

dixoyd ausreichend, aber vorzugsweise arbeitet man mit einem Urandioxyd der Formel UO_M, wenngleich auch ein Urandioxyd, das einen höheren Sauerstoffgehalt aufweist und z.B. der Formel UO_t)1 entspricht, durch den entwickelten Wasserstoff zu U O₂₀

reduziert wird. In den meisten Fällen wird das UO₂₀ durch Reduktion eines Urandioxyds, das gelagert worden ist und überschüssigen Sauerstoff enthält, mit Wasserstoff bei 1000° C in gepulverter Form gewonnen; dieses UO_2>0 wird dann in einer Kugelmühle mit

handelsreinem Calciumhydridpulver vermischt und die Korngröße dabei weiter, gewöhlich auf im Mittel etwa 50 μ, verringert.

Die Verpressung erfolgt vorzugsweise in einer Form von 1,3 cm Durchmesser bei einem Stempel-

druck von 7031 kg/cm².

Die Zersetzung des Calciumhydrids zu metallischem Calcium erfolgt, wie oben festgestellt, bei Temperaturen oberhalb 675° C; die für die Sinterung geeigneten Temperaturen liegen im Bereich von 1550

bis 2000° C, wobei 1700 bis 1900° C die besten Ergebnisse liefern.

Beispiel

Zwei Körper aus UO_2>0 werden in identischer Weise mit der Ausnahme hergestellt, daß einer der beiden Körper einen Calciumhydridzusatz von 1,65 Gewichtsprozent enthält. In beiden Fällen erhitzt man zur Sinterung nach langsamem Erhitzen auf 675° C 2 Stunden im Vakuum auf 1700 bis 1900° C. Der ge- ίο sinterte Körper, der aus dem reinen TJO₂₀-PuIver erhalten wird, hat eine Schüttdichte von 7,79 g/cm⁸, während die Schüttdichte des Körpers aus dem calciumhydridhaltigen Gemisch 8,64 g/cm* beträgt.

Der Versuch wird unter Verwendung gleicher Mengen anderer Zusätze, wie Calciumoxyd und Calciumfluorid, wiederholt, wobei jedoch die mittels des CaI-ciumhydrids erhaltene Verbesserung nicht erzielt wird.

Beim Einsatz der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten, eine höhere Dichte aufweisenden -, Körper als Brennelemente in Neutronenreaktoren braucht der Reaktor keinen radikalen Veränderungen unterworfen zu werden, sondern man muß lediglich die Regelstäbe etwas früher einsetzen, da der Reaktor in einem früheren Zeitpunkt ein kritisches Stadium erreicht. Da auf Grund der höheren Dichte in einen Reaktor eine größere Brennstoffmenge eingesetzt werden kann, wird die Einsatzzeit des Reaktors verlängert.

Claims

Patentansprüche: *.*

1. Verfahren zur Herstellung von Urandioxyd verbesserter Dichte, dadurch gekennzeichnet, daß pulverförmiges Urandioxyd mit einer geringen Menge, besonders 1 bis 3 Gewichtsprozent Calciumhydrid vermischt, das Gemisch unter Verpressen verdichtet, auf Temperaturen über 675° C erhitzt und anschließend gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Calciumhydrid in einer Menge von etwa 1,5 Gewichtsprozent verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Urandioxyd vor dem Vermischen mit dem Calciumhydrid einer Vorbehandlung mit Wasserstoff bei 1000° C unter Bildung eines Dioxyds der Formel UO₂,, unterworfen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung im Vakuum bei einer Temperatur zwischen 1500 und 2000⁰C, insbesondere 1700 und 1900° C, erfolgt.