-
"Die Herstellung von Brennstoffen für Kernerakteren" Diese Erfindung
betrifft die Herstellung von 3etriebsstoffen, beziehungsweise Brennstoffen für kernereaktoren
und im besonderen die Herstellung von trockenen Granulaten für keramischen Kernbrennstoff,
ein Zwischenprodukt-verfahren in der Gesamt produktion von Kerneraktorbrennstoffelementen.
-
Ein Beispiel bei der Herstellung von Kernreaktorbrennstoffeliementen
schlisesst die Stufen ein des herstellens einer kersmischen Uraniumvorbindung, wie
Uranium-dioxyd oder Uranium-oarbid durch chemische Mittel, Bildung von Granulaten
aus einem Gemisch von keramischer Uraniumverbinding und einem
gee@@neten
@@@@@@ Trocknen der so gebildeten Granulate, Ver@@Cht@@ @@@@ Masse der trockened
Granulate des bezeichneten @emischs in Körpern von geeigneter Form, Sintern der
ver@@chteten K@rper, Behandeln der gesinterten Formstücke zur @usscn@@@@ng des Bindermaterials
und Herstellen eines Ker@@@ @k@orbrer@nstoffelements, zur Verwendung der bezeich-@@@
@@@@@@@@ geeig@@ter Weise ummantelt oder in einer ge-@@@@@@@ @@@ @@@@@@ @@@ @@@@@nstoffglieier@
Die Körnung, welche eine notwendige Voraussetzung zur Ge-@@@ @@@@ ein@@ fr@@@fli@ßerden
Beshcickung einer automatischen Breser und @@@ @@@dung reprduzierbarer Körper ist,
kann auf verschi@dene Möglichkeiten durchgeführt werden, wob@@ @@@@@ Bei@@i@@ di@@er
kann das mechanische Mischen von g@@a@@enem @@@@@r mit einem Bindemittel in flüssiger
Form mit nacnfolgendem Pressen der Paste durch ein Sieb zur Bild@ng von Gran@laten,
welche dann das Trocknen und Klassifizie@en erfor@e@@@ @@@@@h kann dieses Verfahren
Nachteile haben, wie Verunreinigung des Produkts durch Abriebmaterial van Mischer
oder Sieb, die Schwierigkeit sich wiederholender Steuerung über Produktparatmeter,
welche die nachfolgenden Verfahren beeinträchtigen können, zum Beispiel Granulatgrösse,
lagerdichte (tap density) usw., unvollständiges oder nichthomogenes Mischen des
keramischen Anteile und des Bindemirtels und überschüssige Anlagenmaterialstauung
in einem Produktionsverfahren. 1)arüberhinaus ist es erforderlich die Granulate
nach der Herstellung zu trocknen, um die bei
der Körnung verwendete
Flüssigkeit zu entfernen.
-
Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein alternatives
Verfahren zur Körnung zu schaffen, in welchem die bezeichneten Nachteile wenigstens
teilweise überwunden sind.
-
Nach der Erfindung umfasst ein Verfahren der Körnung eines keramischen
Kernbrennstoffs das Mischen des keramischen Kernbrennstoffs in Pulverform mit einer
Lösung eines Binders in einem Überschuss von nicht-wässrigem Lösungsmittel von dem
niedrigsten Wassersto;ffgehalt' um eine Schlämme zu bilden, Sprühtrocknen der Schlämme,
zur Herstellung trockener Granulate des kersmischen Kernbrennstoffs, welcher das
bindemittel inning in sich einverleibt, enthält.
-
Das nicht-wässrige Lösungsmittel kann vorteilhafterweise ein solches
der Klasse chlorierte Kohlenwasserstoffe, belspielsweise trichler@thylen, sein.
-
Ein geeignetes Bindemittel zur Verwendung mit UO2 oder gemischtem
UO2-PuO2 Pulver ist beka@nt als "Cranko" (Poly-Butylmethacrylat in Dibutyl-phthalat)
und ein geeignetes Lösungsmittel für dieses Bindemittel ist @richloräthylen.
-
Es wird nunmeil ein Anwendungsbeispiel des bezeichneten Verfahrens
für die Körnung von UO2 Pulver, unter hinweis
auf die begleitende
Zeichnung, beschrieben, wobei die einz zige Ausführungsform derselben einen Diagrammerläuterung
der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Apparatur ist.
