DE2150474A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von kugelfoermigen Teilchen,insbesondere aus Kernbrennstoff - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtun zum Herstellen von kugelförmigen Teilchen insb esondere aus Kernbrennstoff Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Kernbrennstoff und im besonderen von ernbrennstoff in der Form von kugelförmigen Teilchen auf der Basis von Uran, Plutonium, Thorium oder anderen transuranischen Elementen.
• Es ist bekannt, kugelförmige Teilchen herzustellen, indem man von einer Lösung oder von einer Dispersion ausgewählter Metallsalze ausgeht, welche in der Form von Tropfen in ein Medium eingeführt wird, welches ein Reagens umfaßt, das mit den Metallionen dieser Salze eine feste Ausfällung bzw.
• einen festen Niederschlag bildet.
• So werden beispielsweise in Wasser dispergierte Urannitrat- bzw. Uranylnitrat-Tropfen in eins organische Lösung eingeführt, welche Ammoniak enthält, welches mit dem Uran eine Ausfällung oder einen Niederschlag von Ammonium-Diuranat bildet; diese Ausfällung wird alsdann getrocknet und einer späteren Wärmebehandlung unterworfen, zwecks Erzeugens von gefritteten bzw, gesinterten oder gebackenen Teilchen aus Uranoxyd.
• Der schwierige Punkt dieses Verb gens bleib jedoch die Berührung der Salztropfen in eine,.; reaktiven Mittel.
• In dem Falle, wo dieses Mittel eine ol-ganisc71e Flüssigkeit ist, die mit der Lösung oder der DisFi simon von Salzen unmischbar ist1 nehmen die Tropfen leicht leicht undgern kugelförmige Form an, nämlich dank den effekten der Oberflächenspannung.
• Jedoch bringt die Anwendung eines organichen reaktiven Mittels gewisse Nachteile mit sich: Das Mittel ist entflammbar oder brennbar, man hat eine reguläre Regeneration, und dergl.
• mehr.
• Versuche haben dann zum Einführen von Salz tropfen in eine wässerige Lösung von reaktive Mittel bzw. von Reagens geführt. Diese Tropfen können in dieser Lösung nur unter der Bedingung aufrechterhalten werden, also bestehen bleiben, daß man den Salzen einen Stoff zufügt, der sie viskos macht (beispielsweise ein Harz auf der Basis von Zellstoff). Diese Methode bringt aber immer noch ein Problem mit sich, nämlich bezüglich der Form der Teilchen, die wesentlich von der Kugelform abweichen kann. Sie (die Teilchen) können eine runzelige Oberfläche haben oder die Form eines Regentropfens annehmen; in allen diesen Fällen verursachen diese Fehler eine verringerte Widerstandsfähigkeit gegen folgende spätere Wärmebehandlung; darüberhinaus erscheint in dem besonderen Falle, dan die Teilchen mit einer Schicht bedeckt sind, eine irreguläre bzw. ungleichmäßige mechanische Belastung der Bedeckungaschicht bei, nach bzw. infolge der Bestrahlung.
• Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, welches die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet; sie schlägt ein neues Verfahren für das Einführen der Salzlösungs-Tropfen in das reaktive Medium vor.
• Gemäß der Erfindung wird eine Lösung oder eine Dispersion von Salzen auf der Basis von Uran, Plutonium, Thorium oder anderen transuranischen Elementen in der Form von Tropfen in ein Bad eingeführt, welches eine Lösung eines reaktiven Agens enthält, welches gestattet bzw. bewirkt, daß die Salztropfen in der Form von Eugel-Teilchen ausfallen oder sich niederschlagen, und wobei das Einführen mit Hilfe eines Injektors geschieht, welcher die Tropfen mit Hilfe eines Gases (Blas-, Treibgases) unter einem Winkel (gebildet von der Achse des Injektors und der Oberfläche des pfads) von weniger als 450 einschleudert oder einbläst.
• Das Treibgas des Injektors (Einblasgas) erzeugt eine Welle oder Woge auf der Badoberfläche, auf deren Höhlung oder Erummung (bzw. in deren Tal) die Tropfen rollen, bevor sie in das reaktive Mittel eindringen. Der Winkel, der zwischen dem Flüssigkeitsspiegel des Reagens einerseits und dem Injektors bzw. dessen Blasachse gebildet ist, wird bevorzugt zwischen 250 und 350 liegen. Wenn dieser Winkel die 450 überschreitet, dann wird im allgemeinen die Rotationsbewegung der Tropfen gebrochen. Andererseits erzeugen Winkel unterhalb von 100 im allgeaeinen keine genügenden Wogen oder Wellen bzw. Wellentäler, die für das Eindringen der Tropfen in das Reagens notwendig sind, und die Tropfen haben dann die Tendenz, sich auf der Oberfläche auszubreiten oder abzuplatten.
