DE1667365A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Karbid-Reaktorbrennstoff - Google Patents

Description

Di_Pi.-ing. Klaus Neubecker 1667365

Patentanwalt Düsseldorf, den Ii F3-\ 1957

4 Dj3Gs!dorf-Eller KN/R 5

Am Straussenkreuz 53,Tel.722<556

1134-6
67ül

Atomic Energy of Canada Ltd.
Ottawa, Ontario, Kanada

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung
von Karbid-Reaktorbrennstoff

Die vorliegende lirfindun;.·; oezielit sich auf die Herstellung von Reaktorbrennstoff, insbesondere von Reaktorbrennstoff, der vorwiegend aus Uranmonokarbici (UC) mit j^erIngen Mengen Verunreinigungen besteht. Die Erfindung erstreckt sich ebenso auf die Herstellung· von Reaktororennstoff aus Thoriummonokarbid (ThC) oder Plutoniummonokarbicl (PuC) sowie verschiedener Mischungen der drei genannten Verbindungen, soll Jedoch insbesondere unter Bezugnahme auf Uranmonokarbid besclirieuen werden. Im speziellen bezieht sich die vorliegende Erfindung dabei auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung eines KarbLd-Reaktorbrennstoffes in Form
ei rief·; Tablettenkörpers.

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Bei gegenwärtig bekannten Verfahren für die Herstellung von Uranmonokarbid-Reaktorbrennstoff wird unter anderem ein Gemisch aus Uranmetall und Kohlenstoff zur Reaktion gebracht, so daß Urankarbid gebildet wird, beispielsweise dadurch, daß das Gemisch aus Uranmetall und Kohlenstoff unter Verwendung einer Graphitelektrode mit Hilfe eines Lichtbogens in einem wassergekühlten Kupfergefäß geschmolzen wird, wobei das Erzeugnis anschließend in Formen gegossen werden kann. Ebenso kann auch Urankarbid geringer Dichte entweder in klumpenartiger oder tablettenföüiger Gestalt lichtbogengeschmolzen und in Formen gegossen werden.

Bei Anwendung der Lichtbogenschmelzung hat man festgestellt, daß eine Graphitelektrode während des Schmelzvorganzes eine Änderung des Kohlenstoffgehaltes des Urankarbids verursacht, während die Verwendung anderer Elektrodenwerkstoffe wie etwa Wolfram dazu führt, daß Verunreinigungen in das Urankarbid eindringen. Insofern ist es bei dem vorgenannten Verfahren notwendig, eine sehr sorgfältige Überwachung vorzunehmen um sicherzustellen, daß die für die jeweilige Zusammensetzung zulässigen Grenzen für das endgültige Erzeugnis nicht überschritten werden und keine übermäßigen Mengen an Verunreinigungen in dem Enderzeugnis enthalten sind.

Es ist auch bekannt, feines Urankarbidpulver entsprechend großer überfläche gemäß herkömmlichen Pulvermetallurgieverfahren, d.h. Kaltpressen und Sintern, zu behandeln, um einen Urankarbid-ileaktorbrennstoff mit der erforderlichen hohen

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Dichte zu erhalten. Dabei ist jedoch festgestellt worden, daß dieses Verfahren bestimmte Probleme insofern mit sich bringt, als das feine Urankarbidpulver in starkem Maße luftentzündlich ist und durch verschiedenerlei Maßnahmen, beispielsweise Verarbeitung in einem abgeschlossenen, mit Edelgas gefüllten Gehäuse, innerhalb dessen eine Verarbeitung des Pulvers erfolgen kann (glove box), oder durch Überziehen mit organischen Flüssigkeiten oder Wachsen gegen Oxidation geschützt werden muß. Bei Adsorption auch nur einer geringen Sauerstoffmenge durch das Urankarbidpulver wird die Dichte des endgültigen, gesinterten Erzeugnisses herabgesetzt.

Ferner ist es bekannt, zur Herstellung von Urankarbid-Reaktorbrennstoff ausreichender Dichte feines Uranmetallpulver und Kohlenstoffpulver unter Anwendung herkömmlicher Warmpreßverfahren miteinander zur Reaktion zu bringen und Urankarbid zu bilden oder stattdessen feines Urankarbidpulver warmzupressen. Mit diesen bekannten Verfahren sind verschiedene Nachteile verbunden, wie beispielsweise die lange Zeit, die für das Warmpressen der einzelnen Tablettenkörper erforderlich ist und die häufig in der Größenordnung von 30 Minuten oder sogar länger liegt, wenngleich in einigen Fällen auch schon Zeiten von 5-15 Minuten ausreichen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Urankarbid in dem feinpulvrigen Zustand verarbeitet werden muß, woduch sich naturgemäß eine Reihe damit zusammenhängender Schwierigkeiten ergeben.

