DE1667653A1 - Process for the production of nuclear fuel nitrides from fluorides - Google Patents
Process for the production of nuclear fuel nitrides from fluoridesInfo
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Description
NUKEMNUKEM
Nuklear-Ghemie und -Metallurgie Gesellschaft m.b.H.Nuclear Chemistry and Metallurgy Society m.b.H.
Wolfgang b. HanauWolfgang b. Hanau
Verfahren zur Herstellung von KernbrennstoffnitridenProcess for the production of nuclear fuel nitrides
aus Fluoriden.from fluorides.
Hei der Vorarbeitung von Kernbrennstoffen fallen diese im Verfahrensgang häufig als Fluoride an. Bisher war bekannt, dass diese Fluoride durch Umsatz mit Erdalkalimetallen zu den Kernbrennstoffen in metallischer Form überführt werden. Es wurde aus Urantetrafluorid beispielsweise Uranmetall und aus Plutoniumtetrafluorid Plutoniummetall als Kernbrennstoff hergestellt.In the preprocessing of nuclear fuels, these are part of the process often referred to as fluoride. So far it was known that these fluorides by conversion with alkaline earth metals to the nuclear fuel be converted in metallic form. For example, uranium tetrafluoride became uranium metal and plutonium tetrafluoride Plutonium metal produced as a nuclear fuel.
In der Roaktortechnik spielen jedoch neuerdings Verbindungen der Kernbrennstoffe, soweit diese hochtemperaturfest sind und hohe nukleare Dichten aufweisen, eine bevorzugte Rolle. Unter diesen gelten die Nitride als besonders aussichtsreich. Bisher wurden Nitride der Kernbrennstoffe durch Reaktion von elementarem Stickstoff oder Ammoniak mit den Metallen od'er Hydriden (Uran und Plutonium) hergestellt. Daneben sind in der Literatur noch Umsetzungen von Lösungen der Kernbrennstoffe in metallischer Form (Amalgame) mit Ammoniak bekannt geworden.Recently, however, connections have played a role in Roaktortechnik of nuclear fuels, as long as they are resistant to high temperatures and high nuclear densities have a preferred role. Among these, the nitrides are considered to be particularly promising. So far have been Nitrides of nuclear fuels due to the reaction of elemental nitrogen or ammonia is produced with the metals or hydrides (uranium and plutonium). In addition, there are still in the literature Reactions of solutions of nuclear fuel in metallic form (amalgams) with ammonia have become known.
Die Nitride der Kernbrennstoffe entstehen bei diesen Wegen nroht direkt als Mononitride. Da diese aber wegen ihrer günstigen, physikalisch-chemischen Eigenschaften (Dichte, Temperaturbeständigkeit, Kristallgitter) erwünscht sind, müssen sie aus den höheren Nitriden durch Erhitzen hergestellt werden.The nitrides of the nuclear fuels are not formed in these ways directly as mononitride. However, as these, due to their favorable physico-chemical properties (density, temperature resistance, Crystal lattices) are desired, they have to be produced from the higher nitrides by heating.
Ks ist weiterhin bekannt, dass sich Urantrichlorid und Urantotraohlorid durch Hochtemperaturammonolyse über die Zwischenstufen der Amidoverbindungon zu Urannitriden umsetzen lassen, die dann zum Uranmononitrid gebaut werden.Ks is also known to be uranium trichloride and uranium trichloride by high-temperature ammonolysis via the intermediate stages convert the amido compound into uranium nitrides, which are then built into uranium mononitride.
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Urantrichlorid und Urantetrachlorid haben jedoch in der chemisch technischen Verarbeitung von Kernbrennstoffen praktisch keine Bedeutung erlangen können, besonders auch, weil ihre Herstellung umständlich ist.However, uranium trichloride and uranium tetrachloride have practically none in the chemical processing of nuclear fuels Can gain importance, especially because their production is cumbersome.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass auch Urantetrafluorid und Urantrifluorid bei geeigneter Reaktionsführung durch Hochtemperaturammonolyse in Urannitride bzw. Uranmononitrid überführt werden können. Wesentlich ist, dass die Verweilzeit des Ammoniaks im System und die Werkstoffe so gewählt werden, dass noch genügend nicht dissoziertes Ammoniak für die Hochtempera turammonolyse zur Verfügung steht.Surprisingly, it has now been found that uranium tetrafluoride and uranium trifluoride if the reaction is carried out appropriately by high-temperature ammonolysis can be converted into uranium nitride or uranium mononitride. It is essential that the residence time the ammonia in the system and the materials are chosen so that there is still enough undissociated ammonia for the high temperature turammonolysis is available.
