DE1156054B - Process for the production of thorium oxide, uranium oxide, thorium uranium oxide or plutonium oxide sols coated with silicon dioxide - Google Patents

Process for the production of thorium oxide, uranium oxide, thorium uranium oxide or plutonium oxide sols coated with silicon dioxide

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DE1156054B
DE1156054B DEG32243A DEG0032243A DE1156054B DE 1156054 B DE1156054 B DE 1156054B DE G32243 A DEG32243 A DE G32243A DE G0032243 A DEG0032243 A DE G0032243A DE 1156054 B DE1156054 B DE 1156054B
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thorium
sol
silicon dioxide
uranium
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Frederick T Fitch
Jean G Smith
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WR Grace and Co
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Description

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

G32243IVa/12gG32243IVa / 12g

ANMELDETAG: 10. MAI 1961REGISTRATION DATE: MAY 10, 1961

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 24. OKTOBER 1963
NOTICE
THE REGISTRATION
ANDOUTPUTE
EDITORIAL: OCTOBER 24, 1963

Die Erfindung betrifft die Herstellung von mit Siliciumdioxyd umhüllten Thoriumoxyd-, Uranoxyd-, Thorium-Uranoxyd- oder Plutoniumoxydsolen, welche als Brennstoff in flüssigen homogenen Kernreaktoren verwendet werden.The invention relates to the production of silicon dioxide-coated thorium oxide, uranium oxide, Thorium uranium oxide or plutonium oxide sols, which are used as fuel in liquid homogeneous nuclear reactors be used.

Einige der bekannten wäßrigen Homogenreaktorsysteme hingen von der Verwendung von Uranylsulf at oder Uranylphosphat in Lösung als Brennstoff ab. Diese Reaktorsysteme waren nicht besonders zufriedenstellend, da sowohl das Schwefelsäure- als auch das Phosphorsäuresystem eine bestimmte Neigung zur Korrosion in der Anlage zeigen.Some of the known aqueous homogeneous reactor systems have depended on the use of uranyl sulfate or uranyl phosphate in solution as a fuel. These reactor systems were not particularly satisfactory, because both the sulfuric acid and the phosphoric acid system have a certain tendency to Show corrosion in the system.

Auf Grund dieser Nachteile wurden erhebliche Anstrengungen gemacht, um Brennstoffsysteme aus Feststoffen wie Urantrioxyd (UO3) herzustellen, das in den Reaktor in Form einer Aufschlämmung gegeben wurde. Diese Aufschlämmungen wiesen einige offensichtliche Nachteile auf, wie beispielsweise Korrosion an der Anlage und mechanische Abriebwirkung des Materials selbst.Because of these drawbacks, significant efforts have been made to produce fuel systems from solids such as uranium trioxide (UO 3 ), which is added to the reactor in the form of a slurry. These slurries had some obvious drawbacks such as corrosion on the equipment and mechanical abrasion of the material itself.

Es wurde festgestellt, daß diese Probleme durch Verwendung von Solen des Uranoxyds, Thoriumoxyds, Thoriumdioxyd-Uranoxyds oder Plutoniumoxyds als Brennstoff in wäßrigen Homogenreaktoren gelöst werden können. Derartige Sole haben den Vorteil, daß sie Dispersionen aus homogenen Teilchen kolloidaler Größe sind und daß die Nachteile vermieden werden, die bei Verwendung von Thoriumdioxyd- oder Uranoxyd-Aufschlämmungen auftreten. Beispielsweise braucht man nicht für eine gute Umwälzung zu sorgen, um die Abtrennung von Festteilen zu vermeiden. Wegen ihrer geringen Größe werden die Teilchen nicht mechanisch abgeschliffen, und der Verschleiß der Vorrichtungen stellt kein Problem dar. Die Sole sind verhältnismäßig gering viskos und können leicht umgewälzt oder gepumpt werden.It has been found that these problems can be overcome by using brines of uranium oxide, thorium oxide, Thorium dioxide-uranium oxide or plutonium oxide as fuel in aqueous homogeneous reactors can be solved. Such sols have the advantage that they are dispersions of homogeneous particles colloidal size and that the disadvantages are avoided when using thorium dioxide or uranium oxide slurries occur. For example, you don't need for a good upheaval to avoid the separation of solid parts. Because of their small size, the particles do not become mechanical abraded and the devices wear and tear is not a problem. The brines are proportionate low viscosity and can be easily circulated or pumped.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von mit Siliciumdioxyd umhüllten Thoriumoxyd-, Uranoxyd-, Thorium-Uranoxyd- oder Plutoniumoxydsolen, die als Kernreaktorbrennstoff geeignet sind, vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß dem nicht umhüllten Sol zur Erzielung der gewünschten Umhüllung organisches Silikat in einer Menge zugesetzt wird, die einem Verhältnis von Metalloxyd zu SiO2 zwischen 1:1 und 10 :1, besonders zwischen 2 :1 und 3 :1, entspricht, und daß das Gemisch auf 70 bis 15O0C, vorzugsweise auf etwa 1000C unter Rückfluß erhitzt wird, bis das organische Silikat bei einem pH-Wert oberhalb des isoelektrischen Punktes des Silikates hydrolysiert worden ist. Dieses beschleunigt die allmähliche Ab-Verfahren zur Herstellung
von mit Siliciumdioxyd umhüllten
Thoriumoxyd-, Uranoxyd-, Thorium-Uranoxyd- oder Plutoniumoxydsolen
According to the present invention, a method for producing silicon dioxide-coated thorium oxide, uranium oxide, thorium-uranium oxide or plutonium oxide sols, which are suitable as nuclear reactor fuel, is proposed, which is characterized in that the non-coated sol is organic in order to achieve the desired coating silicate is added in an amount corresponding to a ratio of metal oxide to SiO 2 is between 1: corresponds to 1, and that the mixture to 70 to 15O 0 C, preferably to about: 1 and 10: 1, especially between 2: 1 and 3 100 0 C is heated under reflux, has been hydrolyzed to the organic silicate at a pH value above the isoelectric point of the silicate. This speeds up the gradual ab process of manufacture
of coated with silica
Thorium oxide, uranium oxide, thorium uranium oxide or plutonium oxide sols

