DE1471511C3 - Verfahren zur Herstellung von Urancarbidsphäroiden - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Urancarbidsphäroiden

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DE1471511C3 DE1471511A DE1471511A DE1471511C3 DE 1471511 C3 DE1471511 C3 DE 1471511C3 DE 1471511 A DE1471511 A DE 1471511A DE 1471511 A DE1471511 A DE 1471511A DE 1471511 C3 DE1471511 C3 DE 1471511C3
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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Ürancarbidsphäroiden, die in Formkörper aus feuerfestem Material für Brennstoffelemente eingefüllt werden, mit einer Spaltprodukte zurückhaltenden Schicht aus pyrolytischem Material, wobei stufenweise bei niedriger Temperatur eine erste dünne Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff auf die Sphäroide aufgebracht wird, gefolgt von der Aufbringung einer zweiten äußeren Schicht aus Spaltprodukte-zurückhaltendem, feuerfestem Material auf den mit dem pyrolytischen Kohlenstoff beschichteten Ürancarbidsphäroiden bei einer höheren Temperatur von oberhalb 15000C.
Wenn Sphäroide mit Siliciumcarbid oder pyrolytisch abgeschiedenen Kohlenstoff beschichtet werden, ist es von Vorteil, die Dicke der Beschichtung so gering zu halten, wie dies für die Zurückhaltung von Spaltprodukten nicht von Nachteil ist, so daß das Volumenverhältnis Brennstoff zu Grundmasse genügend hoch gehalten werden kann, um die Notwendig- , keit für eine unangemessene Anreicherung des Urans zu vermeiden.
Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung
ist im wesentlichen aus der FR-PS 1 345 497 bekannt.
Das Überziehen von Molybdäncarbid- und Uran-
dicarbidteilchen mit Kohlenstoff geht aus »Planseeberichte für Pulvermetallurgie« Bd. 10, 1962, S. 174, hervor, doch findet dabei keine Reaktion der Teilchen mit dem anfänglich aufgebrachten Kohlenstoff statt bei einer Nachträglichen Behandlung, derart, daß die anfängliche Überzugschicht dabei aufgezehrt würde, um einen Hohlraum zu schaffen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Ürancarbidsphäroiden zu schaffen, bei denen ein Spalt bzw. Hohlraum zwischen dem Kernstück des Sphäroids und dem äußeren Überzug vorgesehen ist, so daß die Dicke des Überzugs auf einem Minimum gehalten werden kann, während eine ausreichende Integrität für einen zufriedenstellenden Betrieb in einem Atomkernreaktor beibehalten wird, wenn die überzogenen Sphäroide in geformten Körpern enthalten sind, die als Brennstoff in Brennelementen verwendet werden. In dem älteren DT-Patent 1 439 115 ist zwar vorgeschlagen worden, bei einem Kernbrennstoffpartikel zwischen der Graphithülle und der Carbidmasse einen Spalt vorzusehen, doch ist der Weg, um dies zu erreichen, wegen der verwendeten sehr hohen Temperaturen zumindest problematisch.
Die Erfindungsaufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise als Substanz für die Sphäroide Uranmonocarbid verwendet wird, daß die erste Schicht aus pyrolytische Kohlenstoffschicht bei einer Temperatur zwischen 1200 und 14000C auf den Sphäroiden abgeschieden wird, so daß noch keine Reaktion zwischen der aufgebrachten Schicht und den Uranmonocarbidsphäroiden erfolgt, und daß beim Erhöhen der Temperatur auf oberhalb 15000C die erste aufgebrachte Schicht mit dem Uranmonocarbid unter Bildung von Urandicarbid reagiert, wobei ein Hohlraum in Form eines Spaltes zwischen den Sphäroiden und der aufgebrachten zweiten Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem, feuerfestem Material geschaffen wird.
In Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die zweite äußere Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material in Form eines Überzugs aus pyrolytischem Kohlenstoff bei einer Abscheidungstemperatur im Bereich von 1500 bis 18000C aufgebracht werden.
