DE1918675B2 - Vorrichtung zum homogenisieren und mischen von kernbrennstoffen - Google Patents

Description

Die Verfahren zur Produktion von Kernbrennstoffen enthalten zumeist als letzten, gegebenenfalls jedoch auch als zwischengeschalteten Verfahrensschritt die Herstellung von homogenen, spezifikationsgerechten größeren Produktionsmengen, sogenannten 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 wertvollen 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 UO₂-PuO₂-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 sogenannten sicheren Mengen spaltbaren Materials in beliebiger geometrischer Anordnung oder die Handhabung beliebiger Mengen in physikalisch bestimmter geometrischer Anordnung, der sogenannten sicheren Geometrie. Für UO₂-Pulver mit einer U-235-Konzentration von 4% beträgt z. B. die sichere Menge nur etwa 26 kg UO₂. Diese Menge kann unter bestimmten Voraussetzungen noch überschritten werden, wobei dann die Gewährleistung der nuklearen Sicherheit auf der Befolgung administrativer Vorschriften beruht.

Bei der Anwendung der sogenannten geometrischen Sicherheit können als Sicherheitsparameter das sichere Volumen, der sichere Durchmesser oder die sichere Schichtdicke gewählt werden. Bei 4% angereichertem UO₂-Pulver 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 Mischgutes 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 zwar erweitert oder gar vernachlässigt werden, wenn der Multiplikationsfaktor der zu behandelnden Kernbrennstoffmenge durch homogene oder heterogene Vergiftung mit Neutronenabsorbern unter deu Wert 1 gehalten wird. Die homogene Vergiftung ist jedoch für den vorstehenden Fall praktisch nicht anwendbar, da eine spätere Trennung der Neutronengüie vom Kernbrennstoff nur durch pine aufwendige chemische Trennung möglich ist, und die heterogene Vergiftung des spaltbaren Materials 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 Mischapperaten führen würden.

Eine häufig geübte Praxis ist es, größere Lose durch mehrmaliges Über-Kreuz-Mischen homogener kleinerer Einzellose zu erstellen. Diese Methode ist sehr aufwendig, jedoch in Ermangelung verfahrenstechnisch besserer Lösungen vertretbar.

In der USA.-Patentschrift 3 352 648 sind die allgemeinen Bedingungen für die nukleare Sicherheit erwähnt, wobei als Mischraum ein flacher Tank angewendet wird, der feststehend ist. Hierbei wird eine einwandfreie Durchmischung nicht erreicht.

Aus der USA.-Patentschrift 2 79? 404 ist ein Mischer bekanntgeworden, bei dem der Mischraum die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds besitzt und um eine horizontale Achse gedreht wird, die durch diagonal gegenüberliegende Ecken geführt wird. Hierbei ist ein Filtersystem außerhalb des Mischraums angeordnet, wobei dieser lediglich eine Entleerungsöffnung besitzt, die durch eine Platte abgeschlossen ist. Aus der französischen Patentschrift 453 198 ist ein Mischer mit einem Mischbehälter in der Form einer schiefen Parallelepipeds bekannt, bei dem zwei gegenüberliegende Seitenflächen gegen die durch zwei andere Seitenflächen verlaufende Drehachse geneigt sind.

Es wurde nun gefunden, daß die geschilderten Schwierigkeiten bei der Erstellung großer homogener Mengen von U-235 oder Plutonium enthaltenden Kernbrennstoffen in flüssiger oder fester Phase auch in Mischbehältern ungewöhnlicher Geometrie dadurch vermieden werden, daß als Mischraum ein rechteckiger Flachbehälter dient, der hochkant stehend um die durch die Seitenflächen größter Ausdehnung gehende horizontale Mittelachse drehbar angeordnet ist und in seinem Inneren ein Filtersystem für die Förderluft enthält.

Der besondere Vorteil des in dem Mischraum an-

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geordneten Filtersystems besteht darin, daß die z. B. eindringt und so eine rasche und gute Durchmischuug

pneumatisch eingeförderten, exakt abgewogenen bewirkt

Mischungskomponenten vollständig in den Misch- Der durchmischte bzw. homogenisierte Inhalt wird

raum und in die Mischung gelangen, da die Filter aus dem Behälter über die mit einem kugelförmig

während des Mischvorganges durch die Mischung 5 ausgebildeten Stopfen verschließbare Ablaßöffnung 2

selbst vollständig abgereinigt werden. Dies ist eine abgesaugt, wobei die Förderluft durch Füterplatten

wesentliche Voraussetzung für die exakte Jiinstellung rings um die Austrittsöffnung eingeblasen wird,
von Isotopenmischungen.

