DE1205881B - Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffmaterials - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES -007JW PATENTAMT Int. CL:

C04b

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 80 b-8/10

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1205 881
U7022VIb/80b
30. März 1960
25. November 1965

Die Erfindung bezieht sich auf Kernbrennstoff und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoff in Form eines innig von Kohlenstoff umschlossenen kleinen Teiles eines spaltbaren Brennstoffs. Spaltbares Material oder energieliefernder Stoff wird nachstehend als Kernbrennstoff bezeichnet.

Bekanntlich ist für Hochtemperaturreaktoren vorgeschlagen worden, den Brennstoff entweder als Dispersion des Brennstoffmaterials in einer Metallmatrix oder als Dispersion des Brennstoffs in einer Graphitmatrix vorzusehen. Unglücklicherweise muß man dann, wenn der Brennstoff von derjenigen Gattung ist, die eine Metallmatrix hat, unbedingt sicherstellen, daß eine gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs durch die bzw. in der Matrix besteht, und dies ist nicht leicht zu erreichen. Demzufolge ist es in der Druckschrift »Industrial Engineering Chemistry«, 51, S. 1391 (1959) vorgeschlagen worden, das Kernbrennstoffmaterial einem vorherigen Metallüberzugsverfahren durch die thermische Zersetzung von Wolframhexachlorid auszusetzen, so daß, wenn die mit Metallüberzug versehenen Teilchen zusammengepreßt werden, der metallische Überzug eine zusammenhängende Matrix bildet. Für viele Zwecke, hauptsächlich bedingt durch die Verträglichkeit, wird es jedoch vorgezogen, eine Graphitmatrix für den Brennstoff zu verwenden; aber es hat sich herausgestellt, daß die Graphitmatrix nicht undurchdringlich für die Spaltprodukte des Brennstoffs ist. Aus diesem Zusammenhang heraus entstand die vorliegende Erfindung, und sie basiert auf der Erkenntnis, daß ein Überzug von pyrolytischem Kohlenstoff relativ undurchdringlich für Spaltprodukte ist. Es verdient Beachtung, daß pyrolytischer Kohlenstoff die Form des Kohlenstoffs ist, die durch die thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffgasen erzeugt wird, wobei bekannt ist, daß Kohlenwasserstoffgase durch Wärme zersetzt werden können, um einen Überzug dieses pyrolytischen Kohlenstoffs zu ergeben (vgl. zum Beispiel deutsche Patentschrift 402 153).

Ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoff nach der Erfindung besteht darin, daß die Teilchen eines Karbids eines Kernbrennstoffmetalls mit Kohlenwasserstoffgas bei einer Temperatur in Berührung gebracht werden, die höher ist als diejenige, bei der Kohlenstoff durch Pyrolyse auf der Oberfläche der Teilchen niedergeschlagen wird und unter derjenigen liegt, bei welcher eine übermäßige Massenpolymerisation des Gases stattfindet. Ein bevorzugtes Kohlenwasserstoffgas ist Propan, für das die unterste Temperatur, bei der ein Niederschlag durch Pyrolyse an Verfahren zur Herstellung eines
Kernbrennstoffmaterials

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,

London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,

Siegen, Eisernerstr. 227

Als Erfinder benannt:

Roy Alfred Ulfketel Huddle, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 31. März 1959 (10 950)

der Oberfläche der Teilchen im praktischen Ausmaß stattfindet, ungefähr 775° C beträgt. Ein anderes geeignetes Gas ist Benzol. Die maximale Temperatur hängt davon ab, welches Ausmaß der Massenpolymerisation des Gases in dem jeweiligen Apparat zugelassen werden kann, ohne daß sich der Apparat mit polymeren Produkten verstopft. In dieser Beschreibung ist mit übermäßiger Massenpolymerisation diejenige Menge gemeint, die den einwandfreien Betrieb des jeweiligen Kontaktpaares beeinträchtigt. Bei Verwendung von Propan in dem besonders hier als Beispiel beschriebenen Versuchsapparat wird bei etwa 900° C die Massenpolymerisation übermäßig.

Das Inb*erührungbringen kann in jeder bekannten Weise erfolgen, etwa in einem Fließbett oder in einer Wälztrommel, die auf die Reaktionstemperatur erwärmt werden können. Es kann zweckmäßig und als Vorverfahren vorteilhaft sein, Teilchen eines Kernbrennstoffmaterials in demselben Behälter oder Bett in Karbidteilchen umzuwandeln, in dem der Niederschlag durch Pyrolyse erfolgt, in welchem Fall das Kohlenwasserstoffgas ebenfalls vorhanden sein kann, um eine Oxydation des Metalls zu verhindern, bis die Karbonisiertemperatur erreicht wird.