Das neue erfindungsgemässe Verfahren bietet den entscheidenden Vorteil, dass die bei der Verarbeitung von. Kernbrennstoffen als Zwischenstufe anfallenden Kernbrennstoff-Fluoride jetzt direkt als Ausgangsprodukt für die Herstellung der Nitride eingesetzt werden können.The new method according to the invention offers the decisive Advantage that when processing. Nuclear fuel as an intermediate stage, the nuclear fuel fluoride is now available directly can be used as a starting product for the production of nitrides.
Beispiel 1 (Uranmononitrid aus Urantetrafluorid)Example 1 (uranium mononitride from uranium tetrafluoride)
In einem Aluminiumoxid-Rohr von 20 mm Durchmesser wurden 0,2 g Urantetrafluorid in einem Platinschiffchen 2 Stunden lang mit sorgsam getrocknetem Ammoniakgas bei einer Temperatur zwischen 890 und 9200C und einer Strömungsgeschwindigkeit von 1800 ml Ammoniak pro Stunde umgesetzt. Das erhaltene fluoridfreie Produkt UN, Q wurde ansehliessend bei einer Temperatur umIn an aluminum oxide tube with a diameter of 20 mm, 0.2 g uranium tetrafluoride was reacted in a platinum boat for 2 hours with carefully dried ammonia gas at a temperature between 890 and 920 ° C. and a flow rate of 1800 ml ammonia per hour. The obtained fluoride-free product UN, Q was then at a temperature around
ο ' -li ο ' - l i
1 100 0 im Vakuum bei 10 Torr zum Uranmononitrid abgebaut.1 100 0 degraded to uranium mononitride in vacuo at 10 torr.
Beispiel 2 (Uranmononitrid aus Urantrifluorid)Example 2 (uranium mononitride from uranium trifluoride)
Tn einem Aluminiumoxid-Ilohr wurden 0,2 g Urantotrafluorid zu -nächst auf bekannte Weise mit Wasserstoff zu UF, reduziert. Dieses wurde dann im Verlauf von 1 Stunde bei 8000C mit sorgsam vorge-In an aluminum oxide ear, 0.2 g uranium tetrafluoride was initially reduced to UF using hydrogen in a known manner. This was then superiors in the course of 1 hour at 800 0 C with a carefully
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trooknetem Ammoniak bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 800 ml Ammoniak pro Stunde umgesetzt, Pas erhaltene fluoridfreie Produkt UX, ü wurde - wie in Beispiel 1 angegeben - im Vakuum zu Uranmononitrid abgebaut.trooknetem ammonia was reacted at a flow rate of 1 800 ml of ammonia per hour, Pas obtained fluoride-free product UX ü, - as indicated in Example 1 - reduced in vacuo to Uranmononitrid.
Beispiel 3 (Uranmononitrid aus Uranhexafluorid über Ammoniumpentafluoruranat IV, )Example 3 (uranium mononitride from uranium hexafluoride over ammonium pentafluoruranate IV,)
In einem zylindrischen Ileaktorgefäss wurde durch gleichzeitiges Einleiten von Uranhexafluorid und Ammoniak bei ca. 300°C festes Aminoniumpentafluorouranat IV hergestellt. Von diesem Produkt wurden - wie im Beispiel 1 gezeigt - 0,2 g zu Urannitrid UK, n umgesetzt. Dieses wurde - wie im Beispiel 1 und 2 angegeben zu Uranttiononitrid abgebaut.Solid aminonium pentafluorouranate IV was produced in a cylindrical reactor vessel by simultaneously introducing uranium hexafluoride and ammonia at approx. 300 ° C. As shown in Example 1, 0.2 g of this product were converted to uranium nitride UK, n . This was - as indicated in Examples 1 and 2 - degraded to uranthate ion nitride.
