DE1771018C3 - Process for the production of uranium carbide spheroids - Google Patents
Process for the production of uranium carbide spheroidsInfo
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Description
nischer Beschädigung während der Endherstellungsphase benötigt wird, ist im allgemeinen geringer als die Dicke der Schicht, die erforderlich ist, um bei Temperaturwechselbeanspruchung unversehrt zu bleiben. nical damage required during the final manufacturing phase is generally less than that Thickness of the layer that is required to remain intact under thermal cycling.
Bei beschichteten Teilchen, die nach dem Verfahren des Hauptpatents hergestellt werden, läßt das Vorhandensein des Spaltes zwischen den Teilchen und der äußeren Schicht eine Temperaturwechselbeanspruchung der Teilchen zu, ohne daß ein radiales Reißen oder Brechen der Schicht auf Grund der größeren Wärmezusammenziehung der Schicht relativ zu den Teilchen eintrittIn the case of coated particles which are manufactured according to the process of the main patent, the presence does not exist the gap between the particles and the outer layer is exposed to thermal cycling of the particles without any radial tearing or breaking of the layer due to the larger Thermal contraction of the layer relative to the particles occurs
Ein beschichtetes Teilchen, das nach dem Verfahren gemäß dem Hauptpatent hergestellt ist, weist einen Urangehalt auf, der durch drei Faktoren bestimmt wird. Diese drei Faktoren sind die Dichte des Urandicarbidkerns, welcher durch die Umwandlung des ursprünglichen Uranmonocarbidsphäroids durch Reaktion mit der ersten Schicht aus Kohlenstoff gebildet wird, die Abmessung des Spaltes, der zwischen dem Urandicarbidkern und der residualen Schicht auf dem Sphäroid nach der Umwandlung vorhanden ist, sowie die Dicke der Schicht des Spaltprodukte zurückhaltenden Materials. Die Dichte, die im Urai.dicarbidkern erreicht werden kann, der durch Umwandlung des ursprünglichen Uranmonocarbidteilchens hervorgebracht wird, ist von der Dichte abhängig, welche im ursprünglichen Uranmonocarbidsphäroid erreicht werden kann. Allgemein können Uranmonocarbidsphäroide nicht mit einer größeren Dichte als 90% der theoretischen Dichte von Uranmonocarbid hergestellt werden. Eine äußere Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material ist in einer optimalen Dicke erforderlich, die für Spaltprodukt-Zurückhaltung und Widerstand gegen mechanische Beschädigung notwendig ist. Bei dem Spalt, der zwischen dem Urandicarbidkern und dem Überzug nach der Umwandlung der ursprünglichen Uranmonocarbidsphäroide in Urandicarbid vorhanden ist, steht die Abmessung des Spaltes zur Menge der anfänglichen Schicht aus Kohlenstoff in einem Verhältnis, welches erforderlich ist, um die ursprünglichen Uranmonocarbidteilchen in Urandicarbid umzuwandeln.A coated particle which is produced by the method according to the main patent has a Uranium content, which is determined by three factors. These three factors are the density of the uranium dicarbide core, which by the conversion of the original uranium monocarbide spheroid by reaction with the first layer of carbon is formed, the dimension of the gap that exists between the uranium dicarbide core and the residual layer is present on the spheroid after the conversion, as well as the thickness the layer of the material retaining fission products. The density achieved in the urai dicarbide core which is produced by the transformation of the original uranium monocarbide particle is depends on the density that can be achieved in the original uranium monocarbide spheroid. General uranium monocarbide spheroids cannot have a density greater than 90% of the theoretical density of Uranium monocarbide are produced. An outer layer of fission-retaining material is made in an optimal thickness required for fission product restraint and resistance to mechanical Damage is necessary. At the gap between the uranium dicarbide core and the coating the conversion of the original uranium monocarbide spheroids into uranium dicarbide is present Dimension of the gap to the amount of the initial layer of carbon in a ratio which is required to convert the original uranium monocarbide particles to uranium dicarbide.
Der Spalt, der erzeugt wird, ist nicht äquivalent der Dicke oder Schichtstärke des Kohlenstoff, welche für die Umwandlung der ursprünglichen Uranmonocarbidteilchen ausgewählt wird, da sich bei der Umwandlung von Uranmonocarbid in Urandicarbid eine Volumenvergrößerung ergibt. Man kann jedoch sagen, daß für eine gegebene Sphäroidgröße die Größe des erzeugten Spaltes, wenn mit Uranmonocarbidteilchen begonnen wird, immer größer als ein Mindestwert sein wird, der zur Menge des Kohlenstoffs in Beziehung steht, die erforderlich ist, um die ursprünglichen Monocarbidteilchen in Urandicarbid umzuwandlen.The gap that is created is not equivalent to the thickness or layer thickness of the carbon that is used for the transformation of the original uranium monocarbide particles is selected because the conversion of uranium monocarbide to uranium dicarbide results in an increase in volume results. However, it can be said that for a given size of spheroid, the size of the generated The gap, when starting with uranium monocarbide particles, will always be greater than a minimum value is related to the amount of carbon required to make the original monocarbide particles to convert to uranium dicarbide.
