DE1514042B2 - Verfahren zur herstellung von massiven uran-yttriumhydridkoerpern - Google Patents

Description

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UH₃ und YH₃ gebildet werden, da die Anwesenheit Werkzeuges in einer Presse unter einem Preßdruck

dieser ein Zerfallen der Körper bewirkt. Dies kann von ungefähr 6 Mp/cm² unter Verwendung von Par-

erfindungsgemäß erreicht werden, wenn der über- affinöl als Gleitmittel zu zylindrischen Formkörpern

schüssige, im Hydierrezipienten befindliche Wasser- gepreßt. Die in dieser Weise hergestellten Preßlinge

stoff bei einer Temperatur von 450° C, die nur 5 werden in einem evakuierbaren Rezipienten einge-

wenig oberhalb der Zerfallstemperaturen von UH₃ bracht und langsam mit einer Geschwindigkeit von

(420° C)²) und von YH₃ (307° C)³) liegt, abgepumpt 60° C/h unter einem Vakuum von mindestens

wird. ΙΟ"³ Torr auf eine Temperatur von 1000° C aufge-

Durch die beim Wiederhydrieren durch Bildung heizt, wobei eine vollkommene Dehydrierung erreicht

von Yttriumhydrid auftretende Volumenzunahme io wird. Die Preßlinge verbleiben zur Durchführung der

werden die noch im Körper vorhandenen Mikro- Sinterung drei Stunden bei 1000° C im Rezipienten,

Poren geschlossen, so daß das Endprodukt eine bevor die Ofenabkühlung eingeleitet wird.

Dichte von nahezu 100 °/o aufweist. Nunmehr wird ein Nachverdichten der vorliegen-

Ferner wurde gefunden, daß durch Verwendung den homogenen Uran-Yttrium-Körper mittels eines

von Uranhydridpulver anstatt von Uranpulver die 15 Preßwerkzeuges bei einem Preßdruck von etwa

Homogenität des Uran-Yttriumhydridkörpers noch 10 Mp/cm² vorgenommen, so daß dadurch eine

mehr verbessert werden kann, da die Gefahr der Dichte der Körper von etwa 95 °/o erreicht wird.

Konglomeration des Uranpulvers, wie sie beim Mi- Darauf werden die nachverdichteten Uran-Yttrium-

schen, Pressen oder Sintern auftreten kann, vollstän- Körper in einen Hydrierrezipienten eingesetzt und

dig unterbunden wird. Außerdem wird durch das 20 unter einem Vakuum von mindestens 10~³ Torr auf

Dehydrieren der im Preßling vorhandenen Uran- 1000° C aufgeheizt. Danach wird langsam und dosiert

hydridpartikel die Homogenität der Uranverteilung so lange Wasserstoff in den Rezipienten eingeführt,

noch weiter verbessert. bis sich der Wasserstoff-Gleichgewichtsdruck des

gewünschten Yttriumhydrids eingestellt hat³)⁴).

Verfahrensbeispiel: ²5 Nunmehr werden die so erhaltenen Uran-Yttriumhydrid-Körper langsam abgekühlt, wobei bei Errei-

Zur Herstellung von homogenen Uran-Yttrium- chen einer Temperatur von 450° C der im Hydrierhydrid-Körpern mit der Zusammensetzung von etwa rezipienten verbleibende überschüssige Wasserstoff 15 Gewichtsprozent Uran und 85 Gewichtsprozent abgepumpt wird, um die Bildung von UH₃ und YH₃ YH₁₉ werden Yttriumhydridpulver mit einer Korn- 30 zu vermeiden, die bei 420° C bzw. 307° C eintritt, so größe von 10 bis 200 μΐη und Uranhydridpulver mit daß ein Zerfallen der Körper vermieden wird,
einer Korngröße von 1 bis 5 μηι als Ausgangsstoffe Die Zuführung dieses Verfahrens ergibt homogene verwendet. Aus diesen Ausgangsstoffen wird eine Pul- Körper aus Uran-Yttriumhydrid mit etwa 15 Gevermischung, bestehend aus 15 Gewichtsprozent wichtsprozent Uran und etwa 85 Gewichtsprozent Uranhydridpulver und 85 Gewichtsprozent Yttrium- 35 Yttriumhydrid_li9. Diese Körper zeichnen sich durch hydridpulver der Zusammensetzung YH₁₉ durch sorg- eine hervorragende, nahezu 100%ige Dichte sowie fältiges Mischen unter einer Argonatmosphäre her- durch eine sehr feine, homogene Uranverteilung gestellt. aus und sind in dieser Form als homogener Brenn-

Darauf wird die Pulvermischung mittels eines Preß- stoff-Moderatorkörper besonders geeignet.

