DE1514042C3 - Verfahren zur Herstellung von massiven Uran-Yttriumhydridkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Kernbrennstoff-Moderatorkörpern für Kernreaktoren. Insbesondere bei Kleinstreaktoren, wie sie z. B. für Raumfahrtzwecke als Energiequellen in Betracht kommen, ist aus Gewichtsgründen die Erzielung möglichst hoher Leistungsdichten ausschlaggebend. Dies kann erreicht werden, wenn sich der Kernbrennstoff und der Moderator in einer möglichst homogenen Verteilung befinden. Zur Erreichung eines optimalen Wirkungsgrades ist es ferner erforderlich, die Betriebstemperatur möglichst hoch zu wählen.

Als Moderatoren, die eine kompakte Anordnung gewährleisten, kommen für die geforderten hohen Temperaturen (etwa 600° C) nur Metallhydride mit •hoher thermischer Stabilität in Frage. Dabei eignet sich wegen seines sehr geringen Wasserstoffpartialdruckes für Temperaturen oberhalb 800° C Yttriumhydrid in der Zusammensetzung YH₁₅._{2 0} am besten. Als Brennstoff kommt am besten metallisches Uran in an U-235 angereicherter Form in Frage. Zur Herstellung von homogenen Yttriumhydrid-Uran-Körpern bietet sich als günstiger Weg zunächst an, von einer Yttrium-Uran-Legierung auszugehen und diese nachfolgend zu hydrieren, wie dies z. B. bei der Herstellung von Zirkonhydrid-Urankörpern durchführbar

ίο ist. Dieser Weg läßt sich jedoch nicht beschreiten, da Yttrium und Uran im festen und im flüssigen Zustand keine Löslichkeit besitzen. Man ist daher darauf angewiesen, möglichst homogene Mischungen beider auf pulvermetallurgischem Wege herzustellen. Es ist bekannt, daß Uran-Yttrium-Körper durch Pressen und

, Dehydrieren von Uran- und Yttriumhydridpulvern mit nachfolgendem Sintern hergestellt werden können !). Diese Körper haben jedoch den Nachteil, daß das Uran noch relativ grob verteilt vorliegt und daß bei erneuter Hydrierung die erzielbare Dichte den Anforderungen eines Hochtemperatur-Brennstoff-Moderator-Körpers für die eingangs genannten Zwecke nicht genügt.

Es wurde nun gefunden, daß man Uran-Yttriumhydrid-Körper von einer Dichte von nahezu 100 ⁰Zo erhalten kann, wenn das Dehydrieren der aus Uranpulver und Yttriumhydridpulver gepreßten Formkörper durch langsames Aufheizen mit einer Aufheizgeschwindigkeit von nicht mehr als 60° C/h in einem Vakuum von mindestens 10~³ Torr auf 1000° C vorgenommen wird und die Formkörper nach dem folgenden Sintern mechanisch auf 95% oder mehr der theoretischen Dichte nachverdichtet und anschließend in einem Rezipienten bei 1000° C bis zum gewünschten Wasserstoffgleichgewichtsdruck aufhydriert und darauf langsam abgekühlt werden, wobei bei Erreichen einer Temperatur von 450° C der überschüssige Wasserstoff abgepumpt wird.

Zur Durchführung des Verfahrens wird sehr feines Uranpulver von 1 bis 5 μΐη Korngröße mit Yttriumpulver von 10 bis 200 μΐη Korngröße homogen gemischt. Diese Mischung wird bei einem Druck von etwa 5 bis 10 Mp/cm² kalt gepreßt und anschließend beginnend bei Raumtemperatur und unter Aufheizung bis 1000° C in einem Vakuum von etwa 10~³Torr dehydriert und einige Zeit auf einer Temperatur gehalten. Dabei stellt sich ein Sinterprozeß ein. Es ist von großer Wichtigkeit, die Dehydrierung vor allem während der Aufheizzeit genügend langsam durchzuführen, da sonst durch das zu schnelle Entweichen des Wasserstoffs zusätzliche Porositäten erzeugt werden. Um dies zu vermeiden, darf nach einer wesentlichen Erkenntnis die Aufheizgeschwindigkeit nicht mehr als 60° C/h betragen.