-
Mit einem Kugelmühle-gemahlenen oder mioronisierten U02 Pulver wird
ein Einfülltrichter 1 beschickt, welcher durch Schwerezuführung über das Ventil
2 mit einem Mischkessel 3 verbindet, der mit einem kraftgetriebenen Rtilirwerk 4
ausgestattet ist. Ein weiterer Mischkessel 5 mit einem kraftgitriebenen Rührwerk
6 wird beschickt aus einem Bindemittellagerkessel 7 über ein Ventil 8 und einem
Lösungsmittellagertank 9 über ein Ventil 10, wobei der Bindemittelkessel -7 durch
die Pumpe 11 und der Lösungsmitteltank durch eine Pumpe 12 auf Vorrat gehalten wird.
Das Bindemittel, bestehend aus Crsnko (poly-Butylmethabrylat in Dibutylphthalat
und Trichloräthylen) und das Trichloräthylenlösungsmittel werden vom Kessel 7 und
Tank 9 jeweils beziehungsweise in den Kessel 5 geführt und werden dort durch das
Rührwerk 6, zur Herstellung einer Flüssigkeit, gemischt, welche Trichloräthylen
im Überschuss gegenüber der als Binderlösungsmittel eriorderlichen Menge enthält.
Eine geeignete Menge dieser Flüssigkeit wird dann durch Schwere zu dem Kessel 3
geführt, welcher mit dem Kessel 5 über ein Ventil 13 in Verbindung steht, und wird
dort durch Verwendung des Rührwerks 4 mit einer geeigneten Menge U02 Pulver vom
Trichter 1 gemischt. Der Kessel 3 enthält ebenso eine eingetauchte Pumpe 14, welche
verwendet
wird zum Pumpen der Schlämme die sich aus dem Mischen
von UO2 Pulver und überschüssiges Trichloräthylen enthaltender Binderflüssigkeit
ergibt, in einen Vorratstank 15, welcher mit einem Rührwerk 16 ausgestattet ist,
um das U02 Pulver nicht absitzen zu lassen. Eine eingetauchte Pumpe 17 dient für
das kontinuierliche Übertragen der Schlämme aus dem Lagertank 15 zu einem Kopftank
18, von wo die Schlämme durch Schwere über ein Ventil 19 zu dem Schlämmeeinlass
eines Sprühtrockners 25 fliesst.
-
Der Sprühtrookner 20, in der Zeichnung erläutet, ist ein solcher des
rotierenden Scheibentypus und hat eine angetriebene rotierende heibe 21, auf welche
die Schlämme mit ropfen geeigneter Grösse beschickt wird. Der Sprühtrockner hat
einen Heisslufteinlass, welcher ermöglicht Luft, die vorher durch ein Filter 22
filtriert und einen Dampfumaantelungserhitzer 23 erhitzt wurde, mit oder ohne ein
elektrisch erhitztesAufladegerät24, einzuziehen in den Sprühtrookner durch ein Abzugsgebläse
25, welches mit einem Auslass 26 am Boden des Sprühtrockners 20 über einen Oyclon
(Staubentferner) 27, Beutelfilter 28 und absoluten Filter 29 verbunden ist, wobei
diese Bestandteile sicherstellen, dass das gesamte feste Material aus der Gasphase
entfernt wird, welche aus Luft und verdampftem Lösungsmittel besteht, wobei die
Gasphase einem herkömmlichen Extraktsystem oder einer Lösunsmittelwiedergewinnungsanlage
zugeführt wird. Pulversammelnde Kessel 30, 31 und 32 sind verbunden mit dem Sprühtrocknerauslass
26,
dem Cyclon 27 und dem Beutelfilter 28, jeweils beziehungsweise und arbeiten über
Umlaufventile 33, bezienungsweise 34 and 35. Kessel Übergang-, beziehungsweise Wechselventile
36, beziehungsweise 37 und 38 sind ebenso vorgesehen. Der Versuch hat aufgezeigt,
dass die Produktent@@@n@@g daß @e@ @@f@@trom, auch bei Welgassen des Cyclons möglich
ist, diess wahlweise Anordnung wird aufgezeigt in der Seichnung darch die punktierte
Linie 39, die den Sprühtrockher 26 unmitteiber mit dem Deutelfilter 28 verbindet.
-
Anstelle des in der Erläuterung aufgezeichneten Sprühtrockner des
rctieren@en Scheibentypus kann wahlweise der Sprühtrockdei des @ypus ver@endet werden,
welcher einen Düsen-Fein@@zerstäuker für die Schlaämmbeschickung (entweder aufwärt.
oder abwärts sprühend) verwendet, wobei die Anlagenbestandteile auf ander@ Weise
als in der Zeichnung erläutert, angeordnet sein können, ausgenommen die notwendige
Ausrüstung (bekannt) für die Beschickung der Schlämme zu der Düse.