Anmelder:Applicant:

W. R. Grace & Co.,W. R. Grace & Co.,

New York, N. Y. (V. St. A.)New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dr. rer. nat. J.-D. Frhr. v. Uexküll, Patentanwalt,
Hamburg-Hochkamp, Königgrätzstr. 8
Dr. rer. nat. J.-D. Mr. v. Uexküll, patent attorney,
Hamburg-Hochkamp, Königgrätzstr. 8th

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. Mai 1960 (Nr. 28 513)
Claimed priority:
V. St. v. America May 12, 1960 (No. 28 513)

Frederick T. Fitch und Jean G. Smith,Frederick T. Fitch and Jean G. Smith,

Baltimore, Md. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden
Baltimore, Md. (V. St. A.),
have been named as inventors

lagerung einer Siliciumdioxydschicht auf den Metalloxydteilchen des Sols.depositing a silicon dioxide layer on the metal oxide particles of the sol.

Da das Siliciumdioxyd beim Umhüllen der Metalloxydteilchen diesen eine negative, elektrostatische Ladung vermittelt, wird das Sol dann im allgemeinen durch Zugabe von Alkalimetallhydroxyd, wie Natriumhydroxyd oder andere Laugen, stabilisiert, welche ausreichen, um den pH-Wert auf den richtigen Bereich, im allgemeinen 7 bis 9,5, einzustellen.Since the silica in enrobing the Metalloxydteilchen gives them a negative electrostatic charge, the sol is then generally produced by adding alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide or other alkaline solutions, stabilized, sufficient to provide the pH value to the correct range, generally 7 to 9.5.

Es wurde kürzlich vorgeschlagen, daß ein 2%iges Siliciumdioxydsol, welches mit Thoriumdioxyd-, Uranoxyd- oder Thoriumdioxydsolen umgesetzt werden kann, um mit Siliciumdioxyd umhüllte Teilchen zu ergeben, dadurch erhalten wird, daß man eine Natriumsilikatlösung durch einen Kationenharz leitet. Die erhaltenen Sole besitzen sogar nach Konzentration eine ungewöhnliche hydrothermische Stabilität und sind demzufolge als Brennstoff in wäßrigen Homogenreaktoren sehr geeignet. Die neue Methode stellt eine Verbesserung der früheren Verfahren dar, indem sie das Verfahren außerordentlich vereinfacht und eine gleichmäßigere Umhüllung der Solteilchen ergibt.It has recently been proposed that a 2% silica sol, which is treated with thorium dioxide, Uranium oxide or thorium dioxide sols can be reacted to form particles coated with silicon dioxide is obtained by passing a sodium silicate solution through a cation resin. The brines obtained have an unusual hydrothermal stability and even after concentration are therefore very suitable as fuel in aqueous homogeneous reactors. The new method represents a Improvement of the previous process by greatly simplifying the process and providing a results in more uniform coating of the sol particles.

