DE1227877B - Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffcarbiden - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

COIb

Deutsche Kl.: 12 i- 31/30

Nummer: 1227 877

Aktenzeichen: E 29420IV a/12 i

Anmeldetag: 1. Juni 1965

Auslegetag: 3. November 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffcarbiden, beispielsweise Urancarbid, bei welchem in bekannter Weise ein Kembrennstofihalogenid mit Kohlenstoff und einem reduzierenden Metall oder mit einem Carbid eines solchen Metalls umgesetzt wird.

Bekanntlich stellt man beispielsweise Urancarbid calciothermisch oder magnesiothermisch aus Urantetrafluorid in Gegenwart von Kohlenstoff her. Bei solchen Reaktionen erhält man meistens ein noch stark verunreinigtes pulverförmiges und stark pyrophores Urancarbid. Die Verunreinigungen durch CaF₂ oder MgF₂ sind ferner nur wenig flüchtig und lassen sich nur im Vakuum bei hoher Temperatur aus dem Urancarbid abscheiden.

Es wurde gefunden, daß sich bessere Ergebnisse durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Aluminium als reduzierendes Metall erzielen lassen. Bei Urantetrafluorid gelten folgende Reaktions- · gleichungen:

Verfahren zur Herstellung von
Kernbrennstoffcarbiden

1. 3UF₄ + Al₄C₃-

2. 3UF₄+ 4Al+ 3C-

■ 3UC + 4AlF₃ -3UC+ 4AlF₃

Bei diesen Reaktionen erhält man ein Urancarbid mit einem nahe dem theoretischen Wert von 4,8% liegenden Kohlenstoff anteil, während sich das erzielte Aluminiumfluorid leicht abtrennen läßt.

Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Urancarbid beschränkt, da entsprechende Reaktionen zur Herstellung von anderen Kernbrennstoffcarbiden, wie Plutonium- oder Thoriumcarbid, und ausgehend von anderen Kernbrennstoffhalogeniden, wie Urantetra- und -trichlörid, möglich sind.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung geht man vorzugsweise von einem Reaktionsgemisch aus, das das Metallfluorid, z. B. Urantetrafluorid und Graphit in stöchiometrischem Verhältnis, sowie einen Aluminiumüberschuß von 30 bis 40 Gewichtsprozent enthält. Durch diesen Aluminiumüberschuß, der während und nach dem Reaktionsvorgang durch Verdampfung des Aluminiums als solches oder als Halogenid verschwindet, entsteht ein Urancarbid mit einer besseren Struktur als bei Gegenwart des Aluminiums in ebenfalls stöchiometrischer Menge.

Das Gemisch der Ausgangsstoffe für die Reaktion wird in einer neutralen Gasatmosphäre hergestellt. Zum Erzielen eines homogenen Carbids ist ein gründliches Vermischen der einzelnen Bestandteile erforderlich. Die Tatsache, daß Urantetrafluorid nicht hygroskopisch ist, gewährleistet, daß sich das Ausgangsmaterial gut verarbeiten bzw. behandeln Anmelder:

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM),
Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, Patentanwälte,

Berlin-Dahlem, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:
Pierre Beucherie, Biandrono (Italien);
Maurice Payrissat, Toulouse (Frankreich);
Dr. Joseph Gerard Wurm, Varese (Italien)

Beanspruchte Priorität:

Belgien vom 1. September 1964 (2500)

läßt. Ein Oxydieren zu Oxyfluorid ist nicht zu befürchten, und in dem erhaltenen Produkt ist kein Uranoxid vorhanden.

Es werden gute Ergebnisse erzielt, indem man die pulverigen Ausgangsstoffe in bekannter Weise vorher in die Form von Tabletten preßt. Das unter diesen Bedingungen erhaltene Carbid ist kein pyrophores Pulver, sondern es hat die Form von gesinterten Tabletten mit guten mechanischen Eigenschaften, die sich ohne besondere Vorkehrungen bei weiteren bekannten Verfahren, beispielsweise beim Sintern oder Schmelzen durch Elektronenbeschuß, HF-Induktionsschmelzen oder Schmelzen im Lichtbogen behändem bzw. verarbeiten lassen. Das Tablettieren erfolgt in einer Vakuumpresse (15 t/cm²) zum Erhalten eines einwandfrei agglomerierten Ausgangsmaterials. Vorzugsweise verwendet man zur Erleichterung des Tablettierens in bekannter Weise ein Bindemittel. Für diesen Zweck hat sich eine 5%ige Lösung von Kampfer in Methanol als geeignet erwiesen.

