DE1918675A1

DE1918675A1 - Vorrichtung zum Homogenisieren und Mischen von Kernbrennstoffen

Info

Publication number: DE1918675A1
Application number: DE19691918675
Authority: DE
Inventors: Ploeger Dipl-Chem Dr Fritz; Pirk Dipl-Ing Hans; Vietzke Dipl-Chem Dr Horst
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1969-04-12
Filing date: 1969-04-12
Publication date: 1971-02-11
Also published as: FR2041165A1; DE1918675B2; SE333416B; ES370361A1

Description

Nuklear-Chomie und -Metallurgie Gesellschaft m.b.H.

Wolfgang b. Hanau

Vorrichtung zum Homogenisieron und Mischen von Kernbrennstoffen

Die Verfahren zur Produktion von Kernbrennstoffen enthalten zumeist als letzten, gegebenenfalls jedoch auch als zwischengeschalteten Verfahrensschritt die Herstellung.von homogenen, spezifikationsgerechten größeren Produktionsmengen, sog. Losen.

Dabei wird die Erstellung möglichst großer Lose angestrebt, da Spezifikationsprüfungen in der Regel- auf das Los bezogen werden, unabhängig von seiner Größe (Gewicht). Man hält somit den Aufwand für die Analyse der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Loses und gegebenenfalls die Prüfung auf Verarbeitbarkeit z.B. von Pulvern zu Pellets gering. Die Losgröße wird jedoch von anderen Faktoren wie technisch-wirtschaftliche Mischergröße, Anlagendurchsatz und Verweilzeit des \vertvollen Materials in der Anlage begrenzt.

Die unter diesen Voraussetzungen zu errechnenden optimalen Losgrößen sind beachtlich und betragen z. B. für UO₂-Pulver mit einem U-235-Gehalt von 4 % etwa 2 t, für eine U0₂-Pu0₂-Mischung im Gewichtsverhältnis 70 : 30 etwa 60 kg.

Die Herstellung solcher Losgrößen bringt erfahrungsgemäß, insbesondere bei pulverförmigen Kernbrennstoffen, die das spaltbare Isotop U-235 in höherer als der natürlichen Konzentration oder Pu enthalten, erhebliche Schwierigkeiten. Die Gewährleistung der nuklearen Sicherheit bedingt die Handhabung von sog. sicheren Mengen spaltbaren Materials in beliebiger geometrischer Anordnung oder die Handhabung beliebiger Mengen in physikalisch bestimmter geometrischer Anordnung, der sog. sicheren Geometrie. Für UO₂-Pulver mit einer U-235-Konzentration von 4 % beträgt z. B. die sichere Menge nur ca. 2T3 kg g Diese Menge kann unter bestimmten Voraussetzungen noch überschritten werden, wobei dann die Gewährleistung der nuklearen Sicherheit auf der Befolgung administrativer Vorschriften beruht. ■ - 2 -

009887/071T

BAD ORiQINAl

Bei der Anwendung der sog. geometrischen Sicherheit können als Sicherheitspax'ameter das sichere Volumen, der sichere Durchmesse!* oder die sichere Schichtdicke gewählt worden. Bei 4 % angereichertem U0₂-Pulvcr beträgt z. B. das sichere Volumen 33,8 1, der sichere Durchmesser 28,45 cm, die sichere Schichtdicke 13,97 cm.

Es ist deutlich, daß mit einem sicheren Volumen keine ausreichende Losgröße erstellt werden kann.

Misch- und Homogenisierungsapparate mit sicherem Durchmesser, also senkrechte schlanke zylindrische Gefäße, in denen die Mischwirkung durch stoßweise oder gleichmäßiges Aufwirbeln des Alischgutes erfolgt, sind bekannt, jedoch können auch mit diesen Apparaten die gewünschten optimalen Losgrößen noch nicht erreicht werden.

