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Verfahren zur Herstellung von Actinidcarbid Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von Actinidcarbid unter Umsetzung eines Oxydes des
Actinides mit Kohlenstoff, wobei man die Reaktionsteilnehmer in stöchiometrischen
Anteilen innig mischt und durch eine Inertgas-Plasmaflamme mit einer Temperatur
im Bereich von 10 000 bis 13 000° C führt. Insbesondere betrifft die Erfindung die
Herstellung eines Produktes aus im wesentlichen gleichmäßigen und kugelförmigen,
nicht pyrophoren Urancarbidteilchen, die sich für den Einsatz in einem Kernreaktor
eignen.
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Actinidcarbide, wie Urancarbid, Plutoniumcarbid und Thoriumcarbid,
erscheinen auf Grund ihrer Eigenschaften für den Einsatz im Kernreaktor lohnend.
Im Vergleich mit den Metallen Uran, Plutonium und Thorium ist ihre physikalische
Struktur viel weniger gegen Strahlungsschäden empfindlich, und sie zeigen auch nicht
das Strahlungswachstum, das einen großen Mangel metallischer Brenn- und Brutmaterialien
darstellt. Im Vergleich mit den Oxyden der gleichen Metalle besitzen die Carbide
eine größere Dichte, was ihren Einsatz in Reaktorkernen oder Brutelementen erlaubt,
die gedrungener als bei Verwendung von Oxyden gebaut sein können.
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Die Umwandlung eines Actinidoxydes in das entsprechende Carbid bietet
keine Schwierigkeiten theoretischer Art; es ist allgemein anerkannt, daß sie nach
einer einfachen Gleichung abläuft, wobei die Gleichung für die Umwandlung des Urandioxydes,
die typisch ist, folgendermaßen lautet:
Trotz der scheinbaren Einfachheit bietet die obengenannte Reaktion praktisch einige
sehr erhebliche Schwierigkeiten. Es ist nicht einfach, den vollständigen Reaktionsablauf
zu erzwingen, so daß oft in dem Endprodukt etwas Urandioxyd zurückbleibt, .was bei
Kernreaktoren, bei denen Materialien sehr hohen Reinheitsgrades benötigt werden,
um den scharfen Anforderungen des Reaktorbaus zu genügen, bedenklich ist.
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Bei den heute bekannten Verfahren zur Durchführung der obengenannten
Reaktion schwanken die Teilchengröße und -form des Carbidproduktes beträchtlich,
was ebenfalls für den Einsatz im Reaktor einen Nachteil darstellt. Im allgemeinen
liefern diese Verfahren ziemlich große Massen, die man zerstoßen oder sonstwie einer
Zerkleinerung unterwerfen und dann klassieren muß, um sowohl zu große als auch zu
kleine Teilchen zu entfernen.
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Diese Zerstoß- und Klassierarbeiten liefern zwar ein Produkt recht
gleichmäßiger Größe, können aber weder irgendwie der auf dem Vorliegen von nicht
umgesetztem Urandioxyd beruhenden Ungleichmäßigkeit der Zusammensetzung abhelfen
noch die Teilchen kugelförmig machen. Sie sind ihrer Natur nach kostspielig, und
ihre Kosten werden dadurch noch erhöht, daß das Zerstoßen zwangläufig zu einer gewissen
Menge an Carbidfeinstoffen führt, die pyrophor sind, und die größeren Teilchen neigen
selbst nach dem Klassieren dazu, staubig zu sein, und müssen gewaschen werden, um
die Feinstoffe vollständig zu entfernen. Arbeiten mit diesen Stoffen müssen dementsprechend
in einer inerten Atmosphäre, wie einem Arbeitskasten, durchgeführt werden.
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Alle Verfahren zur Herstellung von Carbiden der genannten Klasse arbeiten
schließlich vergleichsweise langsam und müssen diskontinuierlich durchgeführt werden;
sie sind daher kostspieliger als ein vergleichsweise rasch arbeitendes, kontinuierliches
Verfahren.
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Die Erfindung gestattet ein Actinidcarbid herzustellen, das aus Teilchen
im wesentlichen gleichmäßiger Größe und kugelförmiger Gestalt besteht, von nicht
umgesetztem Actinidoxyd im wesentlichen frei ist und durch das Fehlen von pyrophoren
Feinstoffen und des Staubigseins stabil ist, insbesondere ein Urancarbid aus Teilchen
im wesentlichen gleichmäßiger Größe und kugelförmiger Gestalt, das von nicht umgesetztem
Urandioxyd im wesentlichen frei ist. Sie ermöglicht die Herstellung solcher Produkte,
ohne daß wegen eines Staubigseins oder des Vorliegens von pyrophoren Feinstoffen
ein Arbeitskasten
angewandt werden muß, und insbesondere in einem
kontinuierlichen, vergleichsweise raschen Verfahren.