Wie bereits angedeutet, umfassen einige der gegenwärtig ein-

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gesetzten Verfahren für die Herstellung von Urankarbid-Reaktorbrennstoff von ausreichender Dichte Verarbeitungsstufen, in denen Urankarbid-Rohstoff beispielsweise zunächst in die Form eines Tablettenkörpers mit einer Dichte von ungefähr 60 % oder weniger der theoretisch möglichen Dichte gebracht wird. Bei einem bekannten derartigen Verfahren zur Herstellung von Urankarbid-Rohstoff in Form von Tablettenkörpern niedriger Dichte, d.h. 60 % des theoretischen Wertes, werden Uranoxid und Kohlenstoff gemischt, granuliert und anschließend mit Hilfe einer geeigneten Presse zu kurzen zylindrischen Tablettenkörpern gepresst. Diese Tablettenkörper werden dann im Vakuum erhitzt, so daß es zu der erforderlichen Reaktion zwischen Uranoxid und Kohlenstoff und damit der gewünschten Bildung von Urankarbid kommt.

Wie schon allgemein angedeutet, wurde der gewonnene Urankarbid-Rohstoff bisher entweder lichtbogengeschmolzen und in Stangenform gegossen oder zu einem feinen Puder kugelvermahlen und anschließend in einem Sinterprozess wieder verfestigt, um den gewünschten Urankarbid-Reaktorbrennstoff ausreichender Dichte, d.h. ungefähr 95 % des theoretisch möglichen Wertes, zu erhalten. Wie ebenfalls schon vorstehend erwähnt, sind mit jedem dieser bekannten Verfahren zur Behandlung von Urankarbid-Rohstoff allgemein/bekannte Nachteile verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher in erster Linie, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, die

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Dichte auf herkömmliche Weise hergestellter Urankarbid-Presslinge zu erhöhen, um Urankarbid (Plutoniumkarbid oder Thoriumkarbid bzw. Gemische davon) als Reaktorbrennstoff in Form von Tablettenkörpemausreichender Dichte zu erhalten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es so möglich, die mit den bisher bekannten Verfahren verbundenen Nachteile zu beseitigen oder zumindest in erheblichem Maße zu verringern. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die sich in besonders geeigneter Weise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet.

Allgemein beruht die Lösung dieser erfindungsgemäßen Aufgabe auf der Erkenntnis, daß aus Urankarbid oder den anderen erwähnten Karbiden gewonnener Reaktorbrennstoff mit einer Dichte von ungefähr 95 % des theoretischen Wertes oder mehr aus dem entsprechenden, in Tablettenkorperform von geringer Dichte vorliegenden Karbid-Rohstoff mit Hilfe eines Widerstands-Warmpreßverfahrens und insbesondere in Verbindung mit bestimmten speziellen Gesenkauskleidungen hergestellt werden kann. Insbesondere ist in Verbindung damit festgestellt worden, daß der erwähnte Karbid-Reaktorbrennstoff geeigneter Dichte aus dem entsprechenden Karbid-Rohstoff in Tablettenkorperform dadurch gewonnen werden kann, daß ein starker elektrischer Strom durch den Tablettenkörper geleitet wird, während dieser innerhalb eines elektrisch isolierten Gesenkes, vorzugsweise im Vakuum (obwohl unter bestimmten Bedingungen ein Edelgas oder Luftatmosphäre eingesetzt werden können), unter Druck steht. Bevor der tablettenförmige Rohstoff dem

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erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen wird, braucht er weder einem Schmelz- noch einem Mahlvorgang ausgesetzt zu werden. Dabei wird durch das Verfahren keine Veränderung der Rohstoffzusammensetzung, sondern lediglich eine Verdichtung auf den notwendigen Wert innerhalb sehr kurzer Zeit hervorgerufen.

