DE1471204A1

DE1471204A1 - Verfahren zur Herstellung eines festen Atombrennstoffs

Info

Publication number: DE1471204A1
Application number: DE19631471204
Authority: DE
Inventors: Bourdeau Romeo Gerard
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1962-01-22
Filing date: 1963-01-22
Publication date: 1969-04-30
Also published as: GB955462A

Description

"Verfahren zur Herstellung eines festen Atombrennstoffs"

Zusatz zu Patent

(Patentanmeldung H 45 VIb/80 b)

In dem Hauptpatent (Patentanmeldung H 45 646

VIb/80b) ist ein Verfahren zur Herstellung eines festen Atombrennstoffs beschrieben, in dem die Teilchen aus spaltbarem Material wie Uranverbindungen oder mit Substanzen, die unter Neutronenbeschuß in spaltbares Material übergeführt werden können, wie Thorium und seine Verbindungen, mit einer dichten, harten Haut aus pyrolythisehern Graphit überzogen werden. Dies geschieht in der Weise, daß

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man die zu überziehenden Teilchen einem Kohlenwasserstoffgas bei einer Temperatur zwischen ca. 1700 bis 3000 C unter einem Druck unter ca. 200 mm Hg aussetzt. Unter diesen Bedingungen bildet sich um jedes Teilchen eine gasdichte, harte Schale aus pyrolythischem Graphit, welche die sich bei der Spaltreaktion bildenden gasförmigen

Produkte einschließt und so die Kontaminierung der Umgebung weitgehend herabgesetzt, die Betriebsdauer des Kernbrennstoffs besser ausgenutzt und die Aufarbeitung des verbrauchten Kernbrennstoffs wesentlich erleichtert wird.

Es wurde nun gefunden, daß man Kernbrennstoffteilchen, und zwar sowohl direkt spaltbares Material als auch durch Kernreaktion in spaltbares Material umwandelbare Substanzen, z.B. Uranverbindungen wie die Oxyde

UO₂» ^aOg , die Carbide UC₂» UC , thorium-

haltige Substanzen wie Th, ThO₂, die Carbide ThC₂ und ThC allein oder Mischungen dieser Substanzen, gegebenenfalls mit Stoffen, die die chemische und thermische Stabilität der Brennstoffteilchen verbessern, z.B. Zirkoncarbid , Niobcarbid u.a. nach dem Verfahren des Hauptpatents mit einer gasdichten, harten Schicht aus pyrolythischem Graphit überziehen kann, wenn man die Teilchen bei einem Druck von unter ca. 200 mm Hg Kohlenwasserstoff gasen bei einer Temperatur zwischen 1500 und 1700°C auesetzt.

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Ee ist selbstverständlich auch möglich, beim Anheizen der Teilchencharge diese zuerst mit einem sehr dünnen tfberzug aus Kohlenstoff zu überziehen und darauf erst die Schale aus pyrolythischem Graphit aufzubringen.

Die Behandlung der Kernbrennstoffteilchen unter den obigen Verfahrensbedingungen mit den Kohlenwasserstoffgasen kann in einer Vorrichtung, wie sie in dem Hauptpatent beschrieben wurde, erfolgen· Es eignen sich jedoch hierfür auch andere Vorrichtungen, z.B. Behälter aue Graphit, in denen sich die Charge befindet, welche mit Hilfe von Schaufeln und Abstreifern dauernd in Bewegung gehalten wird, um einen allseitigen Überzug auf den Teilchen mit dem pyrolythischen Graphit zu ermöglichen. Man kann auch den Behälter mit der Charge in geeigneter Weise rütteln oder das ganze Aufbringverfahren in der Wirbelschicht durchführen, wobei sich die Teilchen oberhalb eines porösen Trägers befinden, der sie am Durchfallen hindert und durch den das Kohlenwasserstoff gas, gegebenenfalls verdünnt mit inerten Gasen, tritt und die Teilchen in Schwebe hält. In gleicher Weise läßt sich das Verfahren auch mit der bekannten Fließbett-Technik durchführen. Grundsätzlich eignen sich alle Maßnahmen, wobei eine dauernde Bewegung der Teilchen während der Graphitabscheidung gewährleistet und eine Brückenbildung zwischen einzelnen Teilchen durch Zusammenwachsen der Graphitschale wirksam vermieden wird.

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Die Dicke der G-raph.itschale hängt von dem zu überziehenden Material 'und den Arbeitsbedingungen ab]f sie kann in weiten Grenzen schwanken. Pur Teilchen einer Korngröße von 150 bis 200 ax reichen meistens Schichtdicken von ca. 80/υ. aus, in manchen Fällen sogar solche mit durchschnittlich 25 bis 40/u. Man kann den Graphit bis zu einer Schichtdicke bis zu ca. 200 Ai aufbringen. Für Teilchen einer Korngröße von ca. 75 bis 150/U ergab sich ein Oberzug in einer Dicke von ca. 1O bis 30/u als vorteilhaft, jedoch können unter bestimmten Bedingungen auch dünnere Überzüge empfehlenswert sein. Es ist auch möglich, noch kleinere Teilchen, z.B. mit einer Korngröße von ca. 20 bis 75/u mit einer gasundurchlässigen, harten Haut aus pyrolythischem Graphit zu versehen. Im allgenEtnen soll die durchschnittliche Schichtdicke gleioh oder kleiner als die Korngröße der Teilchen sein.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß aufgebrachten Schicht aus pyrolythischem Graphit liegt darin, daß infolge der verschiedenen Wärmedehnung von Brennstoffteilchen und Graphitüberzug der für die Aufnahme der gasförmigen Spaltprodukte zur Verfügung stehende Raum größer ist und damit auch der Druck in diesem Raum geringer wird. Mit pyrolytischem Graphit überzogene Kernbrennstoffteilohen gestatten den Reaktorbetrieb bei höherer Temperatur als «•'bei mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Teilohen infolge der geringeren Belastung bei gleichen Temperaturen. 909818/0861