Bei einem Sphäroid mit einem gegebenen Durchmesser ist der endgültige Durchmesser um so größer, je niedriger die Urankonzentration im Sphäroid ist. Wenn man, ungeachtet anderer Faktoren, davon ausgeht, daß die Dicke der äußeren Schicht zumindest das Optimun sein muß, welches für Spaltprodukt-Zurückhaltung und mechanische Festigkeit erforderlich ist, so ist es die Spaltabmessung, die letztlich die Urankonzentration bestimmt, die in Sphäroiden erreicht wird, welche die optimale Dicke der äußeren Schicht aufweisen.For a spheroid of a given diameter, the final diameter, the larger the the uranium concentration in the spheroid is lower. Assuming, regardless of other factors, that the thickness of the outer layer must be at least the optimum for the retention of fission products and Mechanical strength is required, so it is the gap dimension that ultimately determines the uranium concentration determined, which is achieved in spheroids, which have the optimal thickness of the outer layer.
Somit kann das Verfahren gemäß dem Hauptpatent — wenn man mit Uranmonocarbidteilchen gegebener
nwsRp heerinnt — nur in der Herstellung von
beschichteten Sphäroiden resultieren, welche Spalte aufweisen, die größer sind als die Mindestgröße, welche
durch diejenige Kohlenstoffmenge bestimmt wird, die erforderlich ist, um die Uranmonocarbidteilchen in
Urandicarbid umzuwandlen. Dies legt der Urankonzentration
in beschichteten Sphäroiden durch das Verfahren des Hauptpatents hergestellt werden, Beschränkung
auf.
Es ist Aufgabe der Erfindung, das Verfahren nach demThus, the process according to the main patent - if one works with uranium monocarbide particles of a given nwsRp - result only in the production of coated spheroids which have gaps which are larger than the minimum size, which is determined by the amount of carbon that is required to form the uranium monocarbide particles to convert to uranium dicarbide. This places a limit on the concentration of uranium in coated spheroids produced by the process of the main patent.
It is the object of the invention, the method according to the
ίο Hauptpatent so zu verbessern, daß eine größere Urankonzentration erreicht werden kann und daß beschichtete Sphäroide hergestellt werden können, die Urandicarbidkerne von höherer Dichte aufweisen als bei dem Verfahren nach dem Hauptpatent.ίο to improve the main patent so that a larger one Uranium concentration can be achieved and that coated spheroids can be made that Have uranium dicarbide cores of higher density than in the process according to the main patent.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die erste Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff auf Teilchen einer Zusammensetzung im Bereich von UC1.0 bis UCi,e aufgebracht wird und daß beim Aufbringen der zweiten Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem,This is achieved according to the invention in that the first layer is made of pyrolytic carbon Particles of a composition in the range of UC1.0 until UCi, e is applied and that when applying the second layer of fission products restrained,
ίο feuerfestem Material bei höherer Temperatur aus dem pyrolytischen Kohlenstoff der ersten Schicht und den Urancarbidteilchen Urandicarbid der Zusammensetzung UCi,Bi gebildet wird.ίο refractory material at a higher temperature from the pyrolytic carbon of the first layer and uranium carbide particles of uranium dicarbide of the composition UCi, Bi is formed.
Zweckmäßig weisen die verwendeten Urancarbidteilchen eine Zusammensetzung von UCi.« bis UCi.o auf.The uranium carbide particles used expediently have a composition of UCi. «To UCi.o.
Der erste Kohlenstoffüberzug wird bei einer Temperatur im Bereich von 10000C bis 14000C abgeschieden, während die äußere Schicht auf dem die Spaltprodukte zurückhaltenden feuerfesten Material bei einer Tem-The first carbon coating is deposited at a temperature in the range from 1000 0 C to 1400 0 C, while the outer layer on the refractory material retaining the fission products is deposited at a temperature
}o peratur über 1450° C abgeschieden wird.} o temperature above 1450 ° C is deposited.
Vorteilhaft wird eine anfängliche Schicht aus Kohlenstoff von größerer Dicke, als für die Umwandlung der Urancarbidteilchen in Urandicarbid erforderlich ist, auf den Urancarbidteilchen abgeschieden, wodurch eine residuale innere Schicht aus Kohlenstoff als Teil des Belags auf den Teilchen verbleibt. Der anfängliche Kohlenstoffüberzug kann auf den Urancarbidteilchen durch Pyrolyse von Methan oder Acetylen abgelagert werden.An initial layer of carbon of greater thickness than for the conversion is advantageous the uranium carbide particles required in uranium dicarbide are deposited on the uranium carbide particles, thereby leaving a residual inner layer of carbon as part of the scale on the particles. the Initial carbon coating can be applied to the uranium carbide particles by pyrolysis of methane or acetylene be deposited.