Die durch das Verfahren nach der Erfindung gewonnenen, mit Kohlenstoff überzogenen Karbidteilchen können allein als Kernbrennstoff in einem Graphit- oder in einem anderen geeigneten Behälter mit geringer Neutronenabsorption verwendet werden,

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oder aber zu künstlichen Gegenständen oder Form- üblicher Wasserstoff wurde dann in den Ofen geleitet, stücken, wie Röhrchen, Scheiben oder Stäbchen, mit bis nach etwa einer Stunde sich das gesamte Metall

Hilfe eines Binde- oder Trägermaterials wie ultra- in Hydrid verwandelt hatte,

feinem Graphitpulver gepreßt werden. Der Ofen wurde dann wieder evakuiert und die

Das Inberührungbringen der Metall- oder Karbid- 5 Temperatur auf 480° C gesteigert, bis das gesamte teilchen mit dem Kohlenwasserstoffgas kann in jedem Hydrid sich zersetzt und feinverteiltes metallisches geeigneten bekannten Apparat erfolgen. Bei den Uranpulver gebildet hatte. Die Temperatur wurde nachfolgenden, beispielsweise angegebenen Verfah- dann auf 500° C erhöht, Propan eingeleitet und die ren nach der Erfindung wurde das Inberührungbrin- Temperatur auf 700° C gesteigert. Auf diesem Wert gen durchgeführt, indem die Teilchen in einem rohr- io blieb sie 3 Stunden lang, bis die Charge in pulvriges förmigen Graphitbehälter umgewälzt wurden, der in Urankarbid umgewandelt worden war. Dieses Karbid einem elektrischen Ofen gedreht werden konnte und wurde dann in der gleichen Weise wie das pulvrige Anschlüsse mit drehbaren Dichtungen zur Durch- Uranmetall in dem erstbeschriebenen Verfahren geleitung von Gas an den Enden hatte. Das bei den siebt und der ausgewählte Teil in die zuvor beschrie-Versuchen verwendete Gefäß hatte einen Innen- 15 bene Wälztrommel gefüllt. Die Trommel wurde in durchmesser von etwa 3 cm und war 15 cm lang. Die den Ofen eingebracht, Propan wurde zugelassen und Innenfläche war mit Längsnuten zur Unterstützung die Trommel gedreht, wie oben beschrieben,
der Umwälzwirkung versehen, die mit etwa 14 Um- Die Herstellung von Kernbrennstoff gemäß der Erdrehungen pro Minute erfolgte. Das Gewicht der findung wurde dann ausgeführt, indem die Trommel Charge betrug 30 bis 40 g. 20 48 Stunden lang auf 850° C erhitzt wurde, während

Um Urankarbidteilchen herzustellen, die für die der Inhalt in einem Propanstrom umgewälzt wurde. Behandlung zur Herstellung von Kernbrennstoff ge- Nach dem Abkühlen wurde die Charge durch eignet sind, wurde folgendes Verfahren verwendet: Röntgenphotographie untersucht, und es wurde fest-Kalziumreduziertes Uranmetallpulver wurde ge- gestellt, daß die Urankarbidteilchen etwas stärker siebt und hiervon ein Teil mit einer Korngröße von 25 mit Kohlenstoff von Graphitstruktur überzogen 0,111 bis 0,047 mm bzw. von einer Korngröße ge- waren als die Teilchen, die nach dem im vorstehenmäß der britischen Standardsiebnummer 140, jedoch den zuerst beschriebenen Verfahren hergestellt wurvon einer größeren Korngröße, als der Siebnummer den. Jedes Teilchen enthielt etwa 44 Gewichtsprozent 325 entspricht, ausgewählt. freien Kohlenstoff und 3% in Form von karbid-

Der ausgewählte Teil wurde in Salpetersäure ge- 30 gebundenem. Der Rest bestand aus Urankarbid, währeinigt, in Wasser und danach in Aceton gewaschen rend kein freies Uran vorhanden war. Die Dichte der und dann getrocknet. Teilchen betrug etwa 4,2 g pro Kubikzentimeter.

