DE1464582B2

DE1464582B2 - Verfahren zur herstellung von kernbrennstoffteilchen

Info

Publication number: DE1464582B2
Application number: DE19631464582
Authority: DE
Inventors: Edouard Mol-Donk Jonckheere (Belgien). G21c 19-10
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1962-01-25
Filing date: 1963-12-11
Publication date: 1972-02-24
Also published as: SE315047B; AT260372B; FR1447920A; NL302255A; BE627585A; CH427058A; LU45298A1; DE1464582A1; GB1055232A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffteilchen unter Aufwirbeln von Kernbrennstoff enthaltenden Teilchen in einem Fließbett und Überziehen mit pyrolytischem Kohlenstoff unter Durchleiten eines Kohlenwasserstoffgasstromes bei erhöhter Temperatur.

Es ist aus der britischen Patentschrift 878 927 bekannt, zur Herstellung von Kernbrennstoffmaterial Teilchen von Kernbrennstoffmetallcarbiden herzustellen und diese Carbide mit einem Kohlenwasserstoffgas bei einer Temperatur in Berührung zu bringen, oberhalb welcher auf der Oberfläche der Teilchen Kohlenstoff pyrolytisch niedergeschlagen wird und unterhalb welcher eine übermäßige Gasphasen-Polymerisation stattfindet. Zum Aufbringen des pyrolytischen Kohlenstoffs wird dann Propangas bei einer Temperatur zwischen 775 und 900° C durch die Carbide geleitet. Als Metall wird Uran vorgeschlagen, das normalerweise keine Reaktion mit dem pyrolytischen Kohlenstoff eingeht. Bei hohen Temperaturen findet nun aber dennoch eine Diffusion von Uran in den pyrolytischen Kohlenstoff hinein statt, wodurch es zu einer Berührung zwischen dem Brennstoff und der Kühlflüssigkeit und damit zu einer Verseuchung der letzteren kommen kann.

Demgegenüber treten nach der Ausbildung der Überzüge auf den Oxidteilchen gemäß dem Verfahren nach der Erfindung bei oberhalb der Zersetzungstemperatur liegenden Temperaturen keine Wirkungen auf, die weitere Reaktionen zwischen dem Überzug und den Oxiden hervorrufen können.

Bei dem Verfahren zum Herstellen von Kernbrennstoffteilchen nach der Erfindung wird so vorgegangen, daß der Kernbrennstoff aus mindestens einem

ίο Oxid eines Kernbrennstoffmetalls besteht und eine erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff bei einer genügend niedrigen, eine starke Reaktion zwischen den Kernbrennstoffoxiden und dem Kohlenstoff nicht hervorrufenden Temperatur gebildet wird, worauf dann eine ähnliche Schicht bei höherer Temperatur aufgebracht wird.

Die so überzogenen Teilchen können auf jede gewünschte Weise dem Brennstoffträgerteil eines Kernreaktors beigegeben werden. Beispielsweise können sie nach bekannten Verfahren einer Kohlenstoffmatrix einverleibt werden.

Es wurde festgestellt, daß bei Anwendung eines diese kohlenstoffüberzogenen Teilchen enthaltenden Brennstoffes die Ausbildung der Verbindung CO zwisehen den Oxidteilchen und der angrenzenden Koh- · lenstoffschicht eine weitere Oxydation des Kohlenstoffes unterbindet. Nach der Ausbildung der Überzüge auf den Teilchen sind deshalb die Wirkungen von Temperaturen, die oberhalb der Zersetzungs-

temperatur (1300° C) liegen, nicht mehr injdeTLage, weitere Reaktionen zwischen dem Überzug" und den Oxiden zu provozieren.

Nachstellend wird eine beispielsweise Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung näher be- schrieben.

Bestimmte Mengen von Uran- und Thoriumoxiden werden in gewünschten Anteilen zusammen mit einem Bindemittel wie Keton oder Kampher miteinander vermischt und zu Teilchen von ein- bis zweihundert Mikron verformt.