Wenn man mit Teilchen einer Zusammensetzung höher als UCi.o, beispielsweise einer Zusammensetzung UC14 bis UCi.b, beginnt, wird wengier Kohlenstoff benötigt als bei Teilchen einer Zusammensetzung UCi.o, um eine Umwandlung der Teilchen in Urandicarbid zu bewirken. Somit kann die anfängliche Schicht aus Kohlenstoff, welche abgeschieden wird, für Teilchen, die einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweisen, in ihrer Dicke geringer sein als für Teilchen aus UCi.o erforderlich ist, und ein schmalerer Spalt wird zwischen dem Urandicarbidkern und der äußeren Schicht aus feuerfestem Material erzeugt, wenn anschließend bei einer höheren Temperatur abgeschieden wird. Teilchen einer Zusammensetzung UCi.4 bis UCi* können, wenn sie durch Reaktionssintern eines Gemisches aus UO2 und Kohlenstoff hergestellt werden, bis auf 95% der theoretischen Dichte hergestellt werden, während Teilchen von UCi.o nur bis zu einer theoretischen Dichte von 90% hergestellt werden können. Die Verwendung von Teilchen einer Zusammensetzung von UC1.4 bis UC16, welche eine theoretische Dichte von 95% aufweisen, beim vorliegenden Verfahren ergibt beschichtete Sphäroide, welche Urandicarbidkerne von höherer Dichte und daher höheren Urangehaltes aufweisen als erreicht werden kann, wenn mit Teilchen einer Zusammensetzung UCi.o und einer theoretischen Dichte von nur 90% begonnen wirdIf one starts with particles of a composition higher than UCi.o, for example a composition UC14 to UCi.b, less carbon is required than with particles of a composition UCi.o to bring about a conversion of the particles to uranium dicarbide. Thus, the initial layer of carbon that is deposited may be less in thickness for particles having a higher carbon content than required for particles of UCi.o, and a narrower gap becomes between the uranium dicarbide core and the outer layer of refractory Material generated when subsequently deposited at a higher temperature. Particles with a composition UCi.4 to UCi * can, if they are produced by reaction sintering of a mixture of UO 2 and carbon, be produced up to 95% of the theoretical density, while particles of UCi.o only up to a theoretical density of 90% can be produced. The use of particles of a composition from UC1.4 to UC16, which have a theoretical density of 95%, in the present process results in coated spheroids, which uranium dicarbide cores have a higher density and therefore a higher uranium content than can be achieved when using particles of a composition UCi .o and a theoretical density of only 90% is started
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispieles näher beschrieben.The method according to the invention will now be described in more detail using an example.
Urancarbidsphäroide werden in bekannter Weise hergestellt Im vorliegenden Fall werden die verwendeten relativen Mengen von Urandioxid und kohlenstoff so gewählt, daß Teilchen einer gewünschten Zusammensetzung im Bereich von UCi,0 bis UCi,6 erzeugt werden.Urancarbidsphäroide be prepared in a known manner In the present case, the relative amounts used of uranium dioxide and carbon chosen so that particles of a desired composition in the range of UCi are generated from 0 to UCI. 6
Die Teilchen werden durch Sieben in einer Größe zwischen beispielsweise 400 und 500 Mikron im Durchmesser aussortiert. Das Überziehen der Teilchen mit pyrolytischem Kohlenstoff wird nun in einem Wirbel*ettreaktor ausgeführt, wobei hochreines Argon als Wirbelgas verwendet wird. Ein Kohlenwasserstoffgas, wie Methan, wird für das Abscheiden der pyrolytischen Kohlenstoffüberzüge verwendet Das Methan wird mit dem Argon-Wirbelgasstrom gemischtThe particles are sieved to a size between, for example, 400 and 500 microns Sorted out diameter. The coating of the particles with pyrolytic carbon is now carried out in a vortex reactor, with high-purity argon is used as fluidizing gas. A hydrocarbon gas, such as methane, is used for the separation of the pyrolytic carbon coatings used The methane is mixed with the argon fluidizing gas stream
Ein anfänglicher Überzug aus pyrolytischem Kohlen-Stoff
wird auf den Urancarbidteilchen bei einer Abscheidungstemperatur im Bereich von 1000° C bis
1400°C, zum Beispiel bei 13000C, aufgebracht Ein
anfänglicher Kohlenstoffüberzug von zumindest genügender Dicke, um später mit den Urancarbidteilchen
reagieren und diese in Urandicarbid (UCiss) umzuwandeln
zu können, wird auf die Urancarbidteilchen aufgebracht
Beispielsweise werden im Fall von Teilchen einerAn initial coat of pyrolytic carbon fabric is applied to the Urancarbidteilchen at a deposition temperature ranging from 1000 ° C to 1400 ° C, for example at 1300 0 C, applied is an initial carbon coating of at least a sufficient thickness to react later with the Urancarbidteilchen and these To be able to convert to uranium dicarbide (UCiss) is applied to the uranium carbide particles
For example, in the case of particles, a
ίο Zusammensetzung UCi.o, UCu, UCi.4, und UCi.b, die eine Dichte von 90% der theoretischen Dichte und eine aufgebrachte anfängliche Schicht aus Kohlenstoff, Dichte 1,5 g/cm3, aufweisen, folgende Mindestdicken eines anfänglichen Kohlenstoffüberzugs für die Um-Wandlung in UCi.85 benötigt.ίο Composition UCi.o, UCu, UCi.4, and UCi.b, which have a density of 90% of the theoretical density and an applied initial layer of carbon, density 1.5 g / cm 3 , the following minimum thicknesses of an initial carbon coating required for conversion to UCi.85.
Das Teilchen der Zusammensetzung UQ.85 ist zu Vergleichszwecken mit eingeschlossen.The particle with the composition UQ.85 is to Included for comparison purposes.
