DE1230228B - Verfahren zur Herstellung von gesinterten Kernbrennstoffen auf der Grundlage von Uran und Plutonium - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

C22c

Deutsche KL: 40 b-1/04

Nummer: 1230 228

Aktenzeichen: C 30223 VI a/40 b

Anmeldetag: 18. Juni 1963

Auslegetag: 8. Dezember 1966

Aus Uran oder Plutonium in pulverförmigem Zustand lassen sich durch Pressen und Sintern Kernbrennstoffelemente herstellen. Sie können auch mit 'einem anderen Element, wie beispielsweise Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium, so vereinigt werden, daß sie nach dem Erwärmen durch Pulvermetallurgie eine neue, gleichermaßen als Kernbrennstoff geeignete Verbindung bilden. Die Herstellung solcher gesinterter Produkte setzt jedoch voraus, daß man die beiden zugrunde liegenden Metalle in Form von Pulvern zur Verfügung hat.

Um die Pulver der Grundmetalle herzustellen, kann man entweder ihre Metalloxyde durch Calcium reduzieren oder ihre Hydride zersetzen.

Diese Herstellungsarten weisen jedoch schwerwiegende Nachteile auf.

Tatsächlich wird zwar das Verfahren der Reduktion von Uranoxyd durch Calcium häufig verwendet, jedoch kann man es nicht mit Vorteil auf die Reduktion des Plutoniumoxyds anwenden, da das Auswaschen der Verunreinigungen von der Herstellung durch verdünnte Säuren bei der sehr großen Oxydierbarkeit des Plutoniums unmöglich ist.

Andererseits liefert zwar die direkte Einwirkung des Wasserstoffs auf massives Uran und Plutonium pulverförmige Hydride, die an Stelle der Metalle für alle praktischen Anwendungen verwendet werden können, da der Wasserstoff bei einer wenig erhöhten Temperatur entweicht, jedoch ist die Verwendung von Wasserstoff in Gegenwart von Plutonium infolge der damit verbundenen Explosionsgefahr unerwünscht. Außerdem erfordert die spätere Verarbeitung eine sehr langsame Dehydrogenierungsstuf e.

Es ist bekannt, daß die Uran-Plutonium-Legierungen bei 15 bis 80 % Plutoniumgehalt infolge des Vorhandenseins einer f-Phase sehr brüchig sind. Sie weisen normalerweise bei gewöhnlicher Temperatur Risse auf und sind außerordentlich spröde. In gestapeltem Zustand zerbröckeln sie sehr rasch.

Die Erfindung schlägt nun ein Verfahren zur Her-Stellung von gesinterten Kernbrennstoffen auf der Grundlage von Uran und Plutonium mit einem Plutoniumgehalt zwischen 15 und 80% vor, wobei man nach der Herstellung einer Uran-Plutonium-Legierung vom gewünschten Gehalt nach bekannten Verfahren diese Legierung zu einem pulverförmigen Produkt zerkleinert, das anschließend unter Zusatz eines weiteren Elementes gepreßt und gesintert wird.

Von den als Zusatz zu dieser pulverförmigen Legierung geeigneten Metallen seien genannt: Molybdän, Niob, Tantal, Zirkonium.

Von den nichtmetallischen Elementen, die sich mit Verfahren zur Herstellung von gesinterten
Kernbrennstoffen auf der Grundlage von Uran
und Plutonium

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter:

Dipl.-Chem. Dr. H. U. May, Patentanwalt,

München 2, Ottostr. 1 a

Als Erfinder benannt:

Roger Pascard, Issy-Les-Moulineaux

(Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 20. Juni 1962 (901290)

dieser Legierung vereinigen können, seien erwähnt: Kohlenstoff, Silizium, Stickstoff, Schwefel in Form von Schwefelwasserstoff.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr leicht durchzuführen. Es genügt, die Legierung direkt unter einer inerten Atmosphäre zu zerkleinern, beispielsweise in einer Kugelmühle. Die durch Pulverisieren dieser Legierung erhaltenen Pulver sind ebensogut zum Sintern geeignet wie die Mischung der nach den bekannten Verfahren, beispielsweise durch Calciothermie oder Zersetzung der Hydride, erhaltenen Pulver von Uran und Plutonium. Für den Fall, daß man einen Kernbrennstoff mit einem nichtmetallischen Element herstellen will, haben sie außerdem den Vorteil, direkt zu festen Lösungen der Uran- und Plutoniumverbindungen zu führen. Die Herstellung dieser Kernbrennstoffe kann entweder in einer einzigen Verfahrensstufe durchgeführt werden, d. h. durch gleichzeitiges Zerkleinern und Umsetzen der Legierung mit dem Nichtmetall bzw. der Nichtmetallverbindung oder in zwei Stufen, d. h. durch vorherige Zerkleinerung der Legierung in einer inerten Atmosphäre und anschließende Umsetzung der Legierung mit dem Nichtmetall bzw. der Nichtmetallverbindung. Unter Benutzung dieser Pulver als Ausgangsstoffe ist die Herstellung anderer hochwärmebeständiger Kernbrennstoffe, wie beispielsweise der Carbide, leichter durchzuführen als durch Reduktion der Oxyde durch Kohlenstoff oder durch Carburierung der Hydride.