Das Warmpressen verschiedener Stoffe, einschließlich Urankarbid, ist an sich bekannt. Bei den herkömmlichen V/armpreßverfahren wird die Wärme jedoch durch das Gesenk hindurch zu dem Werkstück geleitet, wodurch der Nachteil entsteht, daß das Werkstück lediglich auf dem Wege der Wärmeleitung erwärmt wird, was häufig einen zeitraubenden Vorgang darstellt. Darüber hinaus muß das Gesenk normalerweise wärmer sein als das Werkstück, was jedoch die Temperatur und die Drücke des Warmpreßvorganges insofern begrenzt, als kein geeigneter Werkstoff für Gesenke zur Verfügung steht, der sowohl hohen Temperaturen als auch Drücken zu widerstehen vermag. Zum Einsatz bei herkömmlichen Warmpreßverfahren dienende Gesenke wurden daher aus Graphit hergestellt, das zwar der erforderlichen Temperatur zu widerstehen vermag, aber keine Festigkeit besitzt, die es erlauben würde, Drücke

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von über 160 - 320 kg/cm (1-2 tons/inch ) aufzubringen.

Es ist auch schon versucht worden, Urankarbid mit Wolfram-Gesenken warmzupressen.

Ebenso sind zu einem früheren Zeitpunkt schon Versuche gemacht worden, bei herkömmlichen Warmpreßverfahren auftretende

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Probleme dadurch zu überwinden, daß von dem Prinzip der direkten Widerstandsaufheizung des Werkstückes Gebrauch gemacht wurde, aber sofern bekannt, sind diese Versuche niemals mit Erfolg bei im wesentlichen reinem Uran-, PIu-. tonium- oder Thoriummonokarbid für die Verwendung als Reaktorbrennstoff ausgeführt worden.

Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung werden nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Verfahrensfolge, entsprechend der Uranmonokarbid-Rohstoff in Form von Tablettenkörpern hergestellt werden kann;

Fig. 2.schematisch eine Seitenansicht einer Gesenkpresse, die sich für die Ausführung der vorliegenden Erfindung in bevorzugter Weise eignet;

Fig. 3 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht des eigentlichen Gesenkaufbaus der Fig. 2.

Wie zuvor erwähnt, eignet sich das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung in erster Linie für die Anwendung bei Uranmonokarbid-Rohstoff, der in die Gestalt von Tablettenkörpern gebracht wurdejr und dabei eine Dichte von ungefähr 40 - 70 % der theoretischen Maximaldichte hat. Diese Urankarbid-Tablettenkörper können an sich mit Hilfe verschiedener

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bekannter Verfahren hergestellt werden; im vorliegenden Falle geschah die Herstellung entsprechend Fig. 1 in der nachstehend beschriebenen Weise,

Die Urankarbid-Tablettenkörper geringer Dichte wurden durch Reaktion von Eldorado-UO,, von Keramikgüte (ceramic-grade) und National~48 Graphit erzeugt. Das Uranoxidpulver (UOg) und das Graphitpulver wurden im erforderlichen Verhältnis miteinander unter Zugabe eines Gewichtsprozentes eines Bindemittel-Schmierstoffes (binder-lubricant) (Block A) in einem Mischer (blender) für ungefähr 30 Minuten (Block B) gemischt. Hierauf wurden ein Gewichteprozent Polyvinyalkohol und 20 Gewichtsprozent Wasser zugegeben (Block C). Dieses Gemisch wurde dann über Nacht in Luft bei einer Temperatur von 60⁰C getrocknet (Block D). Hierauf wurde die erhaltene Mischung entsprechend einer lichten Maschenweite von 0,75 mm (20 mesh) granuliert (Block £), von neuem in einem V-Mischer

(V-blender) etwa 45 Minuten lang gemischt (Block F) und mit

2 einer automatischen Presse mit einem Druck von etwa 6.000 kg/cm (80.000 p.s.i.) in Tablettenkörperforra gepresst. Bei diesem Verfahrensabschnitt betrug die Dichte der Tablettenkörper

⁴»7 g/cm , Die erhaltenen Presslinge, die als Tablettenkörper in Form eines geraden Zylinders ausgebildet waren, wurden dann in einem Vakuum-Induktionsofen bei einer Temperatur zwischen 185O°C und 2000⁰C für etwa 60 Minuten in einem mit Wolframfolie ausgekleideten Graphitgefäß zur Reaktion gebracht. Die Dichte der dabei erhaltenen Uranmonokarbid-Tablettenkörper betrug 8,2 g/cm , was 60 % der theoretischen

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Maximaldichte des Uranmonokarbids entsprach (Block H). Die erhaltenen Tablettenkörper geringer Dichte wurden dann mit Hilfe einer entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebauten Vorrichtung weiterbehandelt.

