DE1918675C - Vorrichtung zum Homogenisieren und Mischen von Kernbrennstoffen - Google Patents

Description

Die Verfahren zur Produktion von Kernbrennstoffen enthalten zumeist als "etzten, gegebenenfalls jedoch auch als zwischengeschalte! η 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 ζ B. für UGyPulver mit einem U-235-Gehalt von 4°/o etwa 2 t, für eine UO.,-PuO.₍-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 UGyPulver mit Ho einer U-235-Konzentration von 4 ⁰Zo beträgt z. B. die sichere Menge nur etwa 26 kg UGy Diese Menge kann unter bestimmten Voraussetzungen noch überschritten werden, wobei dann die Gewährleistung der nuklearen Sicherheit auf der Befolgung administrativer Vorschriften beruht.

Β,Λ der Anwendung der sogenannten geometrischen Sicherheit können als Sicherheitsparameter das sichere Volumen, der sichere Durchmesser oder die sichere Schichtdicke gewählt werden. Bei 4°/o angereichertem UOvPulver 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 Homogenisierungsappame 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 KernbrennstofTmenge durch homogene oder heterogene Vergiftung mit Neutronenabsorbern unter den Wert I gehalten wird. Die homogene Vergiftung ist jedoch für den vorstehenden Fall praktisch nicht anwendbar, da eine spätere Trennung der Neutronengifte vom Kernbrennstoff nur durch eine 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 Mischapparaten führen würden.

Eine häufig geübte Praxis ist es, größere Lose durch mehrmaliges Über-Kreuz-Mischen homogener kleinerer Einzellose zu erstellen. D'.ese 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 2 795 404 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 gefi'hrt wird. Hierbei ist ein Filtersyste.n außerhalb des Mischraums angeordnet, wobei dieser lediglich eine EntleerungsöfFnung besitzt, die durch eine Platte abgeschlossen ist. Aus der französischen Patentschrift 453 198 Ut 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 Misch raum an-

geordneten Filtersystems besteht darin, daß die z. B. pneumatisch eingeförderten, exakt abgewogenen Mischungskomponenten vollständig in den Mischraum und in die Mischung gelangen, da die Filter während des Mischvorganges durch die Mischung selbst vollständig abgereinigt werden, Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die exakte Einstellung von Isotopenmischungen.

Dadurch isl 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 appurativ einfachen Baus auch als billiger Lagerbehälter genutzt werden und weiter in sehr einfacher Weise schnell gereinigt werden kann, was besonders bei dem in der Kernbrennstoff-Herstellung üblichen häufigen Froduktwechsel von wesentlicher Bedeutung ist.

Der in der Abbildung dargestellte Freifallmischer ist ein hochkant stehender rechteckiger Flachbehälter mit einer sicheren Schichtdicke <), der um seine durch die Seitenflächen größter Ausdehnung gehende horizontale Mittelachse langsam rotieren kann. Die Einführung der Pulvennischung erfolgt am Funkt 1, die Entleerung am Punkt 2. In dem Behälter sind rückblasbare Filterkerzen 3 vorgesehen, aus denen das gereinigte Abgas in der Pfeilrichtung 4 abgeführt wird. Der Behälterinhalt wird durch Druckmeßdosen 5 gemessen, der Antrieb um die Achse erfolgt durch einen Antriebsmotor 6. Der Behälter wird mit den zu vermischenden und zu homogenisierenden Produktmer.^en bis zu maximal -U seines Fassungsvermögens gefüllt. Die Förderluft wird über die eingebauten rückblasbaren Filterkerzen aus Sintermetall abgesaugt. Der gefüllte Mischbehälter wird vom Fördersystem dicht abgeklemmt und der Behäiicrinhalt dann mehrere Minuten lang, maximal 15 Minuten, bei variabler Behälterdrehzahl durchmischt.

Zur Vermeidung aufwendiger tester Einbauten, z. B. Miinehmersehaufeln, die auch die Behälterreinigung erschweren, hat sich die im Querschnitt rechteckige, besonders jedoch die quadratische Bauform des Mischers bewährt. Der stufenlos regelbare Aptriel des Mischers erfolgt durch einen Preßluft- oder Hydraulikmotor 6, der Behälterinhalt wird mit Druckmeßdosen 5 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 die mit einem kugelförmig ausgebildeten Stopfen verschließbare Ablaßöffnung 2

abgesaugt, wobei die Förderluft durch Filterplatien

rings um die Austrittsöffnung eingeblasen wird.

Beispiel 1

IO 135 kg UO.,-Pulver normaler Qualität und je 7,5 kg

UaO₈-Pulver und UO,-Pulver aus Pelletschrott bzw.

Schleifschlamm wurden in einen Freifallmischer sicherer Schichtdicke eingefördert. Der Freifallmischer hatte folgende Abmessungen:

Höhe 1000 mm,

Breite 1000 mm,

Dicke HO mm.

Die Pulver wurden 30 Minuten lang mit 7 U/min (0,5 m/sec max. Umfangsgeschwindigkeit) gemischt. Die Homogenität konnte an Hand der übereinstimmenden Pulver, der eng beieinanderliegenden »5 Sinterdichten und der guten Übereinstimmung der Pelletausbeuten beim Sintern drs Pulvers nachgewiesen werden.

Beispiel 2
30

In einem Freifallmischer folgender Abmessungen:

Höhe 3500 mm

Breite 3500 mm

Dicke 150 mm (sichere

Schichtdicke
bis4°/oU-235)

wurden 13 Produktionschargen an UO₂-Pulver unterschiedlicher Pulverqualität, insgesamt 2 t UO₂ mit einem U-235-Gehalt von 4 ⁰Zo über einen Umlenkabscheider eingefördert.

Die 2-t-Pulverfüllung wurde durch Drehen des geometrisch sicheren Mischbehälters mi». 2 U/min (0,5 m/sec max. Umfangsgeschwindigkeit) im Verlauf von 30 Minuten homogenisiert.

Nach beendetem Mischen wurde das UO.,-Pulver aus dem arretierten Mischbehälter über eine Ablaßvorrichtung pneumatisch entleert. Aus dem abfließenden Pulverst^om wurden in gleichmäßigem mengenmäßigem Abstand Pulverproben entnommen und auf ihre Eigenschaften untersucht. Die gefundenen Werte für die einzelnen Pulvereigenschaften lagen allesamt 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 drehbar angeordnet ist und in seinem Inneren ein Filtersystern für die Förderluft enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d:·'} 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 horizc vitale Schwerpunktachse leicht geneigt ist.