Es stellte sich heraus, daß Überzüge aus pyrolytischem Kohlenstoff in einer Dicke von 15 bis 150 Mikron auf den Sphäroiden, die im Originalzustand beispielsweise einen Durchmesser von 400 bis 500 Mikron haben, eine hohe Undurchlässigkeit besitzen, vorausgesetzt, daß bei der Ausführung des Verfahrens der Hohlraum hergestellt wird.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 1, wird auf der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff eine Zwischenschicht aus Siliciumcarbid bei einer Abscheidungstemperatur ähnlich der bei der die erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff aufgebracht wurde, erzeugt, sind darauf eine äußere Schicht aus Silicium-
carbid bei einer Abscheidungstemperatur im Bereich von 1500 bis 160O0C aufgebracht.
Hierbei wurde gefunden, daß Überzüge aus Siliciumcarbid mit einer Dicke von 30 bis 100 Mikron auf den beispielsweise einen Durchmesser von 400 bis 500 Mikron im Originalzustand besitzenden Sphäroiden eine hohe Dichte aufweisen, wobei wiederum ein Hohlraum gebildet wurde. Gegenwärtig wird angenommen, daß 16000C für die äußere Schicht eine geeignete obere Temperaturgrenze ist, weil bei Anwendung höherer Temperaturen eine Porösität der Siliciumcarbidschicht aufzutreten scheint. Indessen wurde gefunden, daß dann, wenn die äußere Schicht erst einmal aufgebracht ist, Temperaturen um 17500C (deren Anwendung für einen nachfolgenden Verfahrensschritt, der die Verdichtung der Formkörper, in denen die umhüllten Kerne dispergiert sind, in einem Gesamtprozeß betrifft) nicht wesentlich die Undurchlässigkeit der Beschichtung beeinträchtigen, da Ausschußverluste von weniger als 1 Partikel mit schadhafter Beschichtung in 104 beschichteten Partikeln festgestellt wurden, wenn die Partikeln mit Salpetersäure behandelt wurden, wobei die Salpetersäure durch die schadhafte Beschichtung Zutritt zu den Urancarbidkemen erhält und diese auflöst. Durch visuelle Untersuchung der Partikeln nach der Salpetersäurebehandlung kann der Anteil der Partikeln mit schadhafter Beschichtung ausgezählt-werden. Wahlweise kann der Prozentgehalt an Partikeln mit gebrochener oder rissiger Beschichtung durch analytische Bestimmung des Urangehaltes in der benutzten Salpetersäure abgeschätzt werden.
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung für die Herstellung von Urancarbidsphäroiden mit einer Beschichtung aus pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff soll nun Hand eines Beispiels beschrieben werden.
Uranmonocarbidsphäroide wurden hergestellt nach dem Verfahren der DT-PS 1 227 572. Das offenbarte Verfahren besteht in der Sphäroidbildung aus einem Gemisch aus Urandioxid, Kohlenstoff und einem Bindemittel sowie in einer Sinterungsreaktion der so gebildeten Sphäroide, um Sphäroide aus Uranmonocarbid herzustellen. Im vorliegenden Falle sind die Mengenverhältnisse von Urandioxid und dem verwendeten Kohlenstoff so, daß Sphäroide aus Uranmonocarbid hergestellt werden.
Die so hergestellten Sphäroide werden gesiebt zwecks Abtrennung derjenigen mit einer Korngröße von beispielsweise 400 bis 500 Mikron im Durchmesser. Das Beschichten der Uranmonocarbidsphäroide
ö mit pyrolytischem Kohlenstoff wird nun in einem Wirbelbettreaktor ausgeführt, wie ebenfalls in der DT-PS 1 227 572 beschrieben. Die Sphäroide werden im Wirbelbett behandelt, wobei hochreines Argon als Trägergas verwendet wird. Ein Kohlenwasserstoffgas,
ίο wie Methan, wird für die Ablagerung der pyrolytischen Kohlenstoffbeschichtung verwendet. Das Methan wird mit dem Argon-Wirbelgasstrom gemischt. Eine erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff wird auf den Uranmonocarbidsphäroiden bei einer
is Abscheidungstemperatur im Bereich von 1200 bis 14000C abgeschieden. Diese erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff ist dünn (5 bis 20 Mikron). Eine äußere Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff wird nun in einer Dicke von 50 bis 150 Mikron auf den Sphäroiden bei einer Abscheidungstemperatur im Bereich von 1500 bis 1800° C abgelagert.