• Gemäß der Erfindung werden die Tropfen in das Reagenz bevorzugt nahe und parallel der Peripherie (Umfang, Eingrenzung) des Bades eingeführt, dergestalt, daß sie ihre Rotationsbewegung fortsetzen können und progressiv (nach und nach) in dieses Reagen: einzudringen vermögen. Gemäß der Form des verwendeten Bades (Troga) werden die Tropfen (auf ihrem Wege) einer peripherischen Kurve folgen, welche kreisförmig oder teilkreisförmig oder eiförmig oder ähnlich ist, oder welche sogar, im Falle eines langen rechteckigen Bades, bzw.
• Trogs geradlinig sein kann.
• Was das Blas- oder Treibgas anbetrifft, so kann jedes beliebige Gas verwendet werden, welches mit den Komponenten reagiert oder nicht reagiert, die in dem Herstellungsverfahren der Teilchen auftreten. So kann beispielsweise Luft, Stickstoff, Argon und/oder dergleichen als geeignetes Gas (oder Gasgemisch bezeichnet werden. Vorzugsweise werden die Tropfen quer durch eine inerte und im wesentlichen mit den anderen Komponenten unmischbare Flüssigkeit in das Reagens geschleudert, wobei,diese inerte Flüssigkeit eine Dichte hat, die geringer ist als diejenige der reaktiven Lösung.
• Die im wesentlichen mit den anderen Komponenten unmischbare inerte Flüssigkeit bildet eine oben auf der Reagenslösung schwimmende Schicht.
• Die Dichte der verwendeten inerten Flüssigkeit wird bevorzugt etwas (geringfügig) kleiner sein als diejenige der reaktiven Lösung. Tatsächlich haben, je geringer die Differenz der Dichten des reaktiven Mittels und der inerten Flüsssigkeit ist, die Tropfen umsoweniger die Tendenz, sich bei ihrem Eindringen in die reaktive Phase zu verformen.
• Als inerte Flüssigkeit gemäß der Erfindung kann man organische Alkohole verwenden, also beispielsweise Amyl-Alkohol, Isoamyl-Alkohol, Hexanol, Heptanol, Oktanol oder andere organische Verbindungen wie beispielsweise Benzol, Xylol, Heptan.
• Tatsächlich kann jede inerte Verbindung, also eine solche, die mit den anderen Verbindungen oder Komponenten, die in dem Laufe des Herstellungsverfahrens auftreten, nicht reagiert und gar nicht oder nur wenig mit diesen mischfähig ist, angewandt werden, unter der einzigen Bedingung, daß sie eine Dichte hat, die geringer ist als diejenige des reaktiven Mittels.
• Die Tropfen gehen also zuerst durch die Schicht aus inerter Flüssigkeit, wo sie die Kugelform annehmen, nämlich dank den Oberflächenspannungen, und sie treten alsdann in die reaktive Phase in dieser Form ein, und sie behalten die Form während des Ausfällens bei. Die Dicke der inerten Schicht wird vorzugsweise zwischen Io und 25 mm sein, wobei man natürlich sagen muß, daß auch eine dünnere oder dickere:Schicht verwendbar sein kann.
• Diese Dicke wird im allgemeinen in Abhängigkeit von den Abmessungen der herzustellenden kugelförmigen Teilchen gewählt.
• Für Teilchen von 0,1 mm (Durchmesser) kann eine Schicht von 5 mm genügen, während für Teilchen von 3 mm (Durchmesser) die Schicht mehr als 25 mm Dicke haben kann.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines nicht beschränkenden Beispiels und anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen Figur 1 einen schematischen Längsschnitt der Anlage, Figur 2 eine schematische Ansicht von oben auf die Anlage.
• Die Figur 1 zeigt einen Injektor, der einen Vorratsbehalter 1 besitzt, der die Lösung oder Dispersion von Salzen enthalten kann; der Injektor besitzt ferner eine Kapillarröhre 2, weiterhin einen Verschluß 3. Die Kapillarröhre ist umgeben von einer anderen Röhre 4, die mit Hilfe des Mittels (Leitung) 5 an ein Treibgas-Reservoir angeschlossen ist.
• Die Achse der Kapillarröhre 2 bildet mit der Oberfläche (Flüssigkeitsspiegel) des Bades 7, welches im Beispiel zylindrisch ist, einen Winkel 6 von 300.
• Die Figur 2 zeigt, daß das Aufschleudern bzw. Aufblasen der Tropfen sich in einer Zone vollzieht, die der Peripherie des Bades 7 nahe und parallel ist.
• Eine in der weiter unten beschriebenen Art und Weise erzeugte Lösung von Urannitrat bzw. Uranylnitrat wird in den Vorratsbehälter 1 des Injektors gegossen. Unter Rühren fügt man 12 nil Butyl-Glykol zu 1,4 g Methyl-Zellulose zu (bzw. butylisches Glykol und methylischen Zellstoff). Alsdann gibt man Ioo ml einer wässerigen Lösung von-Urannitrat bzw. Uranylnitrat zu, welche 200 g'U/l hat und 4,8 ml Salpetersäure sowie 1,2 ml destillierten Wassers zu. Das Ganze wird alsdann während 15 Minuten gerührt.