-
E@@e brauchbare belieblge Zugabe zu jedem Typ von Sprühtrockner ist
ein Luftrechen, welcher dazu dient, die Entfernung des Produktes, welches and der
Wand des Sprühtrocknerkessels anhaftet, zu unterstützen (eln solches anhaftendes
Produkt fällt weitgehend von der Wandung beim Austrocknen).
-
Der Lufterechen umfasst ein perforiert es Rohr 40, gebogen, um der
Basis und Wandung des Sprühtrookners zu folgen, wie in der zeichnung in punktierter
Linie erläutert, wobei das
Rohr 40 winkelmässig in der Weise beweglich
ist, das sein Weg der Wandung des Sprühtrockners folgt und die Perforie-. rungen
des Rohrs 40 80 angebracht sind, dass sie einen abwärts gerichteten Luftstrom, welcher
erhitzt seill kann und welcher über das untere Ende des Rohres 40 zugeführt werden
kann, über die Sprühtrocknerwandung, richten. Die Luft aus dem Rohr 40 verbindet
sich mit der ausgeführten Luft und dem Produkt.
-
In beispielhafter Weise sollen nunmehr typische @engen und Arbeitsbedingungen
in einer Prototyp-Ausrüstung angegeben werden, ein 50 kg Ansatz von U02 Pulver,
3,7 kg Bindemittel (bestehend aus 1,32 kg poly-Butylmethacrylat und 0,18 kg dibutylphthalat
in 2,25 kg Trichlorathylen) wird aus dem Kessel 7 zu dem Misolkessel 5 beschickt
und 46 kg (32 1) Trichloräthylen wird aus dem Tank 9 zu dem Kessel 5 beschickt,
wobei die beiden Flüssigkeiten durch das Rührwerk 6 gemisent werden. 50 kg U02 Pulver
vom Trichter 1 wird zu dem ischkessel 3 beschickt und die gemischten Flüssigkeiten
vom Kessel 5 zugegeben, wobei das Rührwerk 4 dazu dient hieraus eine Schlämme herzustellen,
welche zu dem Lagertank 15 überbracht wird und durch den Rührer 16 in Bewegung gehalten
wird, bereit zur Übertragugn zu dem Kopftank 18, soweit erforderlich.
-
Die Protot@@ @@htrocknungsvorrichtung hat einen @@ft. Durchmesser
x 12 @t, @@@en Hohlkörper, und sie vird anfangs der Arbeit auf Arbeitstemperatur
gebracht durch @inblasen von Luft mit
ungefähr 2500C (wobei zur
Erhitzung der Luft die mantelung 23, mit oder ohne du Aufladegerät 24, soweit erforderlich,
verwendet wird) duroh den Sprühtrockner 20, den Cyolon 27,( wenn vorgesehen) den
Beutelfilter 28 und den absoluten Filter 29 mittels eines Abzuggebläses 25. Dis
Bindemittel/Trichloräthylenschlämme wird dann mit ungefähr 50 kg U02 pro Stunde
vom Kopftank 18 zu der Scheibe 21 (eder dem Düsenzerstäuber, wenn die bezeichnet
wahlweise Pora des Sprühtrockners verwendet wird) beschickt. Ungefähr 80% der so
erhaltenen, getrockneten Granulate werden in dem Sam@elkessel 30 bei dem Sprühtrocknerauslass
gesammelt, ungefähr 15% in dem Kessel 31 bei dem Cyclon und die verbleibenden 5%
in dem Kessel 32 des Beutelfilters. Typische Abfäufe mit weggelassenem Cycoln 27
und etwas grösseren Granulatgrössen betrugen im Durchschnitt 93 Sammeln im Kessel
30 und 10% im Kessel 32. Irgendwelches verbleibendes U02 als Feinstaub wird im absoluten
filter 29 zurückgehalten. Das Trichloräthylen wird vollkommen durch die heisse Luft
verdampft, und du Bindemittel ist in homogener Weise in den Granulaten einverleibt.
-
Die Verwendung eines nicht-wässrigen Lösungsmittels mit @inein geringst
niedrigen Wasserstoffgehalt, wie Trichleräthylen, in einem Überschuss gegenüber
der erforderliehen Menge zur Lösung des Binders, ist aus zwei Hauptgründen vertelihaft.