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Die Ziele der Erfindung werden verwirklicht, indem man Actinidoxyd
und Kohlenstoff in der Umgebung eines erhitzten, inerten Gases bei einer Temperatur
im Bereich von 10 000 bis 13 000° C durchführt, wobei im wesentlichen kugelförmige
Teilchen aus Actinidcarbid erhalten werden, die eine im wesentlichen gleichmäßige
Größe aufweisen und von Actinidoxyd oder anderen Verunreinigungen im wesentlichen
frei sind. Die Kugelform der Teilchen verkleinert die Oberfläche des Urancarbides
auf ein Minimum, wodurch das Produkt nicht pyrophor und beständig ist.
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Die Durchführung der Reaktion in dieser Umgebung erfordert nur einen
Bruchteil einer Sekunde. Man kann eine solche Umgebung im Betrieb der im Handel
verfügbaren plasmabildenden Flammvorrichtungen oder Plasmakanonen erhalten, bei
denen ein Gasstrom von einer elektrischen Entladung zwischen zwei dem Gasstrom benachbart
angeordneten Elektroden erhitzt wird.
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In der Zeichnung ist, zum Teil im Schnitt, eine plasmaflammenbildende
Vorrichtung mit Hilfsbehältern zur Durchführung der Erfindung dargestellt, wobei
1 das Plastgehäuse der plasmaflammenbildenden Vorrichtung, 2 einen Kühlwassereinlaß
und 3 einen Kühlwasserauslaß bezeichnet. .Durch die Leitung 4 wird ein beliebiges
inertes Gas, wie Argon, Helium od. dgl., zugeführt, wobei das Argon bevorzugt wird.
Die Vorderelektrode 5 aus leitfähigem Material, das hochtemperaturfest ist, und
die verstellbare Hinterelektrode 6 werden an eine (nicht eingezeichnete) Stromquelle
angeschlossen. Die Hinterelektrode ist hinten mit einer Stange 7 vereinigt, deren
Außengewinde 8 mit dem Innengewinde 9 eines Isolierknopfes 10 im Eingriff
steht. Durch Drehung des Stellknopfes 11, der über die Stange 7 mit der Stange 12
verbunden ist, läßt sich die Hinterelektrode in dem zylindrischen Entladungstunnel
13 in Längsrichtung verstellen, wodurch der Betrag der Entladung zwischen
den Elektroden 5 und 6 geregelt und hierdurch wiederum die Temperatur des Tunnels
13 und der aus ihm durch die Austrittsöffnung 15 in der Elektrode 5 austretenden
Plasmaflamme 14 beeinflußt wird. Die zweite, die Temperatur beeinflussende
Veränderliche besteht in der Geschwindigkeit, mit welcher das Gas aus der Kammer
16 durch den Tunnel 13 strömt. Das Kühlwasser fließt durch den den Tunnel
umgebenden Wasserkanal 17.
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Der zur Injektion des Pulvers dienende Einlaß 18 ist über eine Leitung
20 mit dem Trichter 19 verbunden. Unter der Wirkung des Vibrators 21 fließt das
Pulver 22, ein Gemisch aus Aetinidoxyd und Kohlenstoff, aus dem Trichter
19 durch die Leitung 20 und den Durchlaß 23 so in die Elektrode 5,
daß es in den Entladungstunnel 13 eine kurze Strecke hinter der Austrittsöffnung
15 eintritt. Die Flamme 14 erzeugt in einer dem Venturieffekt ähnlichen Weise eine
Saugwirkung, durch welche das Pulver 22 vollständig in den Tunnel 13 eintritt, wobei
die Flamme 14 das ankommende Pulver 22 im Tunnel vollständig einschließt und im
wesentlichen vollständig zur Flammenspitze 24 trägt, aus welcher ein Strom
der vollständig umgesetzten, im wesentlichen gleichmäßigen und kugelförmigen Teilchen
25 des Actinidcarbides gemäß der Erfindung austritt. Die Teilchen 25 werden von
einem Schacht 26 in den Behälter 27 geführt und sammeln sich an dessen Boden. Die
Atmosphäre in dem Behälter 27 wird ebenfalls von einem inerten Gas gebildet, wodurch
eine Oxydation der Teilchen 25, die sonst auf Grund ihrer erhöhten Temperatur eintreten
würde, verhindert wird.
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Zur Erregung der elektrischen Entladung zwischen den Elektroden 5
und 6 dient ein Erreger 28, der einen Kondensator enthält, oder eine ähnliche Vorrichtung.
Der Erreger ist an die obengenannte Stromquelle angeschlossen. Ein Einwegventil
29 erlaubt den Austritt von überschüssigem Gas aus dem Behälter 27 in die
Atmosphäre.