• Diese Lösung wird in der Form von Tropfen von 2 mm (Durchmesser) ausgeschleudert bzw. ausgeblasen, wobei diese Tropfen erzielt werden mit Hilfe der Kapillare 2, die einen Innendurchmesser von o,9 mm hat und sich (mit ihrer Mündung) auf 3 mm an die Oberfläche einer Amylalkohol-Schicht von to bis 25 mm (Stärke) nähert, wobei die Schicht 1o eine Ammoniakmasse 11 ab- und überdeckt. Der Durchsatz des Treibgases ist, im Beispiel der Anwendung von Luft, 400 l/h. Dieser Gasdurchsatz erzeugt auf der Amylalkohol-Fläche (Flüssigkeitsspiegel) eine Woge oder Welle 8, in deren Tal ie Tropfen 9 hineinrollen, bevor sie in kugeliger Form in die Schicht lo eindringen ("eintauchen"). Beim Durchgang in bzw. durch die Schicht lo aus Amylalkohol nehmen die Tropfen eine kugelige Form an und sinken langsam ab um alsdann in die Ammoniak-Phase 11 einzudringen oder einzusinken, in welcher sie reagieren, wobei sie zuerst eine äußere Haut aus festem Ammonium- Diuranat bilden bzw. erhalten, eine Reaktion, welche sich alsdann in der Tiefe fortsetzt. Diese Reaktion (chemischer Ablauf) läßt sich durch die folgende Gleichung ausdrücken: Mit Hilfe dieses Prozesses behalten die Tropfen die Form bei, welche sie im Augenblick des Eindringens in die Ammoniak-Phase und während der angegebenen darauffolgenden Reaktion hatten.
• Nach 4 Stunden, wenn nämlich das Urannitrat bzw. Uranylnitrat völlig in Anunonium-Diuranat übergeführt ist, werden die ausgefällten oder niedergeschlagenen Teilchen filtriert, getrocknet und unter reduzierender Atmosphäre gefrittet bzw. gebacken. Die Teilchen, die so erzeugt werden, haben eine gute Kugelförmigkeit, und sie bestehen aus Uranoxyd, welches eine Dichte von mehr als 96% der theoretischen Dichte hat.
• Unter den hauptsächlichen Vorteilen dieses neuen Verfahrens ist im besonderen die verbesserte Form der erzeugten Teilchen anzuführen. Tatsächlich wird das Abplatten der Tropfen beim Kontakt mit der reaktiven Phase vermieden. Diese Wirkung wird nicht nur durch den Aufblaswinkel, sondern auch noch durch die Drehbewegung, die den Tropfen mitgeteilt wird, erzielt, wobei diese Roationsbewegung von der progressiven Berührung der Tropfen mit dem reaktiven Mittel herrührt.
• bei Verwendung einer inerten Flüssigkeit Andererseits nehmen die TropfenSdank den Oberflächenspannungen die kugelförmige Form beim Durchgang durch bzw. beim Eintritt in die inerte Flüssigkeit an, und diese Form wird beim Eindringen und Absinken im reaktiven Hittel beibehalten, wobei die Tatsache besteht, daß die Tropfen von einem in ein anderes Medium gehen, wobei diese Medien ähnlich große (geringfügig verschiedene) Dichten besitzen.
• Es ist ersichtlich, daß das oben beschriebene Beispiel die Erfindung in keiner Weise einschränkt, und daß verschiedene Modifikationen angebracht werden können, besonders im Hinblick auf die Form des Bades oder Trogs, des angewandten Projektors oder Injektors, des Aufblaswinkels, des Blas- oder Treibgases, der peripherischen Auf- und Einblaskurve sowie Natur oder Art der Lösungen, der Dispersionen, der (miteinander) unmischbaren Flüssigkeiten, der Metallionen, der ausgefällten Ionen1 usw.

Claims (12)

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen von kugelförmigen Teilchen auf der Basis von Uran, Plutonium, Thorium oder anderen transuranischen Elementen, wobei eine Lösung oder eine Dispersion von Salzen der genannten Elemente in der Form von Tropfen in ein Bad eingeführt wird, welches eine Lösung eines reaktiven Agens enthält, das den Salztropfen das Auslällen in Form von kugelförmigen Teilchen gestattet, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Einführen der Tropfen mit Hilfe eines Gases (Blas- oder Treibgases) unter einem Winkel ausschleudert oder aufbläst (wobei dieser Winkel von der Achse dieses Injektors und der Oberfläche bzw. Flüssigkeitsspiegel des Bades gebildet wird), und wobei dieser Winkel kleiner ist als 450,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß man die Tropfen in eine Zone einführt (aufbläst, aufschleudert), welche nahe und parallel zu der Peripherie des Bades ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Injektionswinkel (Aufblaswinkel) einen Wert zwischen 250 und 350 hat.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß das Bad bzw. der Badtrog zylindrisch ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Eindringen der Tropfen in das reaktive Mittel quer durch eine inerte Flüssigkeit erfolgt, welche im wesentlichen mit den anderen Komponenten unmischbar ist und die eine geringere Dichte als die reaktive Lösung aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n ze i c h -n e t, daß die Dichte <ter inerten Flüssigkeit geringfügig kleiