DE1816044A1

DE1816044A1 - Kernbrennstoff

Info

Publication number: DE1816044A1
Application number: DE19681816044
Authority: DE
Inventors: Alfred Flipot
Original assignee: Belgonucleaire SA
Current assignee: Belgonucleaire SA
Priority date: 1967-12-21
Filing date: 1968-12-20
Publication date: 1969-07-17
Also published as: BE720704A; SE331522B; GB1182080A; US3692887A; NL6818256A; CH500560A; FR1597958A

Description

Patentanwalt Augsburg, den 19. Dezember 1968

Augsburg 3 · Rehlingenstai® S .

Postfad» 242 Prxorxtatetig

_lt} _{BelgieBi 21# Dezember}

5267AO Bu/Sch Nr. 52.429 (70S«325)

Gr

ScJ Belgien, 12, September Nr, 63.310

Patentanmeldisi&g

Firma BELQONUCLBAIRE S₈A₀, 35 0 Ktui© des C®loaies

Brüssel, BELGIEM

"Kernbrennstoff⁸ "

. Die Erfindung betrifft ein Verfahren swn Herstellen von Kernbrennstoff -Formkörper^.,, wie z.B. von Kernbrennstoff-Tabletten aus pulverförmigem Keramikmaterial, umfassend die Verfahrensschritte des Agglomerierens, des Granulierens, des Formpressens und des Sinterns.

Solche Kernbrennstoff-Formkörper werden gewöhnlich aus keramischem Pulvermaterial, z.B.'aus Oxyden, Karbiden oder Nitriden des Urans, Plutoniums oder anderer Transurane, hergestellt.

• ·

Eine Schwierigkeit bei der Herstellung solcher Formkörper besteht darin, diese in möglichst gleichmäßiger und wiederholbarer Weise in einer bestimmten Dichte herzustellen, die zwischen 70% und 98% der theoretischen Dichte von keramischen Pulvern mit identischenqChaijAkteris/tiken betragen kann.

■ ORIGINAL INSPECTED

Bu/Scfe - 2 - 19. Dezember 1968

Gr

18160U

Bei einem bekannten Herstellungsverfahren wird das Pulver, gegebenenfalls nach Hinzufügen eines Bindemittels, agglomeriert, granuliert, in entsprechenden Formen gepreßt und gesintert·

Nach diesem bekannten Verfahren können Tabletten innerhalb der oben genannten Dichtewerte aus derselben Pulverqualität entweder durch Zugabe größerer Mengen von Bindemittel vor oder nach dem. Granulierungsprozeß oder durch eine bestimmte, die Sinterfähigkeit des Pulvers reduzierende, Vorbehandlung hergestellt werden.

Die Zugabe größerer Mengen von Bindemittel bringt einige Nachteile mit sich, wie einen Mangel an Wiederholbarkeit hinsichtlich der Dichte, da es schwierig ist, eure""homogene Verteilung des Bindemittels im Pulver zu erreichen, ferner die Notwendigkeit der Verwendung von Wasser, das wegen seiner moderierenden Eigenschaften die Menge des Spaltmaterials, welche "Mn einem bestimmten Volumen verarbeitet werden kann, drastisch einschränkt, schließlich das Verschmutzen des Sinterofens usw.; aber auch die genannte Vorbehandlung des Pulvers ist nachteilig, da sie hohe Temperaturen erfordert, wodurch £lch die Abriebeigenschaften des Pulvers und die Herstellungskosten erhöhen.

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ORIGINAL

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Kern-Brennstoff-Formkörpern für Kernreaktoren zu schaffen, welches die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und welches zum Herstellen von solchen Formkörpern, z.B. Tabletten in der erforderlichen Dichte, und zwar in wiederholbarer Weise, geeignet 1st·

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe an

einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch, ™

daß nach dem Agglomierieren und vor dem Formpressen eine Wärmebehandlung zum Erzielen einer Entaktivierung des Materials durchgeführt wird.