Ein äußerer Überzug aus Spaltprodukte zurückhaltendem feuerfestem Material, wie beispielsweise aus pyrolytischem Kohlenstoff oder pyrolytisch abgeschiedenem Siliciumcarbid, wird nunmehr bei einer Temperatur über 14500C, zum Beispiel im Bereich von 175O°C bis 20000C, auf die Teilchen aufgebracht. Während der Abscheidung der äußeren Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem feuerfestem Material reagiert die anfängliche Schicht aus Kohlenstoff mit den Teilchen, um Urandicarbid (UC^es) zu bilden, so daß ein Spalt oder Hohlraum unter dem Überzug um die Urandicarbidteilchrn herum hervorgerufen wild.An outer coating of cleavage products restrained refractory material, such as pyrolytic carbon or pyrolytically deposited silicon is now deposited at a temperature above 1450 0 C, for example in the range of 175O ° C to 2000 0 C, onto the particles. During the deposition of the outer layer of refractory material retaining fission products, the initial layer of carbon reacts with the particles to form uranium dicarbide (UC ^ es), creating a crevice or void under the coating around the uranium dicarbide particles.
Die folgende Tabelle II zeigt die Größe des Spaltes,
der für die Teilchen der Zusammensetzung UC1.0. UCu,
UC1.4 und UCi,6 in Tabelle 1 oben erreicht wird, wobei
vorausgesetzt wird, daß eine Kohlenstoffdicke, die für die Umwandlung der Teilchen in Urandicarbid gerade
ausreicht, auf die Teilchen aufgebracht und ein äußerer Überzug aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material
in einer Dicke von 60 Mikron
Teilchen aufgebracht wird.The following Table II shows the size of the gap for the particles of the composition UC1.0. UCu, UC1.4 and UCi, 6 in Table 1 above, provided that a carbon thickness just sufficient for the conversion of the particles to uranium dicarbide is applied to the particles and an outer coating of fission product-retaining material in a thickness of 60 microns
Particle is applied.
schließlich auf diefinally to the
Die Größe des erzeugten Spaltes hängt vom Grad des Sinterns ab, welches in den Teilchen bei Umwandlung in Urandicarbid vor sich geht. Jedoch entsteht der Spalt zwischen Maximal- und Minimalwerten auf folgender Basis:The size of the gap created depends on the degree of sintering that occurs in the particles when they are converted into Uranium dicarbide is going on. However, the gap between maximum and minimum values arises as follows Base:
(a) Kein Reaktionssintern findet statt, d. h. es entsteht keine Prozentsatzänderung in der theoretischen Dichte des Teilchens bei Umwandlung vom niederen Carbid in Dicarbid,(a) No reaction sintering takes place; H. there is no percentage change in the theoretical Density of the particle when converting the lower carbide to dicarbide,
4^ (b) komplettes Reaktionssintern findet statt, d. h. das Teilchen wird in 100% dichtes Urandicarbid umgewandelt. 4 ^ (b) complete reaction sintering takes place, ie the particle is converted into 100% dense uranium dicarbide.
Wahrscheinlich tritt ein gewisses Sintern und Verdichten auf, wenn die äußere Schicht — insbesondere über 1500° C — aufgebracht wird, und es ist zu vermuten, daß in der folgenden Tabelle die Größe des Spaltes sich dem Maximalwert nähert oder diesen erreicht.Some sintering and densification is likely to occur when the outer layer - in particular over 1500 ° C - is applied, and it is closed assume that the size of the gap in the following table is approaching or near the maximum value achieved.
Aus Tabelle II ist ersichtlich, daß der Urangehalt der überzogenen Teilchen zunimmt wie der Kohlenstoffgehalt des ursprünglichen Teilchens zunimmt. Die Zahlen in bezug auf Teilchen der Zusammensetzung UC|,85 sind zu Vergleichszwecken mit eingeschlossen, sind jedoch von keiner praktischen Bedeutung, weil Teilchen der Zusammensetzung UC135 nicht auf 90% der theoretischen Dichte dargestellt werden können, und in jedem Fall besteht bei solchen Teilchen kein Spalt zwischen dem Kern und der äußeren Schicht, so daß die äußere Schicht bei Temperaturwechselbeanspruchung versagen kann. Der Vorteil des erhöhten Urangehalts pendelt sich ein zwischen Teilchen der Zusammensetzung UCm und UCi,6, und dies ist der bevorzugte Bereich von Zusammensetzungen.From Table II it can be seen that the uranium content of the coated particles increases as the carbon content of the original particle increases. The numbers relating to particles of the composition UC |, 8 5 are included for comparison purposes, but are of no practical importance because particles of the composition UC135 cannot be represented to 90% of the theoretical density, and in any case, with such particles no gap between the core and the outer layer, so that the outer layer can fail in the event of thermal cycling. The benefit of the increased uranium content levels off between particles of composition UCm and UCi, 6 and this is the preferred range of compositions.