Beispiel h (Plutoniumnitride aus Plutoniumtetrafluorid)Example h (plutonium nitride from plutonium tetrafluoride)
In einem Aluminiumoxid-Rohr von 20 mm Durchmesser wurden 0,3 g
Plutoniumtetrafluorid in einem Platinschiffchen 3 Stunden lang
mit sorgsam getrocknetem Ammoniakgas bei einer Temperatur zwischen 920 und 9'*0°C und einer Strömungsgeschwindigkeit
von 2 000 ml Ammoniak pro Stunde zur Reaktion gebracht. Das erhaltene fluorfreie Produkt wurde anschliessend bei einer Temperatur
von 1 05
nitrid abgebaut.In an aluminum oxide tube 20 mm in diameter, 0.3 g of plutonium tetrafluoride was reacted in a platinum boat for 3 hours with carefully dried ammonia gas at a temperature between 920 and 9 '* 0 ° C. and a flow rate of 2,000 ml of ammonia per hour . The fluorine-free product obtained was then heated at a temperature of 1 05
nitride degraded.
perafcur von 1 0500C in einem Vakuum 10"" Torr zu Plutoniummono-perafcur of 1 050 0 C in a vacuum 10 "" Torr to plutonium mono-
Bpispiel 5 (Uranzirkonnitrid aus einem Gemisch von Urantetrafluor id/Zirkon te traf luo rid)Example 5 (uranium zirconium nitride from a mixture of uranium tetrafluor id / zircon te met luo rid)
0,2 g eines homogenen Gemisches aus Urantetrafluorid und Zirkon tetrafluorid wurden in einem Zirkonoxid-Rohr in einem Platinschiffohen 2 Stunden lang mit sorgsam getrocknetem Ammoniak-0.2 g of a homogeneous mixture of uranium tetrafluoride and zirconium tetrafluoride were placed in a zirconia tube in a platinum boat 2 hours with carefully dried ammonia
10983Q/U7410983Q / U74
gas und bei einer Temperatur zwischen S70 und 920°C und einer Strömungsgeschwindigkeit von 1 800 ml Ammoniak.pro Ftunde umgesetzt. Die erhaltenen fluoridfreien gemischten.Nitride wurden anschliessend bei einer Temperatur von 1 200°C in einem Vakuum 10 Torr zu den gemischten Mononitriden abgebaut. Die Mischkristallbildung wurde röntgenographisch nachgewiesen.gas and at a temperature between S70 and 920 ° C and a flow rate of 1,800 ml ammonia per hour. The obtained fluoride-free mixed nitrides were then degraded to the mixed mononitrides at a temperature of 1,200 ° C. in a vacuum of 10 Torr. The mixed crystal formation was proven radiographically.
Beispiel 6 (uran- Plutoniumnitrid aus gemischten Uran-/ Plutoniuinf luori den)Example 6 (uranium plutonium nitride from mixed uranium / Plutoniuinf luori den)
In einem Aluminiumoxid-Rohr wurden 0,3 g der im Verhältnis h : gemischten Fluoride von Uran und Plutonium auf bekannte Weise mit Wasserstoff zu den Trifluoriden reduziert. Diese wurden dann im Verlauf von 1 l/2 Stunden bei 9000C mit sorgsam vorgetrocknetem Ammoniak und einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 000 ml Ammoniak pro Stunde umgesetzt. Die erhaltenen NitrideIn an aluminum oxide tube, 0.3 g of the h : mixed fluorides of uranium and plutonium were reduced in a known manner with hydrogen to the trifluorides. These were then reacted in the course of 1 1/2 hours at 900 ° C. with carefully predried ammonia and a flow rate of 2,000 ml of ammonia per hour. The nitrides obtained
ο -h ο -h
wurden bei einer Temperatur von 1 100 C in einem Vakuum 10 Torr zu den Mononitriden abgebaut. Das Vorhandensein eines homogenen Mischkristalles aus Uran-Plutonium-Nitrid wurde röntgenographisch nachgewiesen.were degraded to the mononitrides at a temperature of 1,100 ° C. in a vacuum of 10 torr. The presence of a homogeneous Solid solution of uranium-plutonium-nitride was X-rayed proven.
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Sehn/MFrankfurt / Main, August 7th, 1967
Sehn / M
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US20110206174A1 (en) * | 2010-02-22 | 2011-08-25 | Westinghouse Electric Sweden Ab | Nuclear fuel, a fuel element, a fuel assembly and a method of manufacturing a nuclear fuel |
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