Beim Aufbringen der äußeren Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff bei höheren Abscheidungstemperaturen reagiert die erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff mit den Uranmonocarbidsphäroiden unter Bildung eines höheren Carbids, im allgemeinen des Dicarbids. Die Reaktion der ersten Schicht mit den' Uranmonocarbidsphäroiden während der Abscheidung der äußeren, zweiten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff hat die Bildung eines Spaltes oder Hohlraums zwischen den Uranmonocarbidsphäroiden und der äußeren pyrolytischen Kohlenstoffschicht zur Folge. Bei Uranmonocarbidsphäroiden mit einem Durchmesser von 400 bis 500 Mikrön, die eine erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff in einer Dicke von 5 bis 20 Mikron und eine äußere Schicht von 50 bis 150 Mikron Dicke besitzen, wird ein Spalt von annähernd 15 Mikron hergestellt. Die Bildung dieses relativ großen Spaltes wird auch durch das Sinterungsschrumpfen und die Verminderung der Porösität begünstigt, die bei der Bildung des weniger dichten Urancarbids aus Uranmonocarbid durch die Reaktion mit der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff auftreten.
Experimentelle Einzelheiten der Beschichtung
sind in der folgenden Tabelle enthalten:
Sphäroiddurchmesser CHU-Strom 422 bis 500 Mikron, Dichte 80 bis 90 % der theoretischen. Zeith Äußere Schicht Zeith Sphäroid-Zustand nach
Fall Argon-Strom CLiter Erste Schicht 9 der Beschichtung
Γ all . (Liter pro Min.) Temp. ° C
pro Min.) 0,32 Temp. 0C Die äußeren 10 Mikron
(0 4'7 1200 ■ 4 — des Sphäroids sind in
3 4,75 UC2 umgewandelt
0,32 ■ .— Sehr wenig UC2
(2) 4,7 0,32 1300 1500 UC2/UC Nadeln
(3) 5,4 1300 2 9,25 U2C3'UCin
Sphäroidmitte
0,32 1 1500 2,8 Vollständig UC2 mit
(4) 5,4 1300 einigen UC-Nadeln
0,65 1 1650 2,0 Vollständig UC2 mit
(5) 4,7 1400 einigen UC-Nadeln
0,65 1 !750 1,5 Vollständig UC, mit
(6). 4 7 1400 einigen UC-Nadeln
0,65 1750 Vollständig UC2 mit
(7) 4>7 1400 einigen UC-Nadeln
Die Fälle (1) und (2) der vorstehenden Tabelle entsprechen dem Aufbringen der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff bei einer Abscheidungstemperatur zwischen 1200 und 14000C, und zwar vor dem Aufbringen der zweiten äußeren Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff. Es ist erkennbar, daß nur eine sehr geringe Reaktion unter Bildung von Urancarbid während des Aufbringens der ersten Schicht stattfindet.
In den Fällen (3), (4), (5) und (6) wurde nach dem Aufbringen der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff bei einer Abscheidungstemperatur zwischen 1200 und 1400° C die äußere Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff bei einer Temperatur im Bereich von 1500 bis 18000C aufgebracht. In diesen Fällen ergab die Reaktion der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff init den Uranmonocarbidsphäroiden zur Bildung von Urandicarbid die Entstehung eines Spaltes von annähernd 15 Mikron zwischen den Sphäroiden und der äußeren Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff.