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Bei der Durchführung der Erfindung wird das Pulver 22 vorzugsweise
wie folgt hergestellt: Man mischt feines Kohlenstoffpulver von weniger als 1 g Korngröße
in stöchiometrischen Verhältnissen mit dem Actinid. Bei reinem Urandioxyd würde
das Molverhältnis 3 : 1 betragen, aber da das Urandioxyd des Handels leicht unstöchiometrisch
ist, soll eine kleine, entsprechende Abänderung des Verhältnisses erfolgen. Der
Kohlenstoff kann jeder im wesentlichen reine Kohlenstoff, wie Gasruß, »Channel«-Ruß
u. dgl., sein. Das Mischen wird vorzugsweise auf einer Kugelmühle etwa 2 Stunden
in Alkohol durchgeführt. Vorzugsweise wird vor dem Mischen eine kleine Menge, wie
3%, eines organischen Bindemittels, wie festes Polyäthylenglykol, zugesetzt. Man
entnimmt das Gemisch dann aus der Mühle, dampft es teilweise ein und preßt aus dem
erhaltenen Kuchen kleine Pellets, wie Zylinder von 13 mm Durchmesser und 13 mm Höhe,
die hierauf zerstoßen und klassiert werden. Eine Korngröße des erhaltenen, als Ausgangsmaterial
einzusetzenden Pulvers 22 von <0,15, >0,074 mm (-100, +200 Maschen) wird bevorzugt.
Man kann auch beliebige andere Verfahren zum innigen Mischen stöchiometrischer Anteile
an Kohlenstoff und Actinidoxyd einsetzen, die ein Pulver brauchbarer Korngröße und
Fließeigenschaften ergeben.
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Es hat sich gezeigt, daß die Temperatur der Plasmaflamme recht kritisch
ist und im Bereich von 10 000 bis 13 000° C liegen muß, um Teilchen mit den obengenannten
gewünschten Eigenschaften zu liefern, d. h. einer wesentlichen Gleichmäßigkeit in
bezug auf chemische Zusammensetzung und Teilchengröße und von im wesentlichen Kugelform.
Die Plasmaflamme, durch welche das Material geführt wird, soll von der Austrittsöffnung
15 bis zur Spitze 24 eine Länge von etwa 173/4 bis 251/z cm, vorzugsweise
von etwa 251/z cm haben, und das inerte Gas, wie Argon, soll in die Plasmaflammvorrichtung
in einer Menge von etwa 0,00064 bis 0,0032 kg/Sek. bei einer Austrittsöffnung von
6,4 mm eingeführt werden. Aus nicht völlig geklärten Gründen wirkt eine kleinere
Menge Wasserstoff von weniger als 1 Volumprozent, die dem inerten Gas zugesetzt
wird, als Promotor, der die Herbeiführung des vollständigen Ablaufens der Reaktion
zwischen dem Kohlenstoff und dem Oxyd unterstützt.
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Beispiel 12 g eines im wesentlichen reinen Gasrußes mit einer Korngröße
kleiner als 1 u und 88 g Urandioxyd des Handels von 1 bis 5 u Korngröße mit 3 Gewichtsprozent
festem Polyäthylenglykol werden auf einer Kugelmühle 2 Stunden in Alkohol gemischt.
Man trocknet das erhaltene Gemisch auf die Konsistenz eines dicken Mörtels, verpreßt
es zu zylindrisehen
Pellets von 13 - 13 mm und trocknet die Pellets
in einem Ofen bei 850°C vollständig. Die Pellets werden dann in einem Mörser zerstoßen
und die erhaltenen Teilchen durch ein Sieb von 0,15 mm Sieböffnung (100 Maschen)
geführt, wobei man die das Sieb nicht passierenden Teilchen verwirft, und hierauf
durch ein Sieb von 0,074 mm Sieböffnung (200 Maschen), wobei die das Sieb passierenden
Feinstoffe verworfen werden.
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Die Teilchen (Korngröße <0,I5 mm, >0,074 mm) werden dann in den
Trichter einer Vorrichtung der in der Zeichnung dargestellten Art eingegeben und
durch eine Austrittsöffnung von 6,4 mm Durchmesser durch eine Argon-Plasmaflamme
von 25,4 cm Länge und 13 000° C hindurchgeführt. Das Argon wird in die Plasmaflammvorrichtung
mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,0020 kg/Sek. eingeführt; der Lichtbogen zwischen
den Elektroden der Plasmaflammvorrichtung wird mit einem Dreiphasenstrom gebildet.
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Am Boden des Behälters 27 wird ein Gemisch im wesentlichen kugelförmiger
Teilchen aus im wesentlichen reinem UC erhalten. Die Teilchengröße ist im wesentlichen
gleichmäßig (<0,125, >0,05 mm). Feinstoffe liegen nicht vor, und die Teilchen
sind an der Luft beständig und nicht pyrophor.