Eine bestimmte Menge solcher Teilchen wird in einem Bett mit Hilfe von Inertgas verflüssigt, dann wird das Bett auf etwa 1300° C erhitzt und Propangas durch das Bett geleitet. Das Gas zerfällt und ein Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff scheidet sich auf den Teilchen ab, wobei dieser Überzug äußerst fest ist, denn seine Dichte ist nur sehr wenig kleiner als die theoretische Dichte von 2,25.

Die zweite Stufe des Arbeitsganges besteht in einer

Hitzebehandlung des verflüssigten Bettes mit einem Methanstrom an Stelle von Propan, wobei das-Methan in geeignetem Maße mit Argon versetzt ist. Diese Hitzebehandlnug wird bei einer höheren Temperatur, etwa bei 1700° C, durchgeführt. Nach der Zersetzung des Methans wird auf den Teilchen ein zweiter pyrolytischer Kohlenstoffüberzug abgeschieden, wobei dieser Überzug ganz besonders dicht und undurchlässig ist, denn seine Dichte liegt sehr nahe bei 2,25. Es muß festgestellt werden, daß bei den erwähnten Temperaturen keine meßbare Reaktion zwischen dem ThO₂ und dem Kohlenstoff stattfindet, allerhöchstens in dem Maße wie mit Argon.

Bis zu 1500° C ist die Reaktion zwischen UO₂ und Kohlenstoff sehr schwach, wenn das gebildete CO nicht entfernt wird, denn die Entfernung würde eine Verschiebung des Gleichgewichtes der Reaktion nach der Seite der Zersetzung von UO₂ hin bewirken. Bei dem beschriebenen Verfahren wird das gebildete CO

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während der Bildung der zweiten Schicht aus pyro- peraturen sogar eine schwache Diffusion befürchtet lytischem Kohlenstoff von der ersten und der sich wird, kann man auf eine vorbestimmte Zwischenbildenden zweiten Schicht zurückgehalten, so daß die schicht zwischen den Oxidteilchen und den sie beZersetzung von Uranoxid weitgehend eingeschränkt deckenden pyrolytischen Kohlenstoffschichten zuwird. 5 rückgreifen, die beispielsweise aus einem Nitrid, Dank der Anwesenheit von pyrolytischem Kohlen- einem Oxid, einem Carbid, einem Metall usw. bestoff diffundieren spaltbare und strahlungsintensive steht und eine Diffusionssperre bildet und keine wahr-Substanzen nicht an die Außenseite. In bestimmten nehmbare Reaktion zwischen den Oxiden des Urans schwierigen Fällen, bei denen bei sehr hohen Tem- oder Thoriums und mit dem Kohlenstoff eingeht.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffteilchen unter Aufwirbeln von Kernbrennstoff enthaltenden Teilchen in einem Fließbett und Überziehen mit pyrolytischem Kohlenstoff unter Durchleiten eines Kohlenwasserstoffgasstromes bei erhöhter Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff aus mindestens einem Oxid eines Kernbrennstoffmetalls besteht und eine erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff bei einer genügend niedrigen, eine starke Reaktion zwischen den Kernbrennstoffoxiden und dem Kohlenstoff nicht hervorrufenden Temperatur gebildet wird, worauf dann eine ähnliche Schicht bei höherer Temperatur aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff durch Hindurchleiten von Propan durch das Fließbett bei einer Temperatur von 1300° C aufgebracht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff durch Hindurchleiten von Methan durch das Fließbett bei einer Temperatur von 1700° C aufgebracht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff aus Oxiden von Thorium und Uran besteht.

5. Verfahren' nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennstoffoxidteilchen zuerst mit einer als Diffusionssperre dienenden, mit den Kernbrennstoffoxiden und mit Kohlenstoff nicht wahrnehmbar reagierenden Schichten bedeckt werden, welche dann mit den zwei Schichten aus pyrolytischem Kohlenstoff überzogen wird.