Das nunmehr erhaltene Produkt weist bereits eine Dichte von etwa 90% auf. Eine weitere Steigerung der Dichte auf etwa 95 % wird durch anschließendes mechanisches Nachverdichten auf einer Presse erzielt. Dabei wird vorteilhaft ein Preßdruck von etwa 10 Mp/cm-' angewandt.

Die nun nachverdichteten Körper werden anschließend bei 1000° C wieder hydriert. Dabei wird auf Grund der sehr unterschiedlichen Zersetzungsdrücke nur Yttriumhydrid gebildet. Das Uran liegt nach wie vor metallisch in Form kleinster Partikel vor. Für den Erfolg des Verfahrens ist es nach einer weiteren Erkenntnis wesentlich, daß bei der folgenden Abkühlung nicht die wasserstoffreien Phasen

UH₃ und YH₃ gebildet werden, da die Anwesenheit dieser ein Zerfallen der Körper bewirkt. Dies kann erfindungsgemäß erreicht werden, wenn der überschüssige, im Hydierrezipienten befindliche Wasserstoff bei einer Temperatur von 450° C, die nur wenig oberhalb der Zerfallstemperaturen von UH₃ (420° C)²) und von YH₃ (307° C)³) liegt, abgepumpt wird.

Durch die beim Wiederhydrieren durch Bildung von Yttriumhydrid auftretende Volumenzunahme werden die noch im Körper vorhandenen MikroPoren geschlossen, so daß das Endprodukt eine Dichte von nahezu 100 %> aufweist.

Ferner wurde gefunden, daß durch Verwendung von Uranhydridpulver anstatt von Uranpulver die Homogenität des Uran-Yttriumhydridkörpers noch mehr verbessert werden kann, da die Gefahr der Konglomeration des Uranpulvers, wie sie beim Mischen, Pressen oder Sintern auftreten kann, vollständig unterbunden wird. Außerdem wird durch das Dehydrieren der im Preßling vorhandenen Uranhydridpartikel die Homogenität der Uranverteilung noch weiter verbessert.

Verfahrensbeispiel:

Zur Herstellung von homogenen Uran-Yttriumhydrid-Körpern mit der Zusammensetzung von etwa 15 Gewichtsprozent Uran und 85 Gewichtsprozent YH₁₉ werden Yttriumhydridpulver mit einer Korngröße von 10 bis 200 μπι und Uranhydridpulver mit einer Korngröße von 1 bis 5 μπα als Ausgangsstoffe verwendet. Aus diesen Ausgangsstoffen wird eine Pulvermischung, bestehend aus 15 Gewichtsprozent Uranhydridpulver und 85 Gewichtsprozent Yttriumhydridpulver der Zusammensetzung YH₁₉ durch sorgfältiges Mischen unter einer Argonatmosphäre hergestellt.

Darauf wird die Pulvermischung mittels eines Preßwerkzeuges in einer Presse unter einem Preßdruck von ungefähr 6 Mp/cm² unter Verwendung von Paraffinöl als Gleitmittel zu zylindrischen Formkörpern gepreßt. Die in dieser Weise hergestellten Preßlinge werden in einem evakuierbaren Rezipienten eingebracht und langsam mit einer Geschwindigkeit von 60° C/h unter einem Vakuum von mindestens 10~³ Torr auf eine Temperatur von 1000° C aufgeheizt, wobei eine vollkommene Dehydrierung erreicht

ίο wird. Die Preßlinge verbleiben zur Durchführung der Sinterung drei Stunden bei 1000° C im Rezipienten, bevor die Ofenabkühlung eingeleitet wird.