309 729/294309 729/294

3 43 4

Dieses einfache Verfahren ist auch insofern vorteil- sehen Silikat kann nicht rechnerisch genau festgestelltThis simple method is also advantageous insofar as silicate cannot be precisely determined by calculation

haft, als es eine beachtliche Wirtschaftlichkeit der mit werden, da die zum Umhüllen eines Partikels benötigteliable as there would be a considerable economy of having since the one needed to encase a particle

schwerem Wasser zu verwendenden Sole erzielt, wo- Menge an Siliciumdioxyd von der Oberfläche undHeavy water to be used brine obtained, where- amount of silicon dioxide from the surface and

bei die erforderliche Menge an schwerem Wasser nicht von dem Gewicht des Partikels abhängt. Daswhere the required amount of heavy water does not depend on the weight of the particle. That

niedriger ist, als sie es bei Anwendung der bislang be- 5 Gewichtsverhältnis von Metalloxyd zu Siliciumdioxydis lower than it is when the previously used weight ratio of metal oxide to silicon dioxide is used

kannten Verfahren zur Herstellung von mit Silicium- liegt im Bereich von etwa 1:1 bis 10:1, vorzugs-known process for the production of silicon is in the range of about 1: 1 to 10: 1, preferably

dioxyd umhüllten Solen war. weise zwischen 2:1 und 3:1.Dioxide coated brines was. wise between 2: 1 and 3: 1.

Um ein Metalloxydsol mit der erforderlichen ther- Wenn die Hydrolyse des organischen Silikats vollmischen Stabilität und Neigung zum Umhüllen zu er- zogen ist, liegt der Anionengehalt des erhaltenen umhalten, ist es wünschenswert, daß die anfänglichen io hüllten Sols über der allgemein erwünschten Grenze Solteilchen kugelartig oder hauptsächlich kugelartig der spezifischen Leitfähigkeit von etwa 10~3 mho/cm. sind. Weiterhin müssen die Teilchen einen begrenzten Diese Konzentration der Anionen ist zu hoch, so daß Größenbereich aufweisen. Die Teilchengröße kann eine weitere Abklärung erforderlich ist. Dieses wird zwischen 20 und 300 ηΐμ betragen, jedoch sollten die am besten durchgeführt, indem das Sol unter eine Teilchen in einzelnen Solen vorzugsweise einheitlicher 15 Verdampfung ausschließenden Bedingungen erhitzt sein, nämlich zwischen 100 und 150 πΐμ oder zwischen wird, um Anionen innerhalb der Mizellen freizu-250 und 300 πΐμ. Der Größenbereich und die Gleich- setzen, worauf die Lösung abgekühlt und mit einem mäßigkeit der Teilchen tragen wesentlich zur Stabili- an sich bekannten Entionisierungsmittel, wie z. B. tat des Endproduktes bei. einem Ionen-Austauscherharz, in Verbindung ge-In order to obtain a metal oxide sol with the required thermal stability and tendency to coat, it is desirable that the initial coated sol is above the generally desired limit of sol particles spherical or mainly spherical of the specific conductivity of about 10 -3 mho / cm. are. Furthermore, the particles must have a limited This concentration of the anions is too high, so that size range. The particle size may require further clarification. This will be between 20 and 300 ηΐμ, but it should be best done by heating the sol under conditions that exclude particles in individual sols, preferably more uniform 15, namely between 100 and 150 πΐμ or between, in order to free anions within the micelles -250 and 300 πΐμ. The size range and the equation, whereupon the solution is cooled and with a moderation of the particles, contribute significantly to the stabilization of deionizing agents known per se, such as. B. contributed to the end product. an ion exchange resin, in connection with

Ein Verfahren zur Herstellung dieser Anfangs- oder 20 bracht wird, um Elektrolyten zu entfernen. Anschlie-Muttersole wurde kürzlich vorgeschlagen. Geeignete ßend muß der pH-Wert wieder auf etwa 7 bis 9,5 einSole können beispielsweise hergestellt werden, indem, gestellt werden, um die Stabilität des mit Siliciumwährend das System auf einer erhöhten Temperatur dioxyd umhüllten Sols, zu verbessern,
gehalten wird, Anionen durch Elektrodialyse allmäh- Die erfindungsgemäß hergestellten Sole können lieh aus verdünnten Metallsalzlösungen entfernt wer- 25 durch Verdampfen auf einen Feststoffgehalt bis zu den oder durch kontrollierte Hydrolyse mit einem 50 % oder mehr konzentriert werden. Diese Sole werhomogenenFäUungsmittel mit anschließender Elektro- den vorzugsweise zu einer Dichte von etwa 1,5 (z. B. lytenentfernung. 1,45 bis 1,55) konzentriert, was beispielsweise zu
One method of making this initial or 20 involves removing electrolytes. Connecting mother brine has recently been proposed. Suitable ßend the pH value must again can be prepared for example to about 7 to 9.5 einSole by made to ensure the stability to improve the silicon While the system at an elevated temperature dioxide coated sol
The sols prepared according to the invention can be removed from dilute metal salt solutions by evaporation to a solids content up to or concentrated by controlled hydrolysis with a 50% or more. This brine is homogeneously concentrated with subsequent electrodes to a density of approximately 1.5 (e.g. lyte removal. 1.45 to 1.55), which for example leads to

