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Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoff-Tabletten.
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Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktorenbrennstoffe und besonders
auf die Herstellung verdicX-teter (gepreßter) Brennstoffe, besser bekannt unter
der Bezeichnung von Kernbrennstoff-Tabletten.
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Die Brennstoff-Tabletten werden im allgemeinen in der Weise fabriziert,
daß man von keramischen Pulvern ausgeht, wie beispielsweise von Oxyden oder Karbiden
von Uran, Thorium, Plutonium oder anderen- transuranischen Elementen.
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Eine der Schwierigkeiten bei der Herstellung solcher Tabletten besteht
darin, diese in möglichst gleichmäßiger und wiederholbarer Weise in einer bestimmten
Dichte herzustellen,
die zwischen 70 % und 98 %0 der theoretischen
Dichte von keramischen Pulvern, mit identischen Charakteristicken, betragen kann.
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Nach den bekannten Fabrikationsverfahren für solche Tabletten wird
das Pulver nach eventuellem Zusetzen von Bindemittel granuliert, in Tablettenform
gebracht und gesintert.
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Mit Hilfe dieses bekannten Verfahrens können Tabletten init Dichten
in den oben erwMInten roiiaen erllaltel wurden, ausgehend von derselben Pulverqualität,
sei es durch Zusetzen von wachsenden Anteilen von Bindemittel vor dem Granulieren,
sei es durch thermisches Behandeln des Pulvers in solcher Weise, daß man unter den
vorerwähnten Bedingungen die Sinterfähigkeit reduziert.
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Das Zufügen beträchtlicher Bindemittel-Mengen bringt jedoch gewisse
Nachteile mit sich, besonders den Mangel an Reproduzierbarkeit der Dichte infolge
der Schwierigkeit bzw. Unmöglichkeit, eine homogene Dispersion (innige und homogene
Verteilung) des Bindemittels in der Pulvermasse zu erzielen, ferner wegen der Notwendigkeit,
Wasser verwenden zu müssen, welches wegen seines Moderatoreffekts sehr stark die
Menge (bzw. Anzahl) der Spaltmaterialien limitiert oder beschränkt, welche in einem
bestimmten Volumen behandelt werden kann, ferner wegen der Verschmutzung der Ofen
usw. Auf der anderen Seite erfordert die vorherige thermische Behandlung des Pulvers
hohe (bzw.
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erhöhte) Temperaturen, was nun wiederum das Pulver Aggressiver ("abrasiver",
mehr Abnutzung verursachend) macht und die Kosten des Fabrikationszyklus erhöht.
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Die vorliegende Erfindung hat ein Herstollungaverfahren von Kernbrennstoff-Tabletten
für Kernreaktoren
zum Gegenstand, welches es erlaubt, die Nachteile
der bekannten Verfahren zu vermeiden, dabei aber auf eine reproduzierbare Weise
Tabletten von gewünschter Dichte zu erzeugen.
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Die Erfindung besteht aus einem Verfahren zum Herstellen von Kernbrennstoff-Tabletten,
wobei dieses Verfahren das Tablettieren und Sintern von keramischem Pulver umfaßt,
dadurch gekennzeichnet, daß man den den Brennstoff bildenden Bestandteilen eine
geringe (schwache) Menge eines Sinter-Inhibitors einfügt, welche aus Strontium und/oder
Barium besteht. Dieser Sinterhemmer oder -inhibitor ist nach einem besonderen Vorschlag
der Erfindung eine chemische Verbindung von Strontium oder von Barium, ggfs. eine
Mischung solcher Verbindungen.
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Die Strontium- oder Barium-Verbindung kann in irgendeiner Phase der
Herstellung zugefügt oder eingegeben werden; dies kann sein: während des Fabrikationszyklus
des Grund- oder Vormaterials oder auch während der Phasen des Behandelns (Konditionierens)
dieses Materials, soweit sich dieses Behandeln vor dem Tablettieren abspielt.
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Geringe Mengen von Strontium oder Barium bzw.
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chemischen Verbindungen dieser Elemente genügen dazu, die Dichte des
gesinterten Produkts auf dem gewünschten Wert (konstant) zu halten, ohne daß man
die Bedingungen des Sinterns ändern müßte. Die beigefügte Menge wird im allgemeinen
in Abhängigkeit von der gewünschten Enddichte und in Abhängigkeit von der Form (z.B.
von der korperlichen - morphologischen - Gestaltung), unter welcher das Strontium
oder das Barium zugefügt wird, gewählt werden.