Diese Entaktivierung kann also vor oder nach dem Granulieren vorgenommen werden. Automatische Formpressen zum Herstellen der zu sinternden Teilchen benötigen im allgemeinen ein gekörntes, gut fließendes Gut, um eine gleichbleibende und wiederholt t erzielbare Herstellungsqualität sicherzustellen; im vorliegenden Fall sind deshalb bessere Ergebnisse zu erreichen,wenn die Entaktivierung nach dem Granulieren vorgenommen wird. Allerdings gibt es auch solche Formpressen, die mit Material arbeiten, dessen Korngröße innerhalb eines großen Bereiches variiert und die deshalb ein Entaktivieren auch vor dem Granulieren zulassen. Die Entaktivierungsbehandlung des Agglomerate oder des granulierten Materials 1st abhängig von der im

Endzustand erforderlichen Dichte und kann durch ver-909829/1164

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schiedene Mittel wie beispielsweise Temperatur, Dauer

der Wärmebehandlung und der während der Behandlung < verwendeten Atmosphäre beeinflußt bzw· gesteuert werden«

Temperaturen zwischen 600⁰C und 1000⁰C sind besonders gut geeignett Temperaturen wesentlich unter 600 C ergeben praktisch keine Wirkung und Temperaturen von erheblich Über 1000⁰C müssen vermieden werden, da sie Produkte ergeben, die für das Formpressen zu hart sind.

Die Behandlungedauer liegt in der Größenordnung von einigen Stunden und hängt von der Temperatur ab.

Bevorzugt eignet eich eine CO -Atmosphäre; im Vergleich- zu anderen Atmosphären, wie beispielsweise , Vakuum, Wasserstoff, Argon oder einer Mischung aus Wasserstoff und Argon, die zwar auch zu zufriedenstellenden Ergebnissen führen, ergibt die CO -Atmosphäre •sein weniger hartes Produkt.

Zm folgenden wird das. erfindungsgemäße Verfahren

• i

anhand dreier AusfÜhrungsbeispiele beschrieben.

Beispiel It . !

Urandioxydpulver wird unter einem Druck von [ 3000 kg/cm agglomeriert. Das Agglomerat wird zer-·

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Gr

mahlen, entsprechend e±nmr Siebgröße von O, 3 mm Maschenweite* Das so gewonnene Granulat wird dann fünf Stunden lang in GO₂-AtmoSphäre bei 900°C erhitzt. Nash dieser Entaktivierungebehandlung werden 0,5% eines trockene-n Schmiermittels auf der Basis eines mit Behensäure behandelten Zinks (Zink-Behenat) hinzugegeben. Dann wird das Granulat in einer mechanischen Presse kaltgeformt. Die Entaktivierungsbehandlung ermöglicht eine einfache Herstellung der Tabletten, deren Dichte

rs

vor dem Sintern @twa den Wert von 7*2 g/cra erreichte wohingegen das ursprünglich® Pulver auf nicht mehr als 6 g/cnr verdichtet werden kann, ohsi© daß die Gefahr eines Springens oder Zerstörens der Tabletten infolge des Preßdrucke besteht» Nach einstündigem Sintern bei l600°C in einer Atmosphäre aus 95% Argon und 5% Wasserstoff beträgt dio Dichte der Sinterteilchen 9,6 g/cra , das sind etwa 87,5% der theoretischen Dichte. Da die Schrumpfung sehr gering ist, sind die erzielbaren Maßgenauigkeiten der Tabletten sehr hoch«

Beispiel 2»

Urandioxydpulver wird unter einem Druck von

E
3OOO kg/cm agglomeriert. Das Agglomerat wird fünf Stunden lang in einer CO -Atmosphäre bei^ 900⁰C erhitzt. Nach dieser Entaktivierungsbehandlung wird das Agglomerat in einer Hammermühle zermahlen und dann werden 0,5% eines trockenen Schmiermittels auf der Basis von Zink-Behenat zugemischt· Das.zermahlene

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bzw. zerriebene Produkt wird dann in einer mechanischen Presse kaltverformt. Die dabei entstehenden Tabletten werden bei l600°C in einer Atmosphäre aus 95% Argon und 5% Wasserstoff eine Stunde lang gesintert. Die fertigen Tabletten haben dieselben Eigenschaften wie die unter Beispiel 1 beschriebenen.

Beispiel 3?