Die vorstehend beschriebenen prinzipiellen Grenzen zur Gewährleistung der nuklearen Sicherheit können erweitert oder gar vernachlässigt werden, wenn der Multiplikationsfaktor der zu behandelnden Kernbrennstoffmenge durch homogene oder heterogene Vergiftung mit Neutronenabsorbern unter den Wert 1 gehalten wird.

Die homogene Vex'giftung ist für den vorstehenden Fall praktisch nicht anwendbar, da eine spätere Trennung der Neutronengifte vom Kernbrennstoff nur durch eine aufwendige chemische Trennung möglich ist. .

Die heterogene Vergiftung des spaltbaren Mater-ials ist, besonders wenn es sich um Mischprobleme handelt, nicht anwendbar, da gerade die eingebrachten Absorberplatten und -stäbe eine gute Durchmischung des Materials stark behindern, außerdem zu apparativ aufwendigen und schlecht zu reinigenden Mischapparaten führen würden. '

009887/0711

BAD

	• · · · • · · ···	• ·· · · • · · · ···
• · • ·	·· ·	·· ··
• · · ··· · - 3

Kino häufig geübte Praxis ist es, größere Lose durch mehrmaliges Übor-Krouz-Mischen homogener kleinerer Einzellose zu erstellen. Diese Methode ist sehr aufwendig, jedoch in Ermangelung verfahrenstechnisch besserer Lösungen vertrotbar.

Es wurde nun gefunden, daß die geschilderten Schwierigkeiten bei der Erstellung großer horcogener Mengen von Kernbrennstoffen auch in Mischbehältern ungewöhnlicher Geometrie vermieden werden, wenn diese nach der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Anwendung der geometrisch sicheren Schichtdicke gefertigt werden. Dadurch ist es erstmals möglich, .in einer apparativ vergleichsweise einfachen Einrichtung mit geringem Arbeitsaufwand die Homogenisierung und Mischung großer Produktionseinheiten durchzuführen. Die gefundene apparative Konzeption bringt darüber hinaus weitere Vorteile > insofern, als der Mischer wegen seines apparativ einfachen Baus auch als billiger Lagerbehälter genutzt werden und weiter in sehr einfacher Weise schnell gereinigt werden kann, was besonders bei den in der Kernbrennstoff-Hersteilung üblichen häufigen Produktwechsel von wesentlicher Bedeutung ist.

Die Anwendung des Prinzips der sicheren Schichtdicke führt zu zwei verschiedenartigen, jedoch gleichermaßen gut geeigneten, apparativ einfachen Mischern, einem sog. Freifallmischer und einem sog. Zwangsmischer.

Der Freifallmischer ist im wesentlichen ein senkrechter, um seine horizontale Mittelachse langsam rotierender Mischbehälter sicherer Schichtdicke, wie er in Abb. 1 dargestellt ist. Der außen kräftig versteifte Behälter wird mit den zu vermischenden und zu homogenisierenden Produktmengen, vorzugsweise pulverförmigen Substanzen bis zu max. 2/3 seines Fassungsvermögens gefüllt. Gefüllt wird der arretierte Behälter durch Einsaugen der Pulvermengen über einen einfachen

009887/0711

BAD ORIGINAL

Umlenkabscheider mit mehr als 99 % Abscheideleistung, wobei , die über eingebaute rückblasbare Filterkerzen aus Sinter- ; , metall einwandfrei gereinigte Förderluft abgesaugt wird. Der gefüllte Mischbehälter wird vom Fördersystem dicht abgeklemmt und der Behälterinhalt dann mehrere Minuten lang, max. 15 min, bei variabler Behälterdrehzahl durchmischt.