Mit den Fig. 2 und 3 ist die erfindungsgemäß eingesetzte, als Widerstands-Warmpresse ausgebildete Vorrichtung veranschaulicht. An einem Grundrahmen 10 sind auf gegenüberliegenden Seiten zwei Luftzylinder 11 von etwa 15 cm (6 inch) Durchmesser befestigt, die jeweils mit Stösseln 13 bzw. 14 versehen und in ihrer Lage von vier Stützstangen 16 gehalten sind. Eine allgemein mit 20 bezeichnete Gesenkanordnung (die assembly) ist ebenfalls mittels der Stützstangen 16 befestigt.

Wie im einzelnen aus Fig. 3 ersichtlich, ist die Gesenkanordnung 20 mit einer oberen Tragplatte 21 und einer unteren Tragplatte 22 versehen, über die die Anordnung 20 mittels der Stützstangen 16 (vgl. Fig. 2) befestigt ist. An der oberen Tragplatte 21 sind ein oberes Flanschstück 24 mit einer Druckkammer 25 und Vakuumanschlüssen 26 (vgl. Fig. 2), an der untern Tragplatte 22 ein unteres Flanschstück 28 befestigt. Verbindungsstan.jen 29 aus einem elektrisch isolie renden Werkstoff halten die obere Tragplatte 21 und den Flansch 24 einerseits und die untere Platte 22 und das untere Flanschstück 28 andererseits in dem gewünschten Abstand voneinander, während die gesamte Anordnung von Bolzen 30 zusammengehalten wird.

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Zwischen dem oberen Flanschstück 24 und einem oberen Stempel ist eine ü-Ringdichtung 33 angeordnet, die mittels einer Deckplatte 35 und Bolzen 38 festgelegt ist. Ähnlich ist ein unterer Stempel 39 von einer O-Ringdichtung 40 umgeben, die in einer geeigneten Ausnehmung des untern Flanschstückes 28 liegt und dort ebenfalls von einer Deckplatte 35 sowie Bolzen 36 in ihrer Lage gehalten wird. Der obere und untere Stempel und 39 bestehen aus einer vergüteten Mallory-3 Legierung (Cu-I%Cr) und sind an ihren einander zugewandten Enden jeweils mit Wolframauflagen 42 versehen.

Die Gesenkanordnung 20 weist ferner einen äußeren Messingmantel 43 auf, in den ein geteiltes Messinggesenk 44 von kleinerem Durchmesser eingesetzt ist, das an seiner Innenseite mit einer Auskleidung 45 versehen ist. Diese Auskleidung 45 ist dadurch hergestellt, daß die Bohrung des geteilten Gesenkes 44 mit einem elektrisch isolierenden keramischen Oxid, wofür eine Reihe verschiedener Stoffe zur Verfügung steht, flammengesprüht wird. Sowohl der Mantel 43 als auch das geteilte Gesenk 44 können ebenso aus Edelstahl hergestellt sein. Bei einer abgewandelten Ausfuhrungsform wurde das geteilte Gesenk 44 durch eine elektrisch isolierende, durch maschinelle Bearbeitung hergestellte Auskleidung ersetzt (fabricated liner).

Die als Gesenkauskleidung 45 dienenden flammengesprühten Überzüge wurden unter Verwendung von Azetylen-Sauerstoffgasflammen und einem mit einem Stangenzuführer ausgerüsteten

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Brenner (gun) hergestellt; in einigen Fällen wurde ein pulvergespeister Brenner verwendet« Nach dem Flammensprühen wurde die Gesenkausnehmung mit Diamantwerkzeugen auf einen Durchmesser von 1,78 cm (0,700 inch) geschliffen. Als Überzugsmaterial kommen Stoffe wie Zirkondioxid (ZrOg)₁ Berylliumoxid (BeO), Thoriumdioxid (ThO₃), Magnesiumoxid (MgO), Magnesiumzirkonat (MgZrO₃) und Kalziumzirkonat (CaZrO₃) in Frage. Die durch maschinelle Bearbeitung erzeugten Auskleidungen können beispielsweise so hergestellt werden, daß ein Stangenkörper" von 2,5 cm (1 inch) Durchmesser des betreffenden Werkstoffes ausgebohrt und dann die Bohrung mit herkömmlichen Metallbearbeitungswerkzeugen auf einen Innendurchmesser von 1,5 cm (0,600 inch) gehont wird. Als Werkstoffe für die durch maschinelle Bearbeitung hergestellten Auskleidungen können außer den vorgenannten Verbindungen auch Bornitrid (BN), Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Aluminiumnitrid (AlN) dienen. Gesenkauskleidungen aus Aluminium (Al₂O₃) haben sich für das Pressen dieser Karbide als unzureichend erwiesen*