Im allgemeinen kann angenommen werden, daß in Abhängigkeit von der Abscheidungstemperatur der äußeren Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff eine Mindestzeit erforderlich" ist für die Durchführung einer Reaktion, mit der ein Spalt zwischen der äußeren pyrolytischen Schicht und den Sphäroiden erzeugt wird. Dieser Vorgang kann durch Auswahl bestimmter Betriebsbedingungen (Wirbelbettgröße, Menge und Geschwindigkeit der Methanzufuhr zum Wirbelbett) so durchgeführt werden, daß mehr als die Mindestzeit für die Reaktion erforderlich ist, um die Sphäroide mit einer äußeren Schicht in der erforderlichen Dicke zu versehen. Alternativ können auch die Sphäroide, wenn die angewandten Bedingungen für das Beschichten derart sind, daß die erforderliche Dicke der pyrolytischen äußeren Kohlenstoffschicht erreicht wird, bevor die Mindestzeit für die Reaktion abgelaufen ist, für den Rest der Zeit, die für die Reaktion erforderlich ist, im Wirbelbett bei Temperatur ohne weitere Zufuhr von Beschichtungsgas zum Wirbelbett belassen werden.
Pyrolytisch beschichtete Urancarbidsphäroide, hergestellt nach dem Verfahren gemäß der Erfindung, zeigten bei der Behandlung mit Salpetersäure, daß bei weniger als 1 Teilchen unter 103 beschichteten Teilchen die Beschichtung gebrochen war oder Risse zeigte. Dieser niedrige Ausschußanteil steht in Beziehung zu der Reaktion der ursprünglichen Uranmonocarbidsphäroide mit der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff zur Bildung von Urancarbid und zu der als Folge hiervon auftretenden Bildung des Spaltes zwischen den Sphäroiden und der äußeren Schicht. Beispielsweise ist aus der vorstehenden Tabelle zu ersehen, daß die Mindestzeit bei 1500, 1650 und 1750° C jeweils 43Ii, 3 und 1V2 Stunden beträgt.
Die Diskontinuität des Spaltes bildet eine gewisse Schranke gegen die Diffusion von Uran, vermutlich auch gegen die Diffusion von Spaltprodukten bei Verwendung der beschichteten Sphäroide in einem Kernreaktorbrennelement.
Für die wirtschaftliche Gestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist eine angemessene Beschichtungsgeschwindigkeit notwendig. Im allgemeinen ist die Beschichtungsgeschwindigkeit größer bei erhöhter Temperatur im Wirbelbett. Wendet man jedoch für die Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff auf Uranmonocarbidsphäroide Methan als Beschichtungsmedium an, so kann man nicht über eine Temperatur von 14500C hinausgehen, da oberhalb dieser Temperatur die Kohlenstoffabscheidung auf der Oberfläche der Urancarbidunterlage ungleichmäßig verläuft. Zunächst bilden sich nach der Abscheidung eines bereits ungleichmäßigen ersten Kohlenstoffanfluges auf diesem in unregelmäßigen Abständen Knötchen aus pyrolytischem Kohlenstoff, welche teilweise zu länglichen Gebilden auswachsen und im weiteren Verlauf des Beschichtungsvorgangs durch Verklumpen der nur teilweise beschichteten Sphäroide die. Durchwirbelung zum Stillstand bringen. Wird dagegen die Beschichtung bei Anfangstemperatüren von 17000C im Wirbelbett vorgenommen, so tritt ebenfalls ein Stillstand in der Durchwirbelung ein, weil bei dieser Temperatur die Uranmonocarbidsphäroide zusammenzusintern beginnen. Beide Nachteile lassen sich durch das Verfahren gemäß der Erfindung vermeiden, nach welchem zunächst bei 1200 bis 14000C eine dünne, aber gleichmäßige Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff abgelagert wird, auf welche dann bis auf 1800° C die gleichmäßige Ablagerung der äußeren Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff erfolgt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist auch anwendbar zur Herstellung von Urancarbidsphäroiden, welche mit einer dichten Schicht aus Siliciumcarbid umkleidet sind. Uranmonocarbidsphäroide, die nach dem in der DT-PS 1 227 572 beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, wurden