Das organische Silikat kann dem Sol ganz oder in einem Gehalt an Metalloxyd von etwa 30% führt, kleinen Anteilen zugesetzt werden, worauf die An- 30 wobei der Siliciumdioxydgehalt weniger als 15% beläge unter Rückfluß so lange erhitzt wird, bis die trägt und das normale Verhältnis von Metalloxyd zu Hydrolyse abgeschlossen ist. Während der Umsetzung Siliciumdioxyd von etwa 2,2:1 verwendet wird. Vordes Siliciumdioxyds mit den Metalloxydteilchen sinkt zugsweise wird während des Verdichtungsvorganges der pH-Wert. In der Praxis kann sich der pH-Wert kontinuierlich frisches Sol zugegeben, um einen Niedem isoelektrischen Punkt des Siliciumdioxyds nähern, 35 derschlag des festen Materials an den Flächen des bewas Schwierigkeiten bei der Erzielung der gewünsch- nutzten Kessels zu vermeiden. Das fertige Sol kann ten Siliciumdioxydumhüllung verursacht. Um Schwie- durch Zugabe von entionisiertem Wasser oder von rigkeiten durch ein Sinken des pH-Wertes unter den Wasser mit geringem Ionengehalt auf jeden beliebigen isoelektrischen Punkt des Siliciumdioxyds zu vermei- geringeren Feststoffgehalt verdünnt werden. Eine den, kann ein schwaches Anionen-Austauscherharz 40 Konzentration kann auch durch Zentrifugieren des zugesetzt werden, um den pH-Wert auf der gewünsch- Sols und Redispergieren der Feststoffe in einer kleiten Höhe zu halten. Nach vollzogener Umsetzung wird neren Menge entionisiertem Wasser erzielt werden,
der pH-Wert des Sols, wie bereits beschrieben, vor- Die hydrothermische Stabilität dieser Sole kann gezugsweise auf 7 bis 9,5 gebracht, um das Sol zu prüft werden, indem man die Sole 300 Stunden in stabilisieren. 45 einem Druckkessel bei Temperaturen von etwa 150
The organic silicate can be added to the sol in whole or in a metal oxide content of about 30%, in small portions, whereupon the components are heated under reflux until the silicon dioxide content is less than 15% and is refluxed until the wear and the normal Ratio of metal oxide to hydrolysis is complete. Silica of about 2.2: 1 is used during the reaction. Vordes Siliciumdioxyds with the Metalloxydteilchen preferably decreases during the compression process of the p H value. In practice, the pH value of the fresh sol Siliciumdioxyds can be continuously added to a Niedem isoelectric point approaching, 35 Derschlag of the solid material on the surfaces to avoid the Bewas difficulties in achieving the desired boiler used. The finished sol can cause silica coating. In order difficulties by adding deionized water or culties by a fall in the p H -value below the water with a low ion content to any isoelectric point of the Siliciumdioxyds diluted to avoid lower solids content. A to, a weak anion exchange resin 40 concentration can also by centrifuging the be added to the pH value at the desired sol, and redispersing the solids to keep in a kleiten height. After the conversion is complete, a smaller amount of deionized water will be obtained,
the pH value of the sol, as already described, pre- The hydrothermal stability of this brine can gezugsweise brought to 7 to 9.5, to the sol to be checked by the brine in 300 hours to stabilize. 45 a pressure vessel at temperatures of about 150

Die Hydrolyse geht zufriedenstellend vonstatten, bis etwa 3000C erhitzt. Sole, welche in wäßrigenThe hydrolysis proceeds satisfactorily vonstatten, heated to about 300 0 C. Brine, which in aqueous

wenn die Temperatur zwischen 70 und 150° C liegt, Homogenreaktoren verwendet werden, müssen beiif the temperature is between 70 and 150 ° C, homogeneous reactors must be used at

jedoch wird eine Temperatur von etwa 100° C durch den Betriebstemperaturen der Anlage, nämlich etwahowever, a temperature of about 100 ° C by the operating temperatures of the system, namely about

Sieden des Sols unter Rückfluß bevorzugt. 3000C, hydrothermisch stabil sein.Refluxing the sol is preferred. 300 0 C, be hydrothermally stable.