Bei einem anderen Verfahren kann eine anfängliche Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff von größerer Dicke, als allein für· die Umwandlung der Teilchen in Urandicarbid benötigt wird, auf die Teilchen aufgebracht werden. Beim Aufbringen eines äußeren Überzugs aus Spaltprodukte zurückhaltendem feuerfestem Material bei der höheren Temperatur kann ein bestimmter Anteil des anfänglichen Kohlenstoffüberzugs in Übereinstimmung mit beispielsweise der Dicke des Kohlenstoffs, die für die Umwandlung der Teilchen in Urandicarbid, wie in Tabelle I angegeben, benötigt wird, verbraucht werden, und entsprechende Spalte entstehen, wie in Tabelle II angegeben. Jedoch wird ein bestimmter Anteil der Nickelschicht von Kohlenstoff als Teil des Überzugs der Teilchen zurückbleiben, wobei eine Schicht innerhalb des äußeren Überzuges aus Spaltprodukte zurückhaltendem feuerfestem Material gebildet wird, welche durch den Spalt vom Kern des Teilchens getrennt ist. Wenn zum Beispiel bei Teilchen, wie sie in Tabelle II angegeben sind, der Überzug aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material plus residuale Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von 60 Mikron vorgesehen ist, wird der gleiche Urangehalt in den Teilchen erreicht Die erfordert natürlich das Aufbringen einer dünneren äußeren Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem feuerfestem Material auf den Teilchen, um die gleiche endgültige Gesamtüberzugsdicke zu erreichen. Das Vorhandensein der inneren Restschicht aus Kohlenstoff in den beschichteten Teilchen bildet eine Sperre gegen das Entweichen von Spaltprodukten, die im Kern während der Bestrahlung erzeugt werden. Daher sollte die residuale Kohlenstoffschicht eine Dicke von etwa 25 bis 50 Mikron aufweisen, und um eine Gesamtüberzugsdicke von 60 Mikron vorzusehen, muß ein äußerer Überzug aus Spaltprodukte zurückhaltendem feuerfestem Material von entsprechender Dicke im Bereich von 35 bis 10 Mikron auf den Teilche aufgebracht werden.In another method, an initial layer of pyrolytic carbon can be of larger size Thickness than that required alone for converting the particles to uranium dicarbide applied to the particles will. When applying an outer coating of fission products, retardant refractory Material at the higher temperature can contain a certain proportion of the initial carbon coating in accordance with, for example, the thickness of the carbon required for the transformation of the particles in uranium dicarbide, as indicated in Table I, is required, and corresponding column arise as indicated in Table II. However, a certain proportion of the nickel layer is considered to be carbon Part of the coating of the particles is left behind, leaving a layer within the outer coating Fission products retaining refractory material is formed, which through the gap from the core of the Particle is separated. For example, if for particles such as those listed in Table II, the coating is off Fission product-retaining material plus residual carbon layer with a thickness of 60 microns is provided, the same uranium content is achieved in the particles, which of course requires application a thinner outer layer of fission product-retaining refractory material on top of the particles, to achieve the same final total coating thickness. The presence of the residual inner layer made of carbon in the coated particles forms a barrier against the escape of fission products, generated in the core during irradiation. Therefore, the residual carbon layer should have a thickness of about 25 to 50 microns and to provide a total coating thickness of 60 microns, must be an outer coating of fission product-retaining refractory material of appropriate thickness in the range of 35 to 10 microns can be applied to the particles.
Um eine gewünscht«: Dicke von Rest-Kohlenstoff irTo a desired «: thickness of residual carbon ir
Überzug zu erreichen, wird eine anfängliche KohlenTo achieve plating becomes an initial coals
Stoffschicht von einer Dicke, die der Menge voi Kohlenstoff entspricht, welche für die Umwandlung deA layer of fabric of a thickness equal to the amount of voi Corresponds to carbon, which is necessary for the conversion of de
Teilchen in Urandicarbid erforderlich ist, plus di<Particle in uranium dicarbide is required, plus di <
erforderliche Restdicke auf die Teilchen aufgebrachtrequired residual thickness applied to the particles
Beispielsweise ist in Tabelle I die erforderliche Dicki von Kohlenstoff, die für die Umwandlung voi 400-Mikron-Tcilchen der Zusammensetzung UCi^ bi: UCi,6 benötigt wird, im Bereich von 6 bis 15Mikroi angegeben; daher ist die Dicke der anfänglichei Kohlenstoffschicht, die für die Herstellung von beFor example, in Table I is the required Dicki of carbon necessary for the conversion of 400 micron particles of the composition UCi ^ bi: UCi, 6 is needed, ranging from 6 to 15 microi specified; therefore the thickness is the initial egg Carbon layer used for the manufacture of be
schichteten Teilchen erforderlich ist, welche Überzug« mit einer residualen Kohlenstoffschicht im Bereich vor 25 bis 50 Mikron aufweisen, 31 bis 40 Mikron (um die minimale 25-Mikron-Restkohlenstoffschicht herzustellen) und 56 bis 65 Mikron (um die maximale 50-Mikron Restkohlenstoffschicht herzustellen).layered particles is required, which coating « with a residual carbon layer in the range of 25 to 50 microns, 31 to 40 microns (around the minimum 25 micron residual carbon layer) and 56 to 65 microns (around the maximum 50 micron To produce residual carbon layer).
Da die äußere Schicht wiederstandsfähig gegenübei mechanischer Beschädigung ist, kann eine wesentliche Reduzierung in der Dicke der äußeren Schicht au: Spaltprodukte zurückhaltendem Material — um die gleiche Gesamtverbundschichtdicke zu erreichen — unerwünscht sein.Since the outer layer is resistant to mechanical damage, an essential Reduction in the thickness of the outer layer au: fission products retaining material - around the to achieve the same total composite layer thickness - be undesirable.