Die erhaltenen Tabletten werden dann in einen Reaktionstiegel aus Graphit eingebracht und vorher zum Entfernen des Bindemittels im Vakuum entgast. Die Erwärmung wird während der Reaktion in einer Atmosphäre aus gereinigtem Argon und später während des Entfernens des entstandenen Aluminiumtrifluorids und des Aluminiumüberschusses im Vakuum durchgeführt. Vorzugsweise erhitzt man in

609 709/284

Claims (1)

1. 3 4

   einem Vakuumofen, wobei die Erhitzung in bekann- -; Die erfindungsgemäß . durch :, carbothermisehe ter Weise mit Hochfrequenzstrom mit Hilfe eines Reduktion von Kernbrennstoffhalogeniden mit AIuden Graphittiegel umgebenden Feldkonzentrators minium in Gegenwart von Kohlenstoff erzielten Carerfolgt. Die Reaktion findet im wesentlichen bei bide haben gegenüber durch Reduktion der Oxide 1200 bis 1250⁰C statt und dauert 3 bis 4 Stunden. 5 erzielten Carbiden den Vorteil, daß sie sehr -nied-Es hat sich gezeigt, daß die Reaktion in drei Stadien rige Anteile an Sauerstoff, Stickstoff und freiem abläuft. Das erste Stadium beginnt bereits bei niedri- Kohlenstoff aufweisen. Außerdem sind bei dem Vergerer Temperatur (60.0°. C), im. Verlauf dessen UF_? fahren nach der Erfindung weniger Reaktionsstufen gebildet wird, das in einem zweiten, Stadium bei erforderlich als beispielsweise bei der Herstellung höherer Temperatur-jia -Uran. pnd Urantetrafluorid io des Carbids aus dem Oxid. Das Verfahren nach der zerfällt (Dismutation.). Das entstandene freie Uran Erfindung ist äußerst zweckdienlich zur Herstellung reagiert mit Kohlenstoff unter Bildung des gewünsch- von angereichertem Urancarbid, da man bei den übten Carbids. Das Entfernen der entstandenen Alumi- liehen Anreicherungsvorgängen Uranhexafluorid erniumflu_oridkruste_und jlejL Aluminiumüberschusses hält,, das sich auf einfache Weise in Tetrafluorid beginnt bei 1300° C und hält im Vakuum bis 15 umwandeln läßt.

   1600° C an. Die 4ufrechterhaltung. .einer erhöhten Die Anwendung von Aluminium als reduzierendes Temperatur am Ende der Reaktion, "fördert außer- Metall hat gegenüber der Verwendung von Calcium dem eine starke Agglomeration der Teilchen und oder Magnesium de» Vorteil, daß das erhaltene. Alueinen Sintervörgang des erhaltenen Urancarbids. miniumhalogenid flüchtiger, ist als die entsprechen^ Wider Erwarten hat das erhaltene Urancarbid eine 20 den Calcium- oder-. Magnesiumhalogenide,.Äußere zu seiner weiteren Bearbeitung ausreichende mecha- dem läßt sich Aluminium gut reinigen, in-Pulverform nische Festigkeit, das in Luft nicht spontan ent- bringen und pressen.

   flammt. Das erhaltene Carbid läßt sich in üblicher - - - . - > ■■- ■ -·....

   Weise durch Sintern und durch Schmelzen mit Hilfe .. . Patentansprüche: , ,'.,Z

   von Elektronenbeschuß in .einem Lichtbogen oder 25 .1. Verfahren zur Herstellung von Kernbrenn-

   durch HF-Induktionserhitzung bearbeiten. stoffcarbiden, bei welchem ein Kernbrennstoff-

   „ . , τ, , .. r j τ-_c j , · , halogenid mit Kohlenstoff und einem reduzieren-

   • τί κ? f ff?' Erfindung erhielt man _deQ ^₁ ^;^ ^ _Carbid ^_n ^

   em Urancarbid mit folgender Zusammensetzung: _mms ^^_gebracht ^^ _da._durch

   Gesamt-Urananteil 95 bis 95,2% 30 gekennzeichnet, daß man als reduzieren-

   Gesamt-Kohlenstoffanteil ..^ 4,78.bis 4,87% des Metall Aluminium einsetzt. _: .· - .,

   Anteil an, freiem Kohlenstoff- , Q,.0P2; bis-0,004 ^fl/o -^.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-

   Sauerstoffanteil. .,;..-. etwa_r 300 Teileje.Million kennzeichnet, daß man ein Metallfluorid und

   Stickstoff ........ ,..,.^!etwa. 20C)^^Teileje_MilHon_ . Graphit in stöchiometrischem Verhältnis und Alu-Aluminium, ;··,.;,. .. 35 minium m·;30 ;bis 40gewichts^)rqzentigem; Überdurchschnittlich ..... etwa 300 Teile je Million .-. schuß anwendet. -..--.

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