Der Mantel 43 und das Gesenk 44 sind von dem oberen Flanschßtück 24 mittels eines Isolators 48 elektrisch getrennt. Um in dem Gesenk ein Vakuum aufrechterhalten zu können, sind weitere O-Ringdlchtungen 49, 50, 51 zwischen dem Mantel 43 und dem unteren Flanschstück 28, dem oberen Rand des Mantels 43 und dem Isolator 48 sowie dem oberen Flanschstück 24 und der Oberseite des Isolators 48 vorgesehen.

Wie in Fig. 2 veranschaulicht, sind der obere und der untere

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Stempel 34 und 39 jeweils mit elektrischen Anschlüssen 52 bzw. 53 versehen, mittels derer biegsame elektrische Leitungen (nicht dargestellt) mit den Stösseln 13 und 14 verbunden werden können. Die Anschlüsse 52 und 53 dienen gleichzeitig dazu, die Stempel 34 bzw. 39 mit den zugehörigen Stösseln 13 bzw. 14 zu vereinigen.

Die Zufuhr der elektrischen Energie erfolgte mit Hilfe eines einphasigen 50 kVA Transformators. Um den Strom in Form von Impulsen gewünschter Dauer fließen lassen zu können, können zwei Ignitrons sowie ein Halbleiterzeitschalter vorgesehen sein. Zur Messung der Spannung bzw. der Stromstärke des auf das Werkstück einwirkenden elektrischen Stromes können herkömmliche Anordnungen dienen. Für die Spannung kommen Werte von 0,2 Veit bis 20 Volt, vorzugsweise von 1 Volt bis 5 Volt in Frage, während sich für die Stromdichte Werte von 1550

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bis 7750 Ampere/cm (10.000 bis 50.000 Ampere/inch ) als günstig erwiesen haben, wobei der Strom sich entsprechend dem Durchmesser der Tabelttenkörper ändert. Die Arbeitstemperatur soll unterhalb des Schmelzpunktes der zur Herstellung der Tablettenkörper verwendeten Mischung gehalten werden.

Bei Betrieb der Presse wurde den Zylindern 11 und 12 in herkömmlicher Weise Druckluft zugeführt, so daß der Druck kontrolliert werden konnte. Über die Anschlüsse 52 und 53 wurde den Stösseln 13 und 14 elektrische Leistung zugeführt. Der Druck wurde während eines oder mehrerer Zeitabschnitte von jeweils 0,1 bis 30 Sekunden, vorzugsweise 2 bis 10 Sekun-

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den, ausgeübt. Bei der in Rede stehenden Vorrichtung standen über doppelt wirkende Steuerventile Drücke von bis maximal 1280 kg/cm (17 500 p.s.i.) zur Verfügung. Die Drücke, mit denen die Tablettenkörper beaufschlagt werden, können von

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36,5 bis 3650 kg/cm (500 bis 50.000 p.s.i.) und Vorzugs-

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weise zwischen 73 und 7300 kg/cm (1.000 bis 10.000 p.s.i.) betragen. Mittels einer mechanischen Vakuumpumpe wurde in dem Gesenk ein Vakuum (von etwa 1 bis 2x10 Torr) aufrechterhalten. Bei der Ausführung des Verfahrens empfiehlt es sich, den Druck auf den Tablettenkörper bei linde des letzten Stromimpulses aufzuheben, so daß der Tablettenkörper sich beim Abkühlen von dem Gesenk weg zusammenziehen kann und so das Herausnehmen des Tablettenkörpers aus dem Gesenk erleichtert wird.