Will man aufwendige feste Einbauten, -z. B. Mitnchmerschaufeln, die auch die Behälterreinigung erschweren, vermeiden, hat sich die im Querschnitt rechteckige, besonders jedoch die quadratische Bauform des Mischers bewährt. Der stufenlos regelbare Antrieb des Mischers erfolgt durch einen Preßluftoder Hydraulikmotor; der Behälterinhalt wird mit Druckmeß- ' dosen gewogen. Die Umfanggeschwindigkeit des Mischbehälters wird so bemessen, daß der Pulverinhalt teilweise bis kurz vor den Kulminationspunkt mitgenommen wird, um dann in lawinenartig verlaufenden, schiebenden, sich überschlagenden Bewegungen nach unten zu stürzen, wobei er tief in die im unteren Teil des Mischers befindliche Pulvermasse eindringt und so eine rasche und gute Durchmischung bewirkt.

Der durchmischte bzw. homogenisierte Inhalt wird aus dem Behälter über eine mit einem kugelförmig ausgebildeten Stopfen verschließbare Ablassöffnung abgesaugt, wobei die Förderluft durch Filterplatten rings um die Ausstrittsöffnung eingeblasen wird.

Der Zwangsmischer, jedoch ohne eingebaute mechanisch bewegte Teile, ist im wesentlichen ein senkrecht stehender rechteckiger Mischbehälter sicherer Schichtdicke mit horizontaler oder leicht geneigter, in Kammern unterteilter Bodenplatte aus porösem Sintermetall und im Behälterdeckel befindliche rückblasbaren Sintermetall-Filterkerzen sowie 'dem Umlenkabscheider zum Beschicken und einem Tauchrohr 'zum Entleereh

009887/0711

BAD OBSGSNAL

des Behälters. Eine schematisierte Darstellung des Zwangsmischers wird in Abb. 2 gegeben. ,

Das Einfüllen der vorzugsweise pulverförmigen Substanz geschieht ähnlich wie bei dem beschriebenen Freifallmischer. Das Durchmischen der Pulverschüttung erfolgt durch Aufwirbeln mit Luft, die durch die poröse Bodenplatte so eingeblasen wird, daß der vertikal nach oben gerichteten Gas- und Pulvertransportrichtung eine horizontale und sogar eine nach unten gerichtete Transportkomponente überlagert wird. Dies wird in sehr einfacher V/eise durch unterschiedlichen, automatisch in vorgewählter Weise veränderlichen Luftdurchsatz der einzelnen Anströmkammern erreicht. Die notwendigen Mischzeiten sind kürzer als 1 Stunde.

Das Ausfördern des gemischten bzw. homogenisierten Pulvers wird durch die senkrecht von oben eingetauchte Tauchlanze mit zentraler Zuführung der Förderluft oder in der beim Freifallmischer beschriebenen Weise durchgeführt. '

Beispiel 1:

200 kg U0₂-Pulver wurden einer homogenen Pulvermenge entnommen und wie beschrieben in einen Zwangsmischer mit den Abmessungen (Höhe: 1300 mm, Breite: 1000 mm, Dicke: 120 mm)
eingefördert. Dieser Pulvermenge wurden weitere 6 kg mit
Fuchsin angefärbtes U0₂-Pulver derselben Herkunft beigegeben.

Die Pulver wurden nun 40 min lang mit einer spezifischen

3 ■ 2

Luftmenge von 95 Nm /m · h aufgewirbelt und durchmischt, wobei in Abständen von 2 min am zentralen Bodenablaß Pulverproben entnommen wurden. Aus diesen Proben wurde der Farbstoff extrahiert und die Extinktion der entstehenden Farblösung gemessen. Diese Methode eignet sich erfahrungsgemäß gut zur Bestimmung der Mischgüte. In diesem Versuch wurde eine ausreichende Homogenität der Mischung nach 30 min er·»· reicht. .

009887/0711

In dom Zwangsmischer sicherer Schichtdicke entsprechend Bei-. spiel 1 wurden 135 kg UO₂-Pulver normaler Qualität eingefordert und fluidisiert. In die Wirbelschicht wurden weiterhin 7,5 leg UgOg-Pulver aus Sinterkörpern durch Oxidation erzeugt und 7,5 kg U0₂-Pulver durch Trocknen und Passierrieben aus Schleifschlamm hergestellt, eingefördert und 30 min lang

3 2

mit einer spezifischen Luftmenge von 100 Nm /m · h gewirbelt und durchmischt.