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Einige Zehner (also rein beispielsweise etwa 40 oder 60) ppm ("parts
per million", mg/liter) könnten bereits ausreichen, um eine leichte Verringerung
der
Sinterfähigkeit des Uranoxyds herbeizuführen, und im allgemeinen
genügen Mengen in der Größenordnung von 0,1 , Strontium oder Barium für die gewünschten
Zwecke.
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Es ist ersichtlich, daß auch größere Mengen zugefügt werden können.
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Die Erfindung wird im folgenden im einzelnen anhand einiger den Umfang
der Erfindung nicht beschränkender Ausführungsbeispiele beschrieben: 1. Beispiel:
Keramisches U02-Pulver wird mit 0,1 , Strontiumstearat (talgsaurem Strontium) -
als Inhibitor - und mit 0,3 % Zinkstearat (talgsaurem Zink) - als Schmiermittel
- vermischt, alsdann während 30 Minuten mit Hilfe einer Kugelmühle fein gemahlen.
Das so erhaltene Pulver wird isostatisch bei 2000 kg/cm² vorverdichtet. Die komprimierten
(verdichteten) Formstücke werden alsdann gemahlen und granuliert. Die Granulate,
welche dann Abmessungen haben, die zwischen 30 und 140 Mesh liegen, werden in den
Speiseschuh (also in den -irgendwie gearteten Einspeisungsteil) einer Tablettiermaschine
geschüttet und komprimiert in Tabletten von 5 mm Durchmesser mit einer Dichte von
5,4 g/cm?. Nach einem Sintervorgang von 60 Minuten bei 1650 0c unter (d.h. in einer
Atmosphäre von) technischem Wasserstoff haben die Tabletten eine Dichte von 9,5
g/cm3, d.h. also 86,5 % der theoretischen Dichte erreicht.
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Tabletten, die in gleicher Weise, jedoch ohne Zufügen von Strontiumstearat
hergestellt sind, erreichen 93 % der theoretischen Dichte.
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2. Beispiel: Ein wenig Bariumnitrat wird an Uranylnitrat zugefügt.
Die Lösung wird dann unter den üblichen Bedingungen
der Herstellung
von keramischem U02 -behandelt. Das Verfahren enthält die Phasen (Arbeitsgänge)
der Präzipitation durch Ammoniak, des Trocknens, des Kalzinierens bei 550 0C und
des Reduzierens bei 450 0C unter Wasserstoff (in Wasserstoff-Atmosphäre). Das erhaltene
Produkt ist ein keramisches Urandioxyd, welches die mitausgefällte (kopräzipitierte)
Barium-Verunreinigung enthält. Vergleicht man ein UO2-Pulver, welches 370 ppm Barium
enthält, mit einem unter denselben Bedingungen hergestellten reinen U02-Pulver,
so ergibt sich: Die beiden Pulver-Qualitäten werden ohne organischen oder anderen
Zusatz bis zu einer Dichte vor dem Sintern von 5,5 g/cm3 tablettiert und dann während
3 Stunden bei 1600 °C unter einer Atmosphäre gesintert, welche aus einer Mischung
von 95 , Argon und-5 % Wasserstoff besteht, Unter diesen Bedingungen -ergIbt reines
UO2-Pulver Tabletten von einer Dichte von 10,35 (das entspricht ungefähr 94,4 °h
der thoreti~schen Dichte-),-während dasjenige Pulver, walches 370 ppm Barium enthält,
nur eine Dichte von 10,07 g/cm³ erreicht (dies entspricht 91,9 % der theoratischen
Dichte).
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3. Beispiel: Verarmtes keramisches UO2 wurde mit 0,06 % Bariumkarbonat
(als Inhibitor) und 0,3 % Zinkstearat (als Schmiermittel) gemischt, alsdann während
30 Minuten in einer Kugelmühle fein gemahlen. Das so erhaltene Pulver wird bei 2000
kg/cm² vorverdichtet, dann granuliert, dann tablettiert auf 5,6 g/cm³ Dichte vor
dem Sintern, alsdann eine Stunde lang bei 1600 °C unter Wasserstoff-Atmosphäre gesintert.
Nach dem Sintern beträgt die Tablettendichte 9,15 g/cm³, das ist 83,5 % der theoretischen
Dichts.
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Es ist zu verstehen, daß die beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung nur Beispiele sind; welche den Umfang der Erfindung nicht beschränken
; man kann verschiedene Modifikationen wählen bzw. zufügen.