Bei wirtschaftlicher Auswertung kann ohne weiteres eine automatische Einrichtung zum Be- und Entladen der Presse vorgesehen und damit eine schnelle Verdichtung einer grossen Anzahl von Tablettenkörpern erreicht werden. Ebenso kann es notwendig sein, um ein einwandfreies Arbeiten der Vakuumdichtungen etc. in der Presse sicherzustellen, eine Kühlung des Gesenkmantels und der Stempel vorzunehmen, da diese im Betrieb verhältnismäßig kühl bleiben sollen.

Anhand der beiden nachstehenden Beispielen werden noch besondere Ausführungsformen dieser Erfindung erläutert.

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Beispiel 1

Zwei als Tablettenkörper ausgebildete Presslinge von jeweils 1,4 cm (0,55 inch) Durchmesser und 1,9 cm (0,75 inch) Länge, die im wesentlichen aus Uranmonokarbid bestanden und eine Dichte von 8,1 g/cm (60 % des theoretischen Wertes) sowie einen Kohlenstoffgehalt von 4,5 Gewichtsprozenten und einen Sauerstoffgehalt von 0,3 Gewichtsprozenten aufwiesen und in der oben angegebenen Weise vorbehandelt worden waren, wurden in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung im Vakuum während zweier Zeitabschnitte von jeweils fünf Sekunden warmgepresst. Dabei wurde eine flammengesprühte Stempelauskleidung aus Zirkonoxid (ZrO₂) verwendet und das Gesenk mit einer kolloidalen Lösung von Graphit

2 in Alkohol ausgestrichen. Der Druck betrug 365 kg/cm (5.000 p.s.i). Die angelegte Spannung hatte einen Wert von 2 Volt, was in dem

2 Werkstück eine Stromdichte von etwa 5220 Ampere/cm (33 700 Am-

2 H^⁸·
pere/inch ) ergab". Der\mit erhaltene Tablettenkörper eignete sich für die Verwendung als Reaktorbrennstoffkomponente und hatte eine Länge von 2 cm (0,8 inch), einen gleichförmigen Durchmesser von

1,5 cm (0,6 inch), eine Dichte von 13,1 g/cm (98 % des theoretischen Wertes) und eine Zusammensetzung von 4,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,3 Gewichtsprozent Sauerstoff und im übrigen im wesentlichen Uran.

In mehreren weiteren, im wesentlichen ähnlichen Arbeitsgängen wurden Preßlinge mit einer anfänglichen Dichte von 8,0 bis 8,4 g/cm und ähnlicher Zusammensetzung im Vakuum warmgepresst, ebenfalls

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unter Verwendung einer Auskleidung von flammengesprühtem ZrO₂, die mit einer kolloidalen Lösung von Graphit ausgestrichen

wurde. Die Stromimpulse dauerten jeweils 3 bis 5 Sekunden

2 bei einem Druck in der Größenordnung von 220 bis 365 kg/cm (3.000 bis 5.000 p.s.i.) und einer Spannung von 2 Volt mit

2 einer resultierenden Stromdichte von 3 910 bis 5 230 Ampere/cm

(25 230 bis 33 700 Ampere/inch ), so daß Tablettenkörper ähnlicher Zusammensetzungen erhalten wurden, deren Dichte zwischen 12,6 bis 13,1 g/cm (95 bis 98 % des theoretischen Wertes) betrug .

Alle Taulettenkörper bestanden aus Ausgangskörnern (primary grains) von ungefähr 100 Mikron Durchmesser, wobei das Urankaroid sich in einem Zustand oefand, in dem es auch geringere Mengen der UC^-und/oder UoCo-Phasen enthält. Es wird angenommen, daß der vorhandene Sauerstoff an die Stelle des Kohlenstoffes in den Karbidphasen trat.

Beispiel 2

Zwei den Preßlingen des Beispieles 1 in allen Punkten ähnliche Preßlinge wurden in der beschriebenen Vorrichtung unter Vakuum während dreier Perioden von jeweils 3,5 Sekunden Dauer bei einem Druck von 290 kg/cm <(4 000 p.s.i.) warmgepresst, wobei eine Gesenkauskleidung aus durch maschinelle Bearbeitung hergestelltem Bornitrid (BN) verwendet und das Gesenk mit einer kolloidalen Lösung von Graphit in Alkohol bestrichen wurde. Mit einer angelegten Spannung von 3 Volt ergab sich

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eine Stromdichte von 4 250 Ampere/cm (27 325 Ampere/inch ). Der erhaltene Tablettenkörper eignete sich als Reaktorbrennstoffkomponente und hatte eine Länge von 1,78 cm (0,7 inch), einen Durchmesser von 1,5 cm (0,6 inch), eine Dichte von 12,8 g/cm (96 % des theoretischen Wertes) und eine Zusammensetzung von 4,6 Gewichtsprozenten Kohlenstoff, 0,3 Gewichtsprozent Sauerstoff und im übrigen im wesentlichen Uran. Der Tablettenkörper enthielt 7,5 ppm Bor (bezogen auf das Gewicht).