Die Homogenität der Pulvercharge wurde durch mehrfache Be-Stimmung der spezifischen Pulvereingenschaften und in einem nachfolgenden betrieblichen Sintertest einwandfrei bestätigt. Die erzielten Sinterergebnisse lagen innerhalb der üblichen Schwankungsbreite eng beisammen.

Beispiel_3£

135 kg UOg-Pulver normaler Qualität und je 7,5 kg UgOg-Pulver und UO₂-Pulver aus Pelletschrott bzw. Schleifschlamm wurden in einem Freifallmischer sicherer Schichtdicke eingefördert. Der Freifallmischer hatte folgende Abmessungen:

Höhe	1000	mm
Breite	1000	mm
Dicke	120	mm

Die Pulver wurden 30 min lang mit 7 U/min (0,5 m/sec max. Umfangsgeschwindigkeit) gemischt.

Die Homogenität konnte anhand der übereinstimmenden Pulver, der eng beieinanderliegenden Sinterdichten und der guten Übereinstimmung der Pelletausbeuten beim Sintern des Pulvers nachgewiesen werden.

009887/0711

BAD ORIGINAL

In einem Freifallmischer folgender Abmessungen;

Höhe 3500 mm Dreite 3500 mm

Dicke 150 mm (sichere Schichtdicke ■

bis 4 % U-235}

wurden 13 Produktionschargen an U0„-Pulver unterschiedlicher Pulverqualität, insgesamt 2 t UO₂ mit einem U-235-Gehalt von 4 % über einen Umlenkabscheider eingefördert·

Die 2 t-Pulvcrfüllung wurde durch Drehen des geometrisch' sicheren Mischbehälters mit 2 U/min ( 0,5 m/sec max. Umfangsgeschwindigkeit) im Verlauf von 30 min homogenisiert.

Nach beendetem Mischen wurde das U0„-Pulver aus dem arretierten Mischbehälter über eine Ablaßvorrichtung pneumatisch entleert. Aus dem abfließenden Pulverstrom wurden in gleichmäßigem mengenmäßigem Abstand Pulverproben entnommen, und auf ihre Eigenschaften untersucht. Die gefundenen Werte für die einzelnen Pulvereigenschaften lagen allesamt innerhalb der Bestimmungsgenauigkeit.

009887/0711

BAD ORIGINAL

Claims

1918^75 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Mischen und Homogenisieren von U-235 oder Plutonium enthaltenden Kernbrennstoffen in flüssiger oder fester Phase, dadurch gekennzeichnet, dass ein senkrechter, um seine horizontale Mittelachse drehbarer, rechteckiger Flachbehälter mit integriertem Filtersystem und entsprechenden Füll- und Entleorungsöffnungen als Mischraum dient.

2. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter quadratischen Querschnitt aufweist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2., dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersystem aus porösem Sintermetall ist,

k. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch /rekennzeichnet, dass die Drehachse des Behälters gegen die horizontale Schwerpunktachse leicht geneigt ist, .

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Behalters so gewählt wird, dass eine ausreichende, für die Durchmischung notwendige Umfangsgeschwindigkeit erreicht wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch j, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein senkrechter, feststehender, rechteckiger Mischbehälter mit in Kammern unterteiltem Anström— · boden aus porösem Sintermetall und integriertem Filtersystera sowie den notwendigen Einfüll- und Entleerungsöffnungen ist.

- 9 009887/0711

BAD ORIGINAL

1918

Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass die einzelnen Anströmkammern mit unterschiedlichen, vorwählbaren, variablen Gasmengen angeströmt werden.

Frankfurt/Main, 11.4.1969
Schn/Bi

009887/0711

BAD ORIGINAL