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Im folgenden werden verschiedene Beispiele der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Herstellung von gesinterten Stoffzusammensetzungen auf der Grundlage von Uran und Plutonium gegeben, ohne die Erfindung dadurch zu beschränken.

Beispiel 1

Dieses Beispiel behandelt die Herstellung eines Kernbrennstoffes auf der Grundlage von Uran- und Plutoniumcarbid.

a) Man stellt in einen Lichtbogenofen eine Uran-Plutonium-Legierung mit einem Plutoniumgehalt von 30% her;

b) man zerkleinert in einer Kugelmühle während 10 Minuten unter einer Argonatmosphäre die erhaltene Legierung in Gegenwart der theoretischen Menge Kohlenstoff, um die Carbide zu erhalten; der mittlere Korndurchmesser liegt anschließend unter 40 μ;

c) man erhitzt 10 Stunden lang im Vakuum bei 1200⁰C das erhaltene und zuvor unter einem Druck von 5 t/cm² tablettierte Pulver, um die Carburierungsreaktion zu bewirken;

d) man zerkleinert in einer Kugelmühle während 20 Minuten das erhaltene Carbid in Gegenwart von 1 Gewichtsprozent Naphthalin und 0,5 Gewichtsprozent Nickel; der mittlere Korndurchmesser liegt anschließend unter 40 μ;

e) man preßt mit einem Druck von 5 t/cm² das Pulver von Carbid und Zusatzstoffen und erhält so eine rohe Dichte von 9,2;

f) man sintert im Vakuum 4 Stunden lang bei 1450° C die erhaltenen Preßlinge; das so hergestellte hochwärmefeste Kernbrennstoffmaterial hat eine Dichte von 13,45.

Beispiel 2

Dieses Beispiel behandelt die Herstellung eines Mononitrids von Plutonium und Uran.

a) Man stellt in einem Lichtbogenofen eine Uran-Plutonium-Legierung mit einem Plutoniumgehalt von 30 % her;

b) man zerkleinert in einer Kugelmühle 5 Minuten lang unter einer Argonatmosphäre die erhaltene Legierung;

c) nach Einführung der stöchiometrischen Menge Stickstoff zur Bildung des gemischten Mononitrids erwärmt man 1 Stunde auf 350° C;

d) das so erhaltene Pulver wird anschließend .auf bekannte Weise gesintert.

Beispiel 3

Herstellung einer ternären Legierung von Uran, Plutonium (15 Atomprozent) und Molybdän (20 Atomprozent).

b)

a) Man stellt in einem Lichtbogenofen unter Neutralgasatmosphäre eine Uran-Plutonium-Legierung mit einem Plutoniumgehalt von 18,7 Atomprozent her;

die so erhaltene Legierung wird grob. zerkleinert;

c) die erhaltenen Stücke werden zusammen mit der erforderlichen Menge an gepulvertem, durch Reduktion des Oxyds mit Wasserstoff bei 1000° C erhaltenen Molybdän in eine Kugelmühle gegeben;

d) das nach mehrstündigem Mahlen erhaltene pulverförmige Gemisch wird mit einem Druck von 5 t/cm² zu Tabletten gepreßt;

e) die erhaltenen Tabletten werden im Vakuum 4 Stunden lang bei 950 bis 1000° C gesintert.

Die erhaltenen gesinterten Tabletten besitzen eine Dichte von mindestens 9O°/o der erschmolzenen und gegossenen Produkte gleicher Zusammensetzung. Sie bestehen hauptsächlich aus y-Phase und zeigen keinerlei Ausscheidung von Molybdän.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung von gesinterten metallischen oder keramischen U-Pu-Kernbrennstoffen mit einem Gehalt an einem Metall oder Nichtmetall als drittem legiertem oder chemisch verbundenem Bestandteil, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst auf bekannte Weise eine Uran-Plutonium-Legierung mit einem Gewichtsanteil von 15 bis 80 % Plutonium herstellt und zu einem pulverförmigen Produkt zerkleinert, dieses mit dem dritten Bestandteil, gegebenenfalls unter Umsetzung, innig mischt und das erhaltene Produkt preßt und sintert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dritter metallischer Bestandteil Molybdän, Niob, Tantal oder Zirkonium zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dritter nichtmetallischer Bestandteil Kohlenstoff, Silizium, Stickstoff oder Schwefel, letzterer in Form von Schwefelwasserstoff, zugesetzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 926 083;
F. Skaupy, Metallkeramik,

4. Auflage (1950), S. 191/192;

Metall, Bd. 13 (1959), S. 386/387;
Nuclear Science abstracts, Bd. 13 (1959), Teil März-April, S. 909, Ref. 6809;

Second Un. Nat. Int. Corp. on the plareful Uses of at. En. 15/P/1452, S. 690 bis 696.

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