Nunmehr wird ein Nachverdichten der vorliegenden homogenen Uran-Yttrium-Körper mittels eines Preßwerkzeuges bei einem Preßdruck von etwa 10 Mp/cm² vorgenommen, so daß dadurch eine Dichte der Körper von etwa 95 % erreicht wird.

Darauf werden die nachverdichteten Uran-Yttrium-Körper in einen Hydrierrezipienten eingesetzt und unter einem Vakuum von mindestens 10~³ Torr auf 1000° C aufgeheizt. Danach wird langsam und dosiert so lange Wasserstoff in den Rezipienten eingeführt, bis sich der Wasserstoff-Gleichgewichtsdruck des gewünschten Yttriumhydrids eingestellt hat³)⁴).

Nunmehr werden die so erhaltenen Uran-Yttriumhydrid-Körper langsam abgekühlt, wobei bei Erreichen einer Temperatur von 450° C der im Hydrierrezipienten verbleibende überschüssige Wasserstoff abgepumpt wird, um die Bildung von UH₃ und YH₃

zu vermeiden, die bei 420° C bzw. 307° C eintritt, so daß ein Zerfallen der Körper vermieden wird.

Die Zuführung dieses Verfahrens ergibt homogene Körper aus Uran-Yttriumhydrid mit etwa 15 Gewichtsprozent Uran und etwa 85 Gewichtsprozent Yttriumhydrid₁₎₉. Diese Körper zeichnen sich durch eine hervorragende, nahezu 100%ige Dichte sowie durch eine sehr feine, homogene Uranverteilung aus und sind in dieser Form als homogener Brennstoff-Moderatorkörper besonders geeignet.

') I. Sheinhartz, K. Moyer und I. L. Zambrow

SCNC-293 (1959)
²) W.D.Wilkinson, Uranium Metallurgy, Vol.1 (1962),

S. 410 ff.

³) E. S. Fu ns ton, Met. Soc. AIME, Inst. Metals Dive, Special Report Series No. 10 (1960)

⁴) C. E. Lundin, J. P. Blackledge, J. of electrochem. Soc, September (1962)

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von massiven Kernbrennstoff-Moderatorkörpern aus Uran-Yttriumhydrid durch Sintern von Uranpulver und Yttriumhydridpulver und nachfolgende Dehydrierung, gekennzeichnet durch langsames Aufheizen der aus einer homogenen Mischung von Uranpulver und Yttriumhydridpulver gepreßten Formkörper auf 1000° C mit einer Aufheizgeschwindigkeit von nicht mehr als 60° C/h in einem Vakuum von mindestens 10~*³ Torr, anschließendes Sintern und folgendes mechanisches Nachverdichten der Uran-Yttriumhydrid-Körper auf mindestens 95% Dichte sowie darauffolgendes Aufhydieren der in einem Rezipienten auf 1000° C aufgeheizten Körper, bis sich der Gleichgewichtswasserstoffdruck des gewünschten Yttriumhydrids eingestellt hat, wonach die Körper langsam abgekühlt werden, wobei bei Erreichen einer Temperatur von 450° C der im Hydrierrezipienten verbleibende überschüssige Wasserstoff abgepumpt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die homogene Mischung aus Uranpulver von 1 bis 5 μΐη Korngröße und Yttriumhydroxidpulver von 10 bis 200 μΐη Korngröße hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die homogene Pulvermischung aus Uranhydridpulver von 1 bis 5 μΐη Korngröße und Yttriumhydridpulver von 10 bis 200 μΐη Korngröße unter Argonatmosphäre hergestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die homogene Pulvermischung mittels eines Preßwerkzeuges unter Anwendung von Paraffinöl als Gleitmittel unter einem Preßdruck von 5 bis 10 Mp/cm² zu den Formkörpern kaltgepreßt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper nach dem Dehydrieren zwei bis fünf Stunden gesintert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachverdichten der Sinterkörper unter einem Preßdruck von 10 Mp/cm² erfolgt.