¹) I. Sheinhartz, K. Moyerund I. L. Zambrow ³) E. S. Funston, Met. Soc. AIME, Inst. Metals Dive, SCNC-293 (1959) Special Report Series No. 10 (1960)

²) W.D.Wilkinson, Uranium Metallurgy, Vol.1 (1962), ^J) C.E.Lundin, J. P. Blackledge, J. of electrochem. S. 410 ff. Soc, September (1962)

Claims (6)

1 2 Patentansprüche· druckes für Temperaturen oberhalb 800° C Yttriumhydrid in der Zusammensetzung YH13-20 am besten.

1. Verfahren zum Herstellen von massiven Als Brennstoff kommt am besten metallisches Uran Kernbrennstoff-Moderatorkörpern aus Uran-Yt- in an U-235 angereicherter Form in Frage. Zur Hertriumhydrid durch Sintern von Uranpulver und 5 stellung von homogenen Yttriumhydrid-Uran-Kör-Yttriumhydridpulver und nachfolgende Dehydrie- pern bietet sich als günstiger Weg zunächst an, von rung, gekennzeichnet durch langsames einer Yttrium-Uran-Legierung auszugehen und diese Aufheizen der aus einer homogenen Mischung nachfolgend zu hydrieren, wie dies z. B. bei der Hervon Uranpulver und Yttriumhydridpulver gepreß- stellung von Zirkonhydrid-Urankörpern durchführbar ten Formkörper auf 1000° C mit einer Aufheiz- io ist. Dieser Weg läßt sich jedoch nicht beschreiten, da geschwindigkeit von nicht mehr als 60° C/h in Yttrium und Uran im festen und im flüssigen Zustand einem Vakuum von mindestens 10~³ Torr, an- keine Löslichkeit besitzen. Man ist daher darauf anschließendes Sintern und folgendes mechanisches gewiesen, möglichst homogene Mischungen beider auf Nachverdichten der Uran-Yttriumhydrid-Körper pulvermetallurgischem Wege herzustellen. Es ist beauf mindestens 95% Dichte sowie darauffolgen- 15 kannt, daß Uran-Yttrium-Körper durch Pressen und des Aufhydieren der in einem Rezipienten auf Dehydrieren von Uran- und Yttriumhydridpulvern 1000° C aufgeheizten Körper, bis sich der Gleich- mit nachfolgendem Sintern hergestellt werden köngewichtswasserstoffdruck des gewünschten Yttri- nen*). Diese Körper haben jedoch den Nachteil, daß umhydrids eingestellt hat, wonach die Körper das Uran noch relativ grob verteilt vorliegt und daß langsam abgekühlt werden, wobei bei Erreichen 20 bei erneuter Hydrierung die erzielbare Dichte den einer Temperatur von 450° C der im Hydrierrezi- Anforderungen eines Hochtemperatur-Brennstoffpienten verbleibende überschüssige Wasserstoff Moderator-Körpers für die eingangs genannten abgepumpt wird. Zwecke nicht genügt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Es wurde nun gefunden, daß man Uran-Yttriumkennzeichnet, daß die homogene Mischung aus 25 hydrid-Körper von einer Dichte von nahezu 100 ⁰Zo Uranpulver von 1 bis 5 μΐη Korngröße und Yttri- erhalten kann, wenn das Dehydrieren der aus Uranumhydroxidpulver von 10 bis 200 μΐη Korngröße pulver und Yttriumhydridpulver gepreßten Formhergestellt wird. körper durch langsames Aufheizen mit einer Aufheiz-