in einem Wirbelbett mit einer ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff in einer Dicke von 5 bis 20 Mikron überzogen. Die Abscheidung der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff wurde bei einer Temperatur im Bereich von 1200 bis 14000C ausgeführt, so daß, wie in den Fällen (1) und (2) der vorstehenden Tabelle gezeigt wird, keine Reaktion zwischen der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff und den Uranmonocarbidsphäroiden auftritt. Eine dünne Schicht aus Siliciumcarbid wurde nunmehr auf die Sphäroide aufgebracht bei der gleichen Ablagerungstemperatur, bei der die erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff aufgebracht wurde, so daß eine Reaktion der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff mit den Sphäroiden erneut vermieden wurde. Eine äußere Schicht aus Siliciumcarbid wurde auf die Sphäroide
:..■ bei einer Abscheidungstemperatur im Bereich von 1500 bis 1600° C aufgebracht. Während der Abscheidung der äußeren Siliciumcarbidschicht trat die Reaktion zwischen den Uranmonocarbidsphäroiden und der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff auf, so daß die Uranmonocarbidsphäroide in Urandicarbid umgewandelt wurden und ein Spalt zwischen den Sphäroiden und der Außenschicht aus Siliciumcarbid gebildet wurde. Auch in diesem Falle muß es sicher sein, daß die Arbeitsbedingungen des Beschichtungsverfahrens so sind, daß die Abscheidungszeit der äußeren Siliciumcarbidschicht größer ist als das für die Reaktion zwischen dem Uranmonocarbidsphäroid und der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff erforderliche Minimum. Andererseits muß, wenn die Abscheidung einer erforderlichen Dicke der äußeren Siliciumcarbidschicht in weniger als der Mindestzeit, die für die Reaktion zwischen den Uranmonocarbidsphäroiden und der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff erforderlich ist, erreicht wird, den beschichteten Sphäroiden die Möglichkeit gegeben wer-
7 8
den, auf Temperatur zu bleiben, bis die Mindestzeit die entsteht, wenn die Abscheidung des Siliciumcar-
fur die Reaktion erreicht ist. Abscheidungstempera- bids durch Pyrolyse von Methyltrichlorsilan vorge-
turen für die äußere Siliciumcarbidschicht von mehr nommen wird.
als 16000C können nicht angewendet werden, weil Das Verfahren gemäß der Erfindung hat den We-
bei dieser Temperatur poröse Überzüge anfallen 5 sentlichen Vorteil, daß es die Herstellung von be-
würden. . schichteten Sphäroiden aus Urancarbid hoher Dichte
Wenn die Siliciumcarbidbeschichtung durch Pyro- ermöglicht. Dichte Sphäroide aus Urancarbid sind lyse von Methyltrichlorsilan in Gegenwart von Was- sonst schwer zu erzielen, da dies ein Sintern bei solch serstoff in einem Wirbelbett aus Uranmonocarbid und hohen Temperaturen erfordert, daß die Sphäroide aus mit Kohlenstoff beschichteten Sphäroiden aufge- io schmelzen und ihre runde Form verlieren können, bracht wird, können die erste Schicht und die zweite Bisher war die Erzeugung von Sphäroiden aus Uranäußere Schicht aus Siliciumcarbid in einem Arbeite- carbid in einer Dichte von 50 bis 70 % der theoretigang aufgebracht werden, der eine Steigerung der sehen möglich (z. B. nach dem Verfahren, welches in Wirbelbett-Temperatur von anfänglich beispielsweise der DT-PS 1 227 572 beschrieben ist). Durch das 1200 bis 13000C auf z. B. 15500C zu einer gegebe- 15 Verfahren gemäß der Erfindung, bei dem von Urannen Zeit während des Abscheidungsvorganges ein- monocarbidsphäroiden mit 85 bis 90% der theoreschließt. tischen Dichte ausgegangen wird, können schließlich
Das Verfahren gemäß der Erfindung, wie es für die Urandicarbidsphäroide mit 85 bis 90 % und darüber
Herstellung von mit Siliciumcarbid umkleideten der theoretischen Dichte erzeugt werden. Ferner ver-
Urancarbidteilchen angewendet wird, ist zusätzlich ao meidet das erfindungsgemäße Verfahren die Anwen-