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Wie oben erwähnt, wurde gefunden, daß man das Verfahren nach dem Hauptpatent auch bereits bei einer Temperatur zwischen 1500 und 1700⁰C durchführen kann. Arbeitstemperaturen unter 1500⁰C erwiesen sich als unzweckmäßig, da da bereits beträchtliche Mengen pyrolytischen Kohlenstoffs statt reinem pyrolytischem Graphit abgeschieden werden können, was jedoch nicht wünschenswert ist.

Die Absoheidungsgeschwindigkeit hängt in bekannter Weise von dem herrschenden Druck ab. Bei Erhöhung des Drucks von beispielsweise 1 mm auf 20 mm Hg ist mit einer ca. 10-fachen Abscheidungsgeschwindigkeit zu rechnen.

JE¹Ur die Graphitabscheidung eignet sich praktisch jeder reine, bei den Arbeitsbedingungen gasförmige Kohlenwasserstoff) der Einfaohheit wegen kann man Erdgas verwenden.

mit
Die Anwendung von/pyrolytisohem Graphit überzogenen

Kernbrennstoffteilchen bietet noch weitere Vorteile* da der so aufgebrachte Graphit mit den meisten verfügbaren Kühlmitteln nicht reagiert, ist es möglich, direkt nicht -cont aminiert en Dampf in vereinfachten Anlagen und bei wirtschaftlicher Betriebsführung zu erzeugen. Durch die Hülle aus pyrolytischem Graphit werden nioht nur die Koetatn für die Aufarbeitung des verbrauchten Kernbrennstoffe herabgesetzt, sondern auch die Betriebsfähigkeit einer Brennstoffüllung in dem Reaktorkern erhöht. Be-

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kenntlich müssen die Reaktorkerne ausgetauscht werden, wenn der Metallmantel der Brennstoffelemente beginnt brüchig zu werden und nicht erst, wenn der Brennstoff tatsächlich verbrauoht iet. Diese vorzeitige Erneuerung des Brennstoffs in dem Reaktorkern entfällt bei Anwendung von mit pyrolytischem Graphit überzogenen Teilchen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß für die außerordentliche Reinheit des pyrolytischen Graphits seine Eigenschaften hinsichtlich des Neutronenwirkungsgradeβ außerordentlich günstig liegen.

Sie Gestalt der zu überziehenden Teilchen ist für das erfindungsgemäße Verfahren ohne Bedeutung; sie können rund oder kantig sein. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich grundsätzlich auf alle Teilchen anwenden, welche aus Substanzen bestehen, die den Abscheidung»·*

stehen bedingungen für den pyrolytischen Graphit widert So können sie aus Metall, Metalloxyden wie Aluminium Silizium? Magnesiumoxyde, Metalloarbiden wie Bor-, Silizium-, Aluminium-, Zirkon-, Niobcarbiden, Metallboriden wie Zirkon-, Titanboriden ...., Metallsiliziden, keramischen und mineralischen Stoffen wie Talkum, Porzellan bestehen. Haoh dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer dichten harten Schicht aus pyrolytischem Graphit überzogene Teilchen lassen sich auf die verschiedenste Weise verwenden; so dienen z.B. überzogene Teilchen aus keramischen und oxydischen Stoffen wie Siliziumdioxyd ....

für Wi der stands elemente in der Elektrotechnik.

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Die Erfindung wird anhand folgender Beispiele näher erläutert.

Beispiel -

Eine Charge von 30 g Urandicarbid in Form von kugeli^gen Teilchen mit einer Korngröße von ca. 30 "bis 50/u wurde in einen oben "beschriebenen Reaktionsbehälter, wie er in dem Hauptpatent näher beschrieben ist, aufgegeben und ein Argondruck von ca. 30 mm Hg aufrechterhalten. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Behälters betrug ca. 30 UpM, die Temperatur ca. 1600 - 5O⁰C. In das so aufgeheizte System wurde Methan in einer Geschwindigkeit von 0,2 l/min, eingeführt und nach ca. 4 Stunden die Gaszufuhr abgestellt· Das System konnte auf Raumtemperatur abkühlen. Man erhielt auf diese Weise auf jedem Teilchen einen Oberzug aus pyrolytischem Graphit mit einer Dicke von ca. 25/U.

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Claims

IA - 24 932

Pat entanspruch

Verfahren zur Herstellung fester Atombrennstoff-Partikeln mit einem Überzugs aus pyrolythischem Graphit

nach dem Hauptpatent (Patentanmeldung

H 45 646 VIb/8Ob) durch Niederschlagen des pyrolythischen Graphits aus der Zersetzung von Kohlenwasserstoffgasen unter einem Druck unter ca. 200 mm Hg, dadurch gekennzeichnet, daß man die Teilchen einem Kohlenwasserstoffgas bei einer Temperatur zwischen ca. 1500 und 1700⁰C aussetzt.

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