Bei Teilchen mit einem ursprünglichen Durchmesser von 400 bis 500 Mikron, wie in Tabelle I und II oben angegeben, welche jedoch residuale Kohlenstoffschichten, beispielsweise in einer Dicke im Bereich von 25 bis 50 Mikron, aufweisen, kann es zum Beispiel erwünscht sein, daß die äußere Schicht aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material eine Mindestdicke von 50 Mikron aufweist, was eine Gesamtüberzugsdicke im Bereich von 75 bis 100 Mikron ergibt, verglichen mit der Überzugsdicke von 60 Mikron, die in den Beispielen der Tabellen I und II verwendet wird, wo der Überzug lediglich aus Spaltprodukte zurückhaltendem feuerfestem Material — ohne das Vorhandensein einer residualen Kohlenstoffschicht — besteht Die bedeutet natürlich, daß das überzogene Teilchen einen größerenFor particles with an original diameter of 400 to 500 microns, as in Tables I and II above indicated, however, which residual carbon layers, for example in a thickness in the range from 25 to 50 microns, for example, it may be desirable to have the outer layer of fission products retaining material has a minimum thickness of 50 microns, which is a total coating thickness in Range of 75 to 100 microns compared to that Coating thickness of 60 microns used in the examples of Tables I and II where the coating only refractory material retaining fission products - without the presence of a residual carbon layer - which naturally means that the coated particle is a larger one
Enddurchmesser — mit einer daraus resultierenden Reduzierung im Urangehalt — aufweistFinal diameter - with a resulting reduction in uranium content - has
Die folgende Tabelle III enthält Einzelheiten solcher beschichteter Teilchen mit einem ursprünglichen Durchmesser von 500 Mikron, welche Überzüge aufweisen, die eine residuale Kohlenstoffschicht von 25 Mikron Dicke enthalten und einen äußeren Überzug aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material in einer Dicke von 50 Mikron aufweisen (d. h. Gesamtüberzugsdicke 75 Mikron).The following Table III gives details of such coated particles with an original 500 microns in diameter, which have coatings that have a residual carbon layer of 25 microns thick and an outer coating of fission product-retaining material in one 50 microns thick (i.e. 75 microns total coating thickness).
Teflchenzusammensetzung (durch die chemische Formel atisgedrückt)Surface composition (through the chemical formula atis pressed)
Spaltabmessung unter Dicke der anfäglichen Dicke der anfänglichen Dicke der rest- Urangehali des der Annahme, daß Kohlenstoffschicht, Kohlenstoffschicht, duaJen Kohlenstoff- beschichtetenGap dimension below thickness of the initial thickness of the initial thickness of the remaining Urangehali des the assumption that carbon layer, carbon layer, duaJen carbon-coated
die bei der Umwand- schicht im end- Teilchensthe one at the transition layer in the end particle
komplettes Sintern die aus Methan abdes Teilchens bei geschieden wirdcomplete sintering which is separated from methane from the particle
Umwandlang in UC135 (Dichte 13 g/cm3) stattfindetConversion to UC135 (density 13 g / cm 3 ) takes place
Jung eines Teilchens in gültigen Oberzug UCijs verwendet wirdJung of a particle in valid Oberzug UCijs is used
(Mikron)(Micron)
(Mikron)(Micron)
(Mikron)(Micron)
(Mikron)(Micron)
UCu
UCm
UCu.UCu
UCm
UCu.
14,414.4
11,511.5
8,58.5
43,7543.75
37,537.5
3232
FaBs die anfängliche Kohlenstoffschicht durch Pyrolyse
von Acetylen statt von Methan aufgebracht wird, ist der abgelagerte Kohlenstoff von geringerer Dichte,
18,75
12£
7If the initial carbon layer is applied by pyrolysis of acetylene instead of methane, the deposited carbon is of a lower density, 18.75
12 pounds
7th
25 25 2525th 25th 25th
432 434432 434
& h, die Dichte des Kohlenstoffs, der durch Pyrolyse von Median aufgebracht wird, ist in 1,5 g/cm3, während die Dichte von Kohlenstoff, der durch Pyrolyse von& h, the density of carbon deposited by pyrolysis median is in 1.5 g / cm 3 , while the density of carbon deposited by pyrolysis of
709612/71709612/71
¥947¥ 947
Acetylen aufgebracht wird, 1,0 bis 1,2 g/cm3 beträgt. Falls Acetylen verwendet wird, um eine anfängliche Kohlenstoffschicht von genügender Dicke abzulagern, um eine residuale innere Schicht aus Kohlenstoff im Überzug nach der Umwandlung der Teilchen in UCi.85 übrigzulassen, ist diese residuale Kohlenstoffschicht von einer geringeren Dichte als der einer solchen, die von einer anfänglichen Kohlenstoffschicht übrigbleibt, welche durch Pyrolyse von Methan abgelagert worden ist. Die Kohlenstoffschicht von geringerer Dichte, die aus Acetylen aufgebracht wird, liefert eine wirksamere Sperre gegen Spaltprodukte als eine Kohlenstoffschicht von höherer Dichte, die aus Methan abgeschieden wird. Da jedoch eine anfängliche Kohlenstoffschicht, die durch Pyrolyse von Acetylen aufgebracht wird, eine geringe Dichte, beispielsweise 1 g/cm3, aufweist, muß eine größere Dicke von Kohlenstoff bei der anfängli-Tabelle IVAcetylene is applied, 1.0 to 1.2 g / cm 3 . If acetylene is used to deposit an initial carbon layer of sufficient thickness to leave a residual inner layer of carbon in the coating after the particles have been converted to UCi.85, this residual carbon layer will be of a lower density than that produced by a initial carbon layer remains, which has been deposited by pyrolysis of methane. The lower density carbon layer deposited from acetylene provides a more effective barrier against fission products than a higher density carbon layer deposited from methane. However, since an initial carbon layer deposited by pyrolysis of acetylene has a low density, for example 1 g / cm 3 , a greater thickness of carbon must be used in the initial Table IV
chen Schicht für die Umwandlung der Teilchen in UQ1I vorgesehen werden als es der Fall ist, wenn di anfängliche Kohlenstoffschicht aus Methan abgeschie den wird.A layer for converting the particles into UQ 1 I can be provided as is the case when the initial carbon layer is deposited from methane.