Zu Urandioxydpulver werden 0,5% Polyaethylenglycol und 0,5% Polyvinylalkohol in wässriger Lösung zugemischt. Die sich ergebende Paste wird an der Luft bei 11O°C getrocknet und der getrocknete Kuchen wird zu Granulat zermahlen, das einer Siebgröße mit 0,4mm Maschenweite entspricht. Dieses Granulat wird dann entaktiviert, indem es drei Stunden lang bei 1000°C in einem zu 5% miii Wasserstoff vermischten Argonstrom gehalten wird. Nach Hinzugabe von 0,2% eines trockenen Schmiermittels auf Zinkstearatbasis wird das Granulat kaltverformt, und zwar mittels einer hydraulischen Presse unter einem Druck von 4000 kg/cm , so daß 19mm-Tabletten entstehen. Diese werden dann bei 165O⁰C in einer Atmosphäre aus technischem Wasserstoff eine Stunde lang gesintert. Die dabei entstehenden Sinterteilchen haben eine Dichte von 9_f6 g/cm , das sind etwa 87,5% der theoretischen Dichte. Unterschiedlich dazu würden in sonst gleicher Weise, jedoch ohne Entaktivierung hergestellte Tabletten eine Dichte von 10,6 g/Cm aufweisen, das sind etwa 96,7% der theoretischen Dichte.

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Diese drei Beispiele zeigen, daß das erfindungs-

Verfahren sowohl im Rahmen eines trockenen oder feuchten Herstellungspreis····* der Tabletten angewandt werden kann, wobei es im allgemeinen vorzuziehen ist, die Menge der Zusätze (Bindemittel oder Schmiermittel) auf ein Minimum zu reduzieren; dadurch wird weder der Rahmen der Erfindung eingeengt, noch die Wirkung der Entaktivierung geschmälert« In jedem Fall werden diese Zusätze ganz oder teilweise durch die Entaktivierungebehandlung entfernt·

- Das Verfahren ermöglicht die Verwendung von : nur einer Sorte Pulvermaterial zum Herstellen ■ von Tabletten beliebiger Dichte; deshalb ist ' es möglich, ein industriell einfach herzustellen-:

des Pulver zu verwenden* ; {

- Das Verfahren vermeidet die Verwendung von Bindemitteln und damit die sich aus deren Verwendung ergebenden Nachteile wie beispielsweise das Verschmutzen des Sinterofens, die Verwendung von Wasser usw· ·

- Das entaktivierte Granulat fließt besser als nicht entaktiviertes und ermöglicht deshalb eine bessere Gleichmäßigkeit und Wiederholbarkeit bei der Herstellung der Tabletten. 909829/1164

ORfGiNAL fNSPECTED _ ₈ .' "

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Alle in der Beschreibung und den Patentansprüchen enthaltenen Einzelheiten und Merkmale sind einzeln, in Teilkombination und in Geeamtkombination erfindungβ-wesentlich.

- Patentansprüche -

909 829/1 1.6 4 _OBIevNAL INSPECTED

Claims

19· Dezember I968

Patentanspruches

1« Verfahren zum Herstellen von Kernbrennstoff-Formkörpern wie z.B. von Kernbrennstoff-Tabletten aus pulverförmigem Keramikmaterial, umfassend die Verfahrensschritte des Agglomerierens, des Granulierens, des Formpressen« und des Sinterns, dadurch gekennze lehnet , daß nach dem Agglomerieren und vor dem Formpressen eine Wärmebehandlung zum Erzielen einer Entaktivierung des Materials durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die entaktivierende Wärmebehandlung zwischen dem Granulieren und dem Formpressen stattfindet.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch * g e k β η η -V zeichnet, daß die entaktivierende Wärmebehandlung zwischen dem Agglomerieren und dem Granulieren durchgeführt wird.
t

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1

bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 6OO°C und 1OOO°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis k, dadurch

gekennzeichnet _v daß die Wärmebe-909829/1164 _nö|-

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Bu - Ηί' - 19. Dezember 1968

handlung" in einer CO₂-Atmosphäre durchgeführt wird.

6. Kernbrennstoff-Formkörper, as.B.. -Tabletten, hergestellt nach einem der Verfahren gemäß einem oder »· · '

mehreren der Ansprüche 1 bis 5·

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