von Vorteil darin, daß das Aufbringen des dünnen dung von solch hohen Temperaturen, daß eine Diffu-
Überzugs aus pyrolytischem Kohlenstoff dazu dient, sion von Carbid während der Beschichtung auftreten
den Kern aus Uranmonocarbid gegen die Reaktion kann, was bei dem Verfahren nach der DT-AS
mit dem gasförmigen Chlorwasserstoff zu schützen, 1 439 115 ein Problem sein könnte.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Urancarbidsphäroiden, die in Formkörper aus feuerfestem Material für Brennstoffelemente eingefüllt werden, mit einer Spaltprodukte zurückhaltenden Schicht aus pyrolytischem Material, wobei stufenweise bei niedriger Temperatur eine erste dünne Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff auf die Sphäroide aufgebracht wird, gefolgt von der Aufbringung einer zweiten äußeren Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem, feuerfestem Material auf den mit dem pyrolytischen Kohlenstoff beschichteten Ürancarbidsphäroiden bei einer höheren Temperatur von oberhalb 15000C, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise als Substanz für die Sphäroide Uranmonocarbid verwendet wird, daß die erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff bei einer Temperatur zwischen 1200 und 14000C auf den Sphäroiden abgeschieden wird, so daß noch keine Reaktion zwischen der aufgebrachten Schicht und den Uranmonocarbidsphäroiden erfolgt, und daß beim Erhöhen der Temperatur auf oberhalb 15000C die erste aufgebrachte Schicht mit dem Uranmonocarbid unter Bildung von Urandicarbid, reagiert, wobei ein Hohlraum in Form eines Spaltes zwischen den Sphäroiden und der -aufgebrachten zweiten Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem, feuerfestem Material geschaffen wird.
2. Verfahren zur Herstellung von Ürancarbidsphäroiden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite äußere Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material in Form eines Überzugs aus pyrolytischem Kohlenstoff bei einer Abscheidungstemperatur im Bereich von 1500 bis 18000C aufgebracht wird.
3. Verfahren zur Herstellung von Urancarbidspäroiden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der ersten Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff eine Zwischenschicht aus Siliciumcarbid bei einer Abscheidungstemperatur ähnlich der, bei der die erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff aufgebracht wurde, erzeugt wird, und daß darauf eine äußere Schicht aus Siliciumcarbid bei einer Abscheidungstemperatur im Bereich von 1500 bis 16000C aufgebracht wird.
DE1471511A 1963-12-31 1964-12-23 Verfahren zur Herstellung von Urancarbidsphäroiden Expired DE1471511C3 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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GB1178064 1964-03-19

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE1471511A1 DE1471511A1 (de) 1970-05-14
DE1471511B2 DE1471511B2 (de) 1975-01-16
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US3335063A (en) * 1963-11-18 1967-08-08 Gen Dynamics Corp Multi-pyrocarbon coated nuclear fuel and poison particles and method of preparing same
US3755074A (en) * 1968-04-25 1973-08-28 Gulf Oil Corp Method for separating particles
US4016304A (en) * 1969-08-06 1977-04-05 The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration Method for applying pyrolytic carbon coatings to small particles

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3079316A (en) * 1958-05-22 1963-02-26 Minnesota Mining & Mfg Thermally resistant articles and method for their fabrication
US3166614A (en) * 1959-11-30 1965-01-19 Carborundum Co Process of making nuclear fuel element
US3151037A (en) * 1961-02-21 1964-09-29 Minnesota Mining & Mfg Encased fuel
BE620885A (de) * 1961-07-31

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