Tabelle IV zeigt den Vergleich zwischen der Dick« der anfänglichen Schicht, die benötigt wird, um Teilchei mit einem Durchmesser von 500 Mikron der angegebe nen Zusammensetzung umzuwandeln, (a) wenn de; anfängliche Kohlenstoffüberzug durch Pyrolyse voj Methan aufgebracht wird, und (b), wenn der anfänglich Kohlenstoffüberzug durch Pyrolyse von Acetyler aufgebracht wird. Im Falle der Abscheidung dei anfänglichen Kohlenstoffschicht vom Acetylen her wire eine größere Kohlenstoffdicke für die Umwandlung benötigt, und dies spiegelt sich natürlich in der Größe des erzeugten Spaltes wieder.Table IV shows the comparison between the thickness "of the initial layer is required to Teilchei having a diameter of 500 microns which is give NEN composition convert (a) when de; the initial carbon coating is applied by pyrolysis of methane, and (b) when the initial carbon coating is applied by pyrolysis of acetylene. In the case of the deposition of the initial carbon layer from the acetylene, a greater carbon thickness would be required for the conversion, and this is of course reflected in the size of the gap created.
Teilchenzusammensetzung (a)
(durch die chemische Formel Anfängliche Kohlenstoff ausgedrückt) schichtdicke, die für die UmParticle composition (a)
(expressed by the chemical formula Initial Carbon) layer thickness necessary for the order
wandlung erforderlich ist, wenn sie aus Methan abgeschieden wird (Kohlenstoffdichte 1,5 g/cm3)
(Mikron) (a)
Spaltabmessungconversion is required if it is separated from methane (carbon density 1.5 g / cm 3 ) (microns) (a)
Gap dimension
UC 1.2UC 1.2
UCuUCu
UC 1.6UC 1.6
18,75 12,5
718.75 12.5
7th
(Mikron)(Micron)
14,414.4
11,511.5
(b)(b)
Anfängliche Kohlenstoffschichtdicke, die für die Um-Wandlung
erforderlich ist, wenn sie aus Acetylen abgeschieden wird (Kohlenstoffdichte I.Og/cm')
(Mikron) Initial carbon layer thickness required for the conversion if it is deposited from acetylene (carbon density I.Og / cm ')
(Micron)
(b) Spa(b) spa
paltabmessung gap dimension
(Mikron)(Micron)
Bei der Herstellung von Urancarbidteilchen werden Teilchen eines Gemisches aus Urandioxid und Kohlenstoff auf eine gewünschte Größe gebracht und dann in einem Zwei-Temperatur-Verfahren im Vakuum zur Reaktion gebracht und gesintert. Bei der niedrigeren Temperatur, etwa bei 1400°C, wird UO2 durch Kohlenstoff reduziert, so daß sich Urancarbid bildet, und wenn die Reaktion komplett ist, wird Sintern bei der höheren Temperatur, 16000C bis 170O0C, bewirkt Die carbothermische Reduktion Findet statt gemäß der chemischen GleichungIn the production of uranium carbide particles, particles of a mixture of uranium dioxide and carbon are brought to a desired size and then reacted in a two-temperature process in a vacuum and sintered. At the lower temperature, for example at 1400 ° C, UO 2 is reduced by carbon so as to form uranium carbide, and when the reaction is complete, sintering at the higher temperature, 1600 0 C to 170O 0 C is effected, the carbothermal reduction Takes place according to the chemical equation
27
18
1027
18th
10
23,5 16,5 11,923.5 16.5 11.9
UO2 + 3cUO 2 + 3c
= UC + 2 CO.= UC + 2 CO.