-
Für die Kernbrennstoffverwendung ist die Anreicherung de@ UO2 Pulvers
an U235 (zum Beispiel auf 5%) erstrebt und der
kritische Wert kann
dort ein Problem sein, wo es die Materialkonzentration in Mengen betrifft, die für
ein voll auagenutztes Herstellungsverfahren geeignet sind. Wenn Wasser für die Schlämmebildung
des UO2 verwendet wurde, würden die zulässigen Konzentrationen gering sein, was
wiederum die Anlagengrsse schwerwiegend verkleinern würde und zu einem @@icht-wirtschaftlichen
Verfahren führen würde. Weil jedoch Trichloräthylen ein viel weniger wirksamer Neutronenmoderator
als Wasser, wegen seines geringeren Wasserstoffgehaltes, ist, wird die Verkleinerung
der Anlagengrösse beträchtlich erleiohtert. Die in gleicher Weise vorteilhafte Verwendung~
nicht-wässriger Lösungsmittel mit O Wasserstoffgehalt, wie Tetrachlorkohlenstoff,
wird ebenso in Betracht gezogen, Tatsächlich sind Glieder der Klasse von chlorierten
Kohlenwasserstoffen besonders als nioht-wäaßriges Ldsungsmittel für die Zwecke der
Erfindung geeignet.
-
Ein anderer bedeutender Vorteil liegt in der Tatsache, dass die Art
der vorgesehenen nicht-wässrigen Lösungsmittel im allgemeinen Qine geringere latente
Wärme zur Verdampfung und sui Siedepunkt erfordern als Wasser, welches ermöglicht
grössere Granulate von sprühgetrocknetem UO2 in einer gegebenen Größe des Sprtihtrookners
herzustellen, im Vergleich mit der Granulatgrösse von Wasser-aufgeschlämmtem UO2.
Im spezifischen Falle von Trichloräthylen als nicht-wässrigem Lösungsmittel, ist
dessen latente Verdampfungswärme 57,3 bei 1500 Kalorien/ gr, im Vergleich mit 530,55
bis 15°C Kalerien/gr für Wasser.
und sein Siedepunkt ist 87,200,
im Vergleich mit 100°C für Wasser. Beiepieisweise können UO2 Granulate bis hinaui
zu 250 microns, unter Verwendung von Triohloräthylen als Aufschlämmedium verwendet
werden. Allgemein gesprochen wurde gefunden, dass grdssere U02-Granulate (im Vergleich
mit solchen, die nach dem rotierenden Scheibentypus des in den Zeichnungen aufgezeigten
Sprühtrockners hergestellt wurden) se hergestellt werden, können, durch verwenden
des Sprühtrocknertypus, welcher einen Düsenfeinverstäuber hat, welcher einen aufwärts
gerichteten Sprühstrahl herstellt, der in Kontakt steht mit der Heissluft vom Einlass
am Kopf des Sprühtrockners und abwärts durch das Abzugsystem gerichtet wird, welches
mit dem Bodenaualass des Sprühtrockners in Verbindung steht.
-
Weitere Vorteile liegen in der Tatsache, dass gefunden wurde, dass
das Sprühtrocknen Granulate liefert von bemerkenswert konstanter Grösse, welche
eine weitere Granulatklassifizierungsstufe unnötig machen und weiter in der Tatsache,
dass das Sprühtrocknen die weiter Stufe des Trocknens ausscheidet, welche bei Wegen
erforderlich war, die andere Granulierungsverfahren, in welchen Flüssigkeiten verwendet
wurden, einschliessen. Dieses Sprühtrocknen scheidet zwei herstellungs- ij arbeitsverfahren
aus, was wirtschaftlich attraktiv ist. Es wurde ebenso gefunden, dass die durch
Verdichten (in automatischen Pressen) gebildeten Brennstoffkörper von sprühgetrocknetem
U02 und dann durch Sinterung in der Qualität
besser waren, als
solche, die aus Material hergestellt wurden, das auf andere Weise erreicht wurde,
zum Beispiel auf dem Weg der Siebgranulierung. Es wurde gefunden, dass Brennstoffkörper
aus sprühgetrocknetem UO2 2 nach Versinterung in den Ausmassen reproduzierbarer
waren und eine bessere Oberflächenbeschaffenheit hatten, wobei beides ein nachfolgendes
Verarbeiten durch Mahlen auf Grösse nicht erforderlich macht.