Die Anlage wird lange genug erhitzt, um die voll- 50 Besondere Sorgfalt muß angewandt werden, um ständige Hydrolyse des organischen Silikates zu ge- Verunreinigungen durch Elektrolyten auf ein Mindestwährleisten. Die benötigte Zeit hängt offensichtlich maß zu beschränken, wie oben beschrieben wurde, von der Art und Konzentration des Silikates und von Die Konzentration an unerwünschten ionischem anderen Überlegungen ab. Beispielsweise ist im all- Material wird auf bequeme Art durch Bestimmung gemeinen die Hydrolyse von Äthylorthosilikat bei 55 der spezifischen Leitfähigkeit gemessen. Die spezifische 1000C in 10 bis 30 Stunden beendet. Es kann jedes Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Sole wird im allbeliebige organische Silikat verwendet werden, wel- gemeinen unter 10~3 mho/cm gehalten. Die hydroches Siliciumdioxyd während der Hydrolyse frei wer- thermische Stabilität eines gegebenen Sols wird durch den läßt. Geeignete organische Silikate sind Alkyl- Verringerung seines lonengehaltes verbessert; aus Silikate, vorzugsweise mit Alkylgruppen, welche klei- 60 diesem Grunde ist man bemüht, die spezifische Leitner als Butyl sind, damit das Gemisch verhältnismäßig f ähigkeit so niedrig wie möglich zu halten,
leicht hydrolysierbar ist. Die bevorzugte organische Für die vorliegende Beschreibung wird die spezi-Silikatverbindung ist Tetraäthylorthosilikat, welches fische Leitfähigkeit bei 25 0C und bei einer Frequenz leicht erhalten wird und bei einer annehmbaren Ge- von 1000 Perioden unter Verwendung einer Standardschwindigkeit hydrolysiert. 65 leitf ähigkeitsbrücke mit einer in der einen Abzweigung
The system is heated long enough to ensure that the full 50 Special care must be taken to ensure constant hydrolysis of the organic silicate to a minimum. Obviously, the amount of time required depends, as described above, on the type and concentration of the silicate and on the concentration of undesirable ionic other considerations. For example, in all material, the hydrolysis of ethyl orthosilicate is conveniently measured by determining the specific conductivity. The specific 100 0 C ended in 10 to 30 hours. Any conductivity of the sols according to the invention can be used in any organic silicate, generally kept below 10 -3 mho / cm. The hydrochloric silicon dioxide released during hydrolysis, the thermal stability of a given sol, is left through. Suitable organic silicates are alkyl- reducing its ion content improved; made of silicates, preferably with alkyl groups, which are smaller than butyl.
is easily hydrolyzable. The preferred organic For the present description, the specific silicate compound is that fish conductivity at 25 0 C and at a frequency is easily obtained tetraethyl orthosilicate and hydrolyzed at an acceptable overall of 1000 cycles using a Standardschwindigkeit. 65 conductivity bridge with one in one junction

Das Metalloxydsol soll verhältnismäßig dünnflüssig befindlichen Zelle gemessen. Die Zellenkonstante wird sein, um ein gutes und schnelles Mischen zu gewähr- mit einer 0,01normalen KCl-Lösung nach der folgenleisten. Das Verhältnis des Metallsols zum organi- den Gleichung bestimmt (wobei die Leitfähigkeit derThe metal oxide sol should be measured when the cell is relatively thin. The cell constant will to ensure good and rapid mixing with a 0.01 normal KCl solution according to the following. The ratio of the metal sol to the organic equation is determined (where the conductivity of the

KCl-Lösung aus den Leitfähigkeitstabellen genommen wird):KCl solution taken from the conductivity tables will):

K=LKaR,K = L Ka R,

in welcher K die Zellenkonstante in cm"1, R der Brückenwiderstand in Ohm und L die Leitfähigkeit in mho/cm der Standard-KCl-Lösung ist.in which K is the cell constant in cm " 1 , R is the bridge resistance in ohms and L is the conductivity in mho / cm of the standard KCl solution.

Die spezifische Leitfähigkeit L des betreffenden Sols wird bestimmt, indem dessen Widerstand in der gleichen Zelle gemessen und die folgende Gleichung benutzt wird:The specific conductivity L of the sol in question is determined by measuring its resistance in the same cell and using the following equation:

R , R ,

in welcher K die Zellenkonstante in cm"1 und R der Widerstand in Ohm ist.in which K is the cell constant in cm " 1 and R is the resistance in ohms.

Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen wurden nach den üblichen Verfahren hergestellt.The electron micrographs were produced according to the usual methods.

Obwohl nur die Verwendung von Alkalihydroxyd und insbesondere Natriumhydroxyd zum Einstellen des pn-Wertes der Sole erwähnt worden ist, können auch andere Laugen verwendet werden. Die einzige Einschränkung bei der Auswahl dieser Laugen ist jedoch die Tatsache, daß sie aus Elementen mit einem niedrigen thermischen Neutronenquerschnitt bestehen und unter Kernreaktorbedingungen stabil sein müssen.Although only the use of alkali hydroxide and especially sodium hydroxide for setting of the pn value of the brine has been mentioned, other alkalis can also be used. The only However, a limitation in the selection of these alkalis is the fact that they consist of elements with a low thermal neutron cross-section and must be stable under nuclear reactor conditions.

Der Hinweis auf Dispersionen von mit Siliciumdioxyd umhüllten Metalloxydteilchen in Wasser schließt sowohl schweres Wasser als auch natürliches Wasser ein.The reference to dispersions of silica-coated metal oxide particles in water includes both heavy water and natural water.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung.The following examples serve to further illustrate the invention.