Falls das Kohlenstoff-UO2-Verhältnis in der Originalmischung dasjenige ist, welches durch obige Gleichung gegeben ist, dann ist das Endprodukt im wesentlichen Uranmonocarbid. Wenn sich der Kohlenstoffgehalt dann auf einem höheren Wert befindet, entsteht im allgemeinen ein Zwei-Phasen-Produkt, welches Uranmonocarbid- und Urandicarbidphasen aufweist, wobei die Anteile von der ursprünglichen Kohlenstoffkonzentration abhängig sind. Schließlich besteht das Endprodukt völlig aus Dicarbid, obwohl der Kohlenstoffgehalt dieser Phase variabel und immer niedriger ist als derjenige, der durch die Formel UC2 definiert ist Im allgemeinen kann bei Präparaten, die durch Reduktion von UO2 hergestellt werden, der Kohlenstoffgehalt durch die Formel UC135 ausgedrückt werden. Falls die CO-Entwicklung nicht auf einer gleichmäßigen Rate gehalten wird und etwas Sintern bei der Reaktionstemperatur vorsieh gehen kann, das die Reduktionsreaktion verlangsamt, dann ist es möglich, auch die Sesquicarbidphase (U2Cj)ZUT Kristallisationskernbildung zu bringen. Es ist kennzeichnend für das obige Verfahren, daß dann, wenn UCip das beabsichtigte Endprodukt ist, es schwierig ist, den gesamten Sauerstoff völlig zu entfernen, und zwar wegen des Fehlens idealer Homogenität des Gemisches und wegen der Schwierigkeit, das gesamte CO zu entfernen, bevor ein Sintern bewirkt wird. Somit enthält das Endprodukt, obwohl einphasig, zw.schen 0,1 Gewichtsprozent und 0,2 Gewich sprozent Sauerstoff, und die endgültige gesinterte ?no/ V auUf emen Maximalwert von 12,3g/cm3 d.h. Kohl !" ihe°r"ischen Dichte, begrenzt Wenn derIf the carbon-UO 2 ratio in the original mixture is that given by the above equation, then the end product is essentially uranium monocarbide. If the carbon content is then at a higher value, a two-phase product is generally formed, which has uranium monocarbide and uranium dicarbide phases, the proportions being dependent on the original carbon concentration. Finally, the end product consists entirely of dicarbide, although the carbon content of this phase is variable and always lower than that defined by the formula UC 2 In general, in preparations made by reducing UO 2 , the carbon content can be given by the formula UC135 be expressed . If the CO evolution is not kept at a steady rate and some sintering at the reaction temperature can take place, which slows down the reduction reaction, then it is possible to also bring the sesquicarbide phase (U 2 Cj) ZUT nucleation . It is characteristic of the above process that when UCip is the intended end product, it is difficult to completely remove all oxygen because of the lack of ideal homogeneity of the mixture and because of the difficulty in removing all of the CO beforehand sintering is effected. Thus contains the final product, although single-phase, zw.schen 0.1 weight percent and 0.2 weighting- sprozent oxygen, and the final sintered? No / V a U U emen Maxim Alwert of 12.3 g / cm 3 that is carbon, "he i ° r " ical density, limited if the
.0 SÄ31' So weit erhöht wird. daß das Endprodukt durch die Formel UCU ausgedrückt werden kann, fällt der Sauerstoffgehalt auf 0,05 Gewichtsprozent ab, und bei einer Endzusammensetzung i^Jr. M *,mm Sauer«°ffgehalte von 50 ppm RedSctΙΓΛ Außerdem "acht diese komplette von ΪΤ ' ?er- Reakti°nstemperatur ein Produkt iffrerrelat!ver Dichte mö«Iich· Ζ«» Beispiel Dih % ei .0 SÄ 31 ' So far we increased d. that the end product can be expressed by the formula UC U , the oxygen content drops to 0.05 percent by weight, and with a final composition i ^ Jr. M *, mm Sauer "° ffgehalte of 50 ppm RedSctΙΓΛ addition," eight of these complete ΪΤ 'he -?! Reakti ° nstemperatur product iff rerrelat ver density mö "Iich · Ζ""example Dih% ei
50 hohe 50 high
5555
6060
65 bfs bePnr* fm d:tDkh* des
, Η- ä ·* ?lative Dichten 65 bfs bePnr * fm d : tDkh * des
, Η- ä · *? lative densities
Probenrehearse
produkt« rapideproduct «rapidly
****« 60% und**** «60% and
» einer starken“A strong one
^ TeÜchen m einer theoretischen "" Z^anuneasetzungsbereicb von ^s^^ können sogar noch höhere 7"*?* wefden« "k m <*««* Tabellen 4 Λβ 5^ 8^ Te3dlen ^ziehen, die der theoretischen Dichte Ä Z C ^ M TeÜchen a theoretical "" Z ^ anuneasetzungsbereicb of ^ s ^^, even higher 7 "? * Wefden" "k m <*""* Tables 4 Λβ ^ pull * 5 ^ 8 ^ Te3dlen that the theoretical density Ä Z C
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Prun^cher Etarchmesser) Voraussetzungen errechnet -' was 8% »ehr ist, als erreicht ?etm mt ^°em Te5Icnen der Zusammenj0 begonnen wirdPrun ^ cher Etarchmesser) Prerequisites calculated - what is 8% more than achieved ? etm mt ^ ° em Te5Icn en which together j0 is started
Claims (6)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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GB51258/63A GB1107708A (en) | 1963-12-31 | 1963-12-31 | Improvements in or relating to nuclear reactor fuel elements |
GB1178064 | 1964-03-19 | ||
GB1359367 | 1967-03-22 | ||
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Publications (3)
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DE1771018A1 DE1771018A1 (en) | 1971-12-02 |
DE1771018B2 DE1771018B2 (en) | 1976-07-29 |
DE1771018C3 true DE1771018C3 (en) | 1977-03-24 |
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