In weiteren ähnlichen Arbeitsgängen wurden Preßlinge mit einer Dichte von 7,7 bis 8,1 g/cm in einer Bornitridauskleidung warmgepresst, wobei ein, zwei oder drei Stromimpulse von jeweils 3,5 bis 5,0 Sekunden Dauer bei einem Druck von 220 bis

ο
730 kg/cm (3 000 bis 10 000 p.s.i.) verwendet wurden. Die angelegte Spannung betrug 3 Volt und lieferte dabei eine Strom- " dichte von 3 910 bis 4 230 Ampere/cm² (25 200 bis 27 325 Ampere/inch^ Damit wurden Tablettenkörper mit einer Dichte von 12,6 bis 12,8 g/cm (95 bis 96 % des theoretischen Wertes) mit einer Zusammensetzung von 4,6 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,3 Gewichtsprozent Sauerstoff und im übrigen im wesentlichen Uran erzeugt. Der Borgehalt betrug 5,0 bis 7,5 ppm (bezogen auf das Gewicht).

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dalä durch die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, die es ermöglichen, sowohl eine schnelle als auch eine hohe Verdichtung von Reaktorbrennstoff-Tablettenkörpern in einer bisher nicht zur Verfügung stehenden wirksamen Weise zu erreichen.

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Patentansprüche:

Claims (13)

6701 Patentansprüche

1. Verfahren zur Verdichtung von zur Verwendung als Reaktorbrennstoff dienenden Karbiden, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen vorgeformten Tablettenkörper geringer Dichte, der im wesentlichen aus wenigstens einer der Verbindungen Uranmonokarbid, Plutoniummonokarbid oder Thoriummonokarbid besteht, in einem elektrisch isolierten Gesenk (20) ein Druck ausgeübt und durch den unter Druck stehenden Tablettenkörper ein elektrischer Strom hindurchgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Uranmonokarbid verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Gesenkes (20) , der mit dem Tablettenkörper in Berührung tritt, aus Zirkondioxid, Berylliumoxid, Thoriumdioxid, Magnesiumoxid, Magnesiumzirkonat, Kalziumzirkonat, Bornitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Tablettenkörper in Berührung tretende Oberfläche des Gesenkes (20) mit einem flammengesprühten Überzug aus Zirkondioxid versehen ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß die mit dem Tablettenkörper in Berührung tretende Oberfläche des Gesenkes (20) aus einer durch maschinelle Bearbeitung hergestellten Bornitrid-Auskleidung besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck während einer oder mehrerer Perioden von jeweils 0,1 - 30 Sekunden Dauer ausgeübt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Druck von 37 bis 3 7OO kg/cm² (500 bis 50 000

ο
pounds/inch ) ausgeübt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch den Tablettenkörper bei einer Spannung von zwischen 0,2 bis 20 Volt und mit einer Stromdichte

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von 1 550 bis 7 750 Ampere/cm (10 000 bis 5O 000 Ampere/inch ) pulsartig hindurchgeleitet wird.

9. Zur Verdichtung von Tablettenkörpern durch Widerstandswarmpressen dienende Vorrichtung mit einem Gesenk zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesenk (20) in seinem mit dem Tablettenkörper in Berührung tretenden Bereich eine aus Zirkondioxid, Berylliumoxid, Thoriumdioxid, Magnesiumoxid, Magnesiumzirkonat, Kalziumzii'konat, Bornitrid, Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid gebildete Oberfläche hat.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Tablettenkörper in Berührung kommende Oberfläche von einer flammengesprühten Auskleidung (45) aus einem der genannten feuerfesten Oxide gebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch die Verwendung von Zirkonoxid.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Tablettenkörper in Berührung tretende Oberfläche des Gesenkes (20) von einer durch maschinelle Bearbeitung hergestellten Auskleidung (45) gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (45) aus Bornitrid hergestellt ist.