Beispiel 1example 1

1760 g Thoriumnitratlösung mit einem Gehalt von 5% Thoriumdioxyd in entionisiertem Wasser wurde in einen beheizten Verdichtungsbehälter gegeben und auf 97 bis 98° C erhitzt. Die Lösung wurde in einer Menge von etwa 60 ml/Min, durch einen Wasserkühler zirkuliert, um die Temperatur auf 30 bis 4O0C zu reduzieren und durch den Kathodenraum einer Zelle geführt, welche durch eine anionendurchlässige Membran unterteilt war. Jeder Elektrodenraum hatte ein Fassungsvermögen von 350 ml und war mit einem Rührwerk versehen. Die auf jeder Seite der Membran angebrachten Platinelektroden hatten von dieser einen Abstand von etwa 3 mm. Die die Kathodenzelle verlassende Lösung wurde durch einen Wärmeaustauscher geleitet, wo sie auf 97 bis 980C erhitzt und dann wieder in den Verdichtungsbehälter zurückgeleitet wurde. Verdampfungsverluste wurden dadurch vermieden, daß man die Zelle mit einem Kondensator ausrüstete und periodisch entionisiertes Wasser zusetzte, um die unvermeidlichen Verluste zu ersetzen. Die Lösung wurde insgesamt 10,5 Stunden umgewälzt mit einer Unterbrechung bei Nacht nach 8 Stunden. Während dieser Zeit ließ man die Lösung auf Zimmertemperatur abkühlen. Während der Elektrodialyse fiel die Stromstärke von etwa 10 auf etwa 0,4 Ampere, während der pH-Wert von 2,7 auf 4,6 anstieg. Das Sol hatte eine Dichte von 1,04 g/ml und wurde durch teilweises Entfernen von Wasser auf eine Dichte von 1,13 konzentriert.1760 g thorium nitrate solution with a content of 5% thorium dioxide in deionized water was placed in a heated compression vessel and heated to 97 to 98.degree. The solution was circulated in an amount of about 60 ml / min through a water cooler to reduce the temperature to 30 to 4O 0 C and passed through the cathode compartment of a cell, which was divided by an anion permeable membrane. Each electrode compartment had a capacity of 350 ml and was provided with a stirrer. The platinum electrodes attached to each side of the membrane were about 3 mm apart. The solution leaving the cathode cell was passed through a heat exchanger, where it was heated to 97 to 98 ° C. and then passed back into the compression vessel. Evaporation losses were avoided by equipping the cell with a condenser and periodically adding deionized water to make up for the inevitable losses. The solution was circulated for a total of 10.5 hours with an interruption at night after 8 hours. During this time the solution was allowed to cool to room temperature. During the electrodialysis, the current strength fell from about 10 to about 0.4 amperes, while the pH value rose from 2.7 to 4.6. The sol had a density of 1.04 g / ml and was concentrated to a density of 1.13 by partially removing water.

250 g dieses Sols mit einem Gehalt von etwa 12% Thoriumdioxyd, welches einen pH-Wert von 4,6 und eine Dichte von 1,13 besaß und aus verhältnismäßig kugelförmigen Teilchen mit einem Durchmesser von250 g of this sol having a content of about 12% Thoriumdioxyd, which had a pH value of 4.6 and a density of 1.13 and made of a relatively spherical particles with a diameter of

ίο etwa 70 πΐμ bestand, wurde in einen Dreihalskolben gegeben, der mit einem Rührwerk, Rückflußkondensator und Thermometer versehen war. Es wurden insgesamt 250 g entionisiertes Wasser und 39,9 g Äthylorthosilikat in den Kolben gegeben, worauf das Gemisch unter Rückfluß etwa 20 Stunden gerührt wurde. Am Ende dieser Periode war der pH-Wert der Lösung auf 2,2 gefallen. Der pH-Wert wurde durch Zugabe von 38 ml lnormalen Natriumhydroxyds auf 9 erhöht. Das Produkt wurde durch Verdampfung auf etwa 130 ml konzentriert, worauf das erhaltene Sol 24 Stunden bei 15O0C in einem Autoklav behandelt wurde; anschließend leitete man es durch ein Mischbett aus Kationen-Anionen-Austauscherharz, stellte den pH-Wert auf 8 ein und konzentrierte das Sol dann auf eine Dichte von 1,5. Der endgültige pH-Wert des Sols betrug 7,9, und die spezifische Leitfähigkeit war 6,14 · IO-4 mho/cm.ίο was about 70 πΐμ, was placed in a three-necked flask equipped with a stirrer, reflux condenser and thermometer. A total of 250 grams of deionized water and 39.9 grams of ethyl orthosilicate were added to the flask and the mixture was stirred at reflux for about 20 hours. At the end of this period, the pH value was the solution to 2.2 liked. The pH value was increased by the addition of 38 ml lnormalen Natriumhydroxyds on. 9 The product was concentrated by evaporation ml to about 130, and the resulting sol was treated for 24 hours at 15O 0 C in an autoclave; then passing it through a mixed bed of cation-anion exchange resin, provided the pH value to 8 and then concentrated, the sol to a density of 1.5. The final pH value of the sol was 7.9 and the conductivity was 6.14 · IO 4 mho / cm.