Etwa 35 g des so gewonnenen Pulvers wurden in Es wird angenommen, daß der unterschiedliche die oben beschriebene Wälztrommel gefüllt, die Gewichtsprozentsatz des reinen Kohlenstoffs und der Trommel in den Ofen gebracht und an eine handeis- 35 entsprechende Unterschied in der Dichte bei den beiübliche Propanflasche angeschlossen. Das Gasredu- den Beispielen auf einen Unterschied der mittleren zierventil wurde so eingestellt, daß eine Strömung Teilchengröße der Urankarbidteilchen zurückzufühvon etwa 4 bis 5 cbm pro Sekunde entstand, und die ren ist, auf welche der Kohlenstoff niedergeschlagen Trommel mit etwa 14 Umdrehungen pro Minute ge- wurde. Stärkere Überzüge können dadurch gewonnen dreht. 4° werden, daß die Niederschlagsdauer verlängert und/

Dann wurde der Ofen eingeschaltet, und die Tem- oder die Temperatur in bezug auf die Wirkung der

peratur stieg auf etwa 700° C in 2 bis 2V2 Stunden an. Gasphasenpolymerisation erhöht wird. Dadurch

Diese Temperatur wurde etwa 2 Stunden lang auf- kann das Verhältnis des Kernbrennstoffs in bezug auf

rechterhalten, nach welcher Zeit praktisch die ge- die Graphitmenge in dem Endprodukt entsprechend

samte Charge in Urankarbid umgewandelt worden 45 der Stärke der Endschicht und auch entsprechend

war. der angewandten Bindemittelmenge reguliert werden,

Um Kernbrennstoff gemäß der Erfindung herzu- wenn, wie beim nächsten Verfahrensbeispiel, die bestellen, wurde die Temperatur dann weiter auf etwa schichteten Teilchen zu künstlichen Formstücken 850° C erhöht und etwa 48 Stunden lang auf diesem verpreßt werden.

Wert gehalten. In dieser Zeit schlug sich der Kohlen- 5° Das folgende Verfahren ist zur Herstellung der-

stoff durch Pyrolyse auf den Karbidteilchen nieder. artiger Formstücke angewandt worden:

Nach dem Abkühlen wurde die Charge durch Die beschichteten Karbidteilchen, die nach den

Röntgenphotographie untersucht, wobei festgestellt beiden im vorstehenden beschriebenen Verfahren

wurde, daß sie aus Urankarbidteilchen bestand, die hergestellt wurden, wurden je mit einem sehr feinen

mit Kohlenstoff von Graphitstruktur überzogen 55 Graphitpulver (DAG 621 von der Firma Achesons

waren. Alle Teilchen enthielten etwa 36 Gewichts- hergestellt) im Gewichtsverhältnis 1: 9 gemischt. Die

prozent freien und 3% als Karbid gebundenen Koh- Mischungen wurden kalt in Formen mit einem Druck

lenstoff, während der Rest aus Urankarbid bestand von 21,5 t pro Quadratzoll (3150 kg pro Quadrat-

und kein freies Uran vorhanden war. Die Dichte der Zentimeter) zu Röhrchen von V2Z0II (12 mm) Außen-

Teilchen betrug 6,1 g pro Kubikzentimeter. 60 durchmesser, ¹U Zoll (6 mm) Innendurchmesser und

Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Uran- Vs Zoll (12 mm) Länge gepreßt,

karbidteilchen war folgendes: Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß jedes

Uranmetallspäne oder -feilicht wurde in Salpeter- Karbidteilchen mit Kohlenstoff von Graphitstruktur

säure gereinigt, erst in Wasser, dann in Aceton ge- überzogen wird, dessen Molekularstruktur derart ist,

waschen und getrocknet. 65 daß das Entweichen von Spaltprodukten auf ein

Das gereinigte und getrocknete Metallfeilicht Minimum beschränkt wird, wobei die Schichtebenen wurde in eine Graphitschale gefüllt und in einem der Struktur parallel zur Oberfläche des Karbidteil-Vakuumofen auf etwa 250° C erhitzt. Handels- chens ausgerichtet sind.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffmaterials mittels Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen eines oder mehrerer Karbide eines spaltbaren Metalls mit dem Kohlenwasserstoffgas bei einer Temperatur in Berührung gebracht werden, bei welcher Kohlenstoff auf der Oberfläche der Teilchen abgelagert wird und eine Schale aus Kohlenstoff bildet, die aus parallel zur Oberfläche der Karbidteilchen ausgerichteten abgelagerten Schichten besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Propan und die Temperatur niedriger als 775° C ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 402153;
Bericht des Batelle Memorial Inst. Nr. 1297 vom ίο Oktober 1958;

Ind. Eng. Chemistry 51, 1391 ff. (1951).

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