Dadurch ist es erstmals möglich, in einer apparativ Beispiel 1
vergleichsweise einfachen Einrichtung mit geringem io

Arbeitsaufwand die Homogenisierung und Mischung 135 kg UO,-Pulver normaler Qualität und je 7,5 kg

großer ProGuktionseinheiten durchzuführen. Die ge- UsO₈-Pulver und UO₂-Pulyer aus Pelletschrott bzw.

fundene apparative Konzeption bringt darüber hinaus Schlcifschlamm wurden in einen Freifallmischer

weitere Vorteile insofern, als der Mischer wegen sei- sicherer Schichtdicke eingefördert. Der Freifall-

nes apparativ einfachen Baus auch als billiger Lager- 15 mischer hatte folgende Abmessungen:
behälter genutzt werden und weiter in sehr einfacher

Weise schnell gereinigt werden karm, was besonders Hohe 1000 mm,

bei dem in der Kernbrennstoff-Herstellung üblichen Breite 1000 mm,

häufigen Produktwechsel von wesentlicher Bedeu- Dicke 120 mm.

tung ist. 20

Der in der Abbildung dargestellte Freifallmischer Die Pulver wurden 30 Minuten lang mit 7 U/min ist ein hochkant stehender rechteckiger Rachbehälter (0,5 m/sec max. Umfangsgeschwindigkeit) gemischt, mit einer sicheren Schichtdicke δ, der um seine durch Die Homogenität konnte an Hand der übereindie Seitenflächen größter Ausdehnung gehende hori- stimmenden Pulver, der eng beieinanderliegenden zontale Mittelachse langsam rotieren kann. Die Ein- 25 Sinterdichten und der guten Übereinstimmung der führung der Pulvermischung erfolgt am Punkt 1, die Pelletausbeuten beim Sintern des Pulvers nachgewie-Entleerung am Punkt 2. In dem Behälter sind rück- sen werden,
blasbare Filterkerzen 3 vorgesehen, aus denen das gereinigte Abgas in der Pfeilrichtung 4 abgeführt wird. Beispiel 2
Der Behälterinhalt wird durch Druckmeßdosen 5 ge- 30

messen, der Antrieb um die Achse erfolgt durch In einem Freifallmischer folgender Abmessungen: einen Antriebsmotor 6. Der Behälter wird mit den zu

vermischenden und zu homogenisierenden Produkt- Höhe 3500 mm

mengen bis zu maximal ²/a seines Fassungsvermögens Breite 3500 mm

gefüllt. Die Förderluft wird über die eingebauten 35 Dicke 150 mm (sichere

rückblasbaren Filterkerzen aus Sintermetall abge- Schichtdicke

saugt. Der gefüllte Mischbehälter wird vom Förder- bis 4% U-235)
system dicht abgeklemmt und der Behälterinhalt dann

mehrere Minuten lang, maximal 15 Minuten, bei wurden 13 Produktionschargen an UO₂-Pulver untervariabler Behälterdrehzahl durchmischt. 40 schicdlicher Pulverqualität, insgesamt 2 t UO₂ mit

Zur Vermeidung aufwendiger fester Einbauten, einem U-235-Gehalt von 4% über einen Umlenk-

z. B. Mitnehmerschaufeln, die auch die Behälterreini- abscheider eingefördert.

gung erschweren, hat sich die im Querschnitt recht- Die 2-t-Pulverfüllung wurde durch Drehen des eckige, besonders jedoch die qudratische Bauform des geometrisch sicheren Mischbehälters mit 2 U/min Mischers bewährt. Der stufenlos regelbare Antrieb 45 (0,5 m/sec max. Umfangsgeschwindigkeit) im Verlauf des Mischers erfolgt durch einen Preßluft- oder Hy- von 30 Minuten homogenisiert,
draulikmotor 6, der Behälterinhalt wird mit Druck- Nach beendetem Mischen wurde das UO₂-Pulver meßdosen 5 gewogen. Die Umfanggeschwindigkeit aus dem arretierten Mischbehälter über eine Ablaßdes Mischbehälters wird so bemessen, daß der Pulver- vorrichtung pneumatisch entleert. Aus dem abfließeninhalt teilweise bis kurz vor den Kulimmationspunkt 50 den Pulverstrom wurden in gleichmäßigem mengenmitgenommen wird, um dann in lawinenartig verlau- mäßigem Abstand Pulverproben entnommen und auf fenden, schiebenden, sich überschlagenden Bewegun- ihre Eigenschaften untersucht. Die gefundenen Werte gen nach unten zu stürzen, wcbei er tief in die im für die einzelnen Pulvereigenschaften lagen allesamt unteren Teil des Mischers befindliche Pulvermasse innerhalb der Bestimmungsgenauigkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Mischen und Homogenisieren von U-235 oder Plutonium enthaltenden Kernbrennstoffen in flüssiger oder fester Phase, dadurch gekennzeichnet, daß als Mischraum ein rechteckiger Flachbehälter dient, der hochkant stehend um die durch die Seitenflächen größter Ausdehnung gehende horizontale Mittelachse diehbar angeordnet ist und in seinem Inneren ein Filtersystem für die Förderluft enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter senkrecht zur Drehachse einen quadratischen Querschnitt aufweist.

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

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Behälters gegen die horizontale Schwerpunktachse leicht geneigt ist.