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- geschwindigkeit von nicht mehr als 60° C/h in einem kennzeichnet, daß die homogene Pulveraiischung 30 Vakuum von mindestens 10~³ Torr auf 1000° C voraus Uranhydridpulver von 1 bis 5 μΐη Korngröße genommen wird und die Formkörper nach dem fol- und Yttriumhydridpulver von 10 bis 200 μΐη genden Sintern mechanisch auf 95 % oder mehr der Korngröße unter Argonatmosphäre hergestellt theoretischen Dichte nachverdichtet und anschließend wird. in einem Rezipienten bei 1000° C bis zum gewünsch-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 35 ten Wasserstoffgleichgewichtsdruck aufhydriert und dadurch gekennzeichnet, daß die homogene Pul- darauf langsam abgekühlt werden, wobei bei Erreivermischung mittels eines Preßwerkzeuges unter chen einer Temperatur von 450° C der überschüssige Anwendung von Paraffinöl als Gleitmittel unter Wasserstoff abgepumpt wird.

einem Preßdruck von 5 bis 10 Mp/cm² zu den Zur Durchführung des Verfahrens wird sehr feines Formkörpern kaltgepreßt wird. 40 Uranpulver von 1 bis 5 μπι Korngröße mit Yttrium-

S.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, pulver von 10 bis 200 μΐη Korngröße homogen gedadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper mischt. Diese Mischung wird bei einem Druck von nach dem Dehydrieren zwei bis fünf Stunden ge- etwa 5 bis 10 Mp/cm² kalt gepreßt und anschließend sintert werden. beginnend bei Raumtemperatur und unter Aufheizung

6. Verfahrennach einem der Ansprüche Ibis 5, 45 bis 1000° C in einem Vakuum von etwa 10~³ Torr dadurch gekennzeichnet, daß das Nachverdichten dehydriert und einige Zeit auf einer Temperatur geder Sinterkörper unter einem Preßdruck von halten. Dabei stellt sich ein Sinterprozeß ein. Es ist 10 Mp/cm² erfolgt. von großer Wichtigkeit, die Dehydrierung vor allem

während der Aufheizzeit genügend langsam durchzu-

50 führen, da sonst durch das zu schnelle Entweichen

des Wasserstoffs zusätzliche Porositäten erzeugt wer-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum den. Um dies zu vermeiden, darf nach einer wesent-

Herstellen von Kernbrennstoff-Moderatorkörpern für liehen Erkenntnis die Aufheizgeschwindigkeit nicht

Kernreaktoren. Insbesondere bei Kleinstreaktoren, mehr als 60° C/h betragen.

wie sie z. B. für Raumfahrtzwecke als Energiequellen 55 Das nunmehr erhaltene Produkt weist bereits eine

in Betracht kommen, ist aus Gewichtsgründen die Dichte von etwa 90% auf. Eine weitere Steigerung

Erzielung möglichst hoher Leistungsdichten aus- der Dichte auf etwa 95 % wird durch anschließendes

schlaggebend. Dies kann erreicht werden, wenn sich mechanisches Nachverdichten auf einer Presse erzielt,

der Kernbrennstoff und der Moderator in einer mög- Dabei wird vorteilhaft ein Preßdruck von etwa

liehst homogenen Verteilung befinden. Zur Erreichung 60 10 Mp/cm² angewandt.

eines optimalen Wirkungsgrades ist es ferner erfor- Die nun nachverdichteten Körper werden anderlich, die Betriebstemperatur möglichst hoch zu schließend bei 1000° C wieder hydriert. Dabei wird wählen. auf Grund der sehr unterschiedlichen Zersetzungs-Ais Moderatoren, die eine kompakte Anordnung drücke nur Yttriumhydrid gebildet. Das Uran liegt gewährleisten, kommen für die geforderten hohen 65 nach wie vor metallisch in Form kleinster Partikel Temperaturen (etwa 600° C) nur Metallhydride mit vor. Für den Erfolg des Verfahrens ist es nach einer hoher thermischer Stabilität in Frage. Dabei eignet weiteren Erkenntnis wesentlich, daß bei der folgensich wegen seines sehr geringen Wasserstoffpartial- den Abkühlung nicht die wasserstoffreien Phasen