Beispiel 2Example 2

Es wurden mehrere Versuche durchgeführt, in welchen Äthylorthosilikat hydrolysiert wurde, um eine Siliciumdioxydumhüllung an Thoriumdioxydteilchen zu erzielen.Several attempts were made in which ethyl orthosilicate was hydrolyzed to one To achieve silicon dioxide coating on thorium dioxide particles.

Bei jedem dieser Versuche wurde den durch Elektrodialyse gemäß Beispiel 1 erhaltenen Thoriumdioxydsolen genügend Äthylorthosilikat zugesetzt, um ein Verhältnis von Thoriumdioxyd zu Siliciumdioxyd von 2,2:1 zu erhalten. Das Äthylorthosilikat wurde dem Thoriumdioxydsol langsam unter Verwendung eines Dreihalskolbens als Umsetzungsbehälter, welcher mit einem Rührwerk und Kondensator versehen war, zugesetzt. Um den pH-Wert so nahe wie möglich bei 3 zu halten, wurden während der gesamten Zusetzung von Äthylorthosilikat kleine Mengen Anionenaustauscher-Harz zugegeben, ohne daß jedoch überschüssiges Harz zugesetzt wurde. Das Gemisch wurde auf 8O0C erhitzt und das Harz entfernt, indem es durch Glaswolle filtriert wurde. Das Produkt wurde bei etwa 1000C unter Rückfluß behandelt, gekühlt und der pH-Wert unter Verwendung von lnormalem Natriumhydroxyd auf 9 eingestellt. Elektronenmikroskopische Untersuchungen des im Autoklaven behandelten Sols zeigten, daß sich an der Oberfläche des Thoriumdioxyds einheitliche Siliciumdioxyd-Umhüllungen gebildet hatten. Angaben bezüglich Dauer der Rückflußbehandlung bei Anwesenheit von Äthylorthosilikat, Dauer der Autoklavenbehandlung, Dichte nach der Konzentration und Stabilität der hergestellten Sols bei zwei der durchgeführten Versuche gehen aus der Tabelle hervor.In each of these experiments, sufficient ethyl orthosilicate was added to the thorium dioxide sols obtained by electrodialysis according to Example 1 to obtain a ratio of thorium dioxide to silicon dioxide of 2.2: 1. The ethyl orthosilicate was slowly added to the thorium dioxide sol using a three-necked flask equipped with a stirrer and condenser as a reaction vessel. To keep the pH value as near as possible at 3, small quantities of anion exchange resin were added during the entire clogging of Äthylorthosilikat without, however, excess resin was added. The mixture was heated to 8O 0 C and the resin removed by being filtered through glass wool. The product was treated at about 100 0 C to reflux, cooled, and the pH value using sodium hydroxide lnormalem adjusted to 9. Electron microscopic examinations of the sol treated in the autoclave showed that uniform silicon dioxide coatings had formed on the surface of the thorium dioxide. Information on the duration of the reflux treatment in the presence of ethyl orthosilicate, the duration of the autoclave treatment, density according to the concentration and stability of the sols produced in two of the experiments are shown in the table.

Äthylorthosilikatzugabe
Stunden
Ethyl orthosilicate addition
hours

RückflußReflux

End-pH-WertEnd pH value

AutoklavenbehandlungAutoclave treatment

bei 150° C
Stunden I Dichte Dichte
nach Konzentration
at 150 ° C
Hours I density density
after concentration

Hydrothermische Stabilität,Hydrothermal stability,

stabil für die Dauerstable for the long term

von mindestensof at least

24
16
24
16

2,6
2,2
2.6
2.2

17
17
17th
17th

1,51
1,50
1.51
1.50

205 Stunden bei 250° C
393 Stunden bei 275° C
205 hours at 250 ° C
393 hours at 275 ° C

Diese Angaben zeigen, daß mit Siliciumdioxyd umhüllte und zur Verwendung in Kernreaktoren geeignete Thoriumdioxydsole mit einem hohen Grad an hydrothermischer Stabilität durch Äthylorthosilikat-Hydrolyse hergestellt werden können.These data indicate that silica coated and suitable for use in nuclear reactors Thorium dioxide brine with a high degree of hydrothermal stability through ethyl orthosilicate hydrolysis can be produced.

Beispiel 3Example 3

Die Sole wurden zur Verbesserung ihrer Stabilität nach dem folgenden Verfahren entionisiert und konzentriert. The sols were deionized and concentrated by the following procedure to improve their stability.

Jedes der in der Tabelle angegebenen Sole wurde auf einen pH-Wert von 9 eingestellt und über Nacht unter Rückfluß behandelt. Danach ließ man das Sol abkühlen und führte es zur Entfernung von Elektrolyten durch ein Mischbett-Ionenaustauscherharz. Diese Behandlung führte zu einem Sol mit einer spezifischen Leitfähigkeit im Bereich von etwa 10~3 bis 10-6mho/cm. Diese Sole wurden mit !.normalem Natriumhydroxyd behandelt, damit der pH-Wert auf etwa 8 anstieg, und wurden unter Rückfluß und Ruhren verdampft, bis die Dichte auf 1,3 anstieg. Der pH-Wert wurde mit !.normalem Natriumhydroxyd wieder auf etwa 8 eingestellt, und das Sol wurde weitere 16 Stunden bei einer Temperatur von 150° C in einem Autoklav behandelt. Das Produkt wurde abgekühlt, durch ein gemischtes Kationen-Anionen-Austauscherharz geleitet, auf einen pH-Wert von etwa 8 eingestellt und bei konstantem Volumen unter kontinuierlicher Zugabe von frischem Sol verdampft, bis die Dichte auf 1,5 anstieg; anschließend wurde das Sol durch Glaswolle filtriert.Each of the brine shown in the table was adjusted to a pH value of 9 and treated under reflux overnight. The sol was then allowed to cool and passed through a mixed bed ion exchange resin to remove electrolytes. This treatment resulted in a sol having a specific conductivity in the range of about 10 -3 to 10 -6 mho / cm. These sols were treated with! .Normalem sodium hydroxide so that the pH value increased to about 8, and were evaporated under reflux and stirring, rise to the density to 1.3. The pH value was adjusted with! .Normalem sodium hydroxide back to about 8, and the sol was treated for a further 16 hours at a temperature of 150 ° C in an autoclave. The product was cooled, anion exchange cations passed through a mixed, adjusted to a pH value of about 8 and evaporates at constant volume with continuous addition of fresh sol rise to the density to 1.5; then the sol was filtered through glass wool.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Teilchen vor und nach der Konzentration zeigten, daß die Autoklavenbehandlung den größten Teil des Siliciumdioxyds in eine gleichmäßige Oberflächenschicht auf den Teilchen umgewandelt hatte.Electron micrographs of the particles before and after concentration showed that the Autoclaving most of the silica into an even surface layer converted the particle.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Verfahren zur Herstellung von mit Siliciumdioxyd umhüllten Thoriumoxyd-, Uranoxyd-, Thorium-Uranoxyd- oder Plutoniumoxyd-Solen, welche als Kernreaktorbrennstoff geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem nicht umhüllten Sol organisches Silikat in einer Menge zugesetzt wird, die einem Verhältnis von Metalloxyd zu Siliciumdioxyd zwischen 1:1 und 10 :1, vorzugsweise zwischen 2:1 und 3 :1, entspricht, das Gemisch auf 70 bis 15O0C, vorzugsweise auf etwa 100° C, unter Rückfluß erhitzt wird, bis das organische Silikat hydrolysiert worden ist, wobei der pH-Wert oberhalb des isoelektrischen Punktes des Siliciumdioxyds gehalten wird und das Sol anschließend in an sich bekannter Weise von verunreinigenden Ionen befreit wird.1. A process for the production of silicon dioxide-coated thorium oxide, uranium oxide, thorium-uranium oxide or plutonium oxide sols, which are suitable as nuclear reactor fuel, characterized in that the uncoated sol organic silicate is added in an amount that corresponds to a ratio of metal oxide to silicon dioxide is between 1: 1 and 10: 1, preferably between 2: 1 and 3: 1, corresponding to the mixture at 70 to 15O 0 C, is preferably heated to about 100 ° C, under reflux, hydrolyzed to the organic silicate has been, wherein the pH value is maintained above the isoelectric point of Siliciumdioxyds and the sol is then freed in manner known per se from contaminating ions. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert des erhaltenen umhüllten Sols auf 7 bis 9,5 gebracht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the pH value is brought of the obtained coated sol to 7 to 9.5. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alkylsilikat, in welchem die Alkylgruppen 1 bis 3 Kohlenstoffatome enthalten, insbesondere Tetraäthylorthosilikat, eingesetzt wird.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that an alkyl silicate in which the alkyl groups contain 1 to 3 carbon atoms, in particular tetraethyl orthosilicate, are used will. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erhaltene Sol durch Verdampfung konzentriert wird.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the sol obtained by evaporation is concentrated. © 309 729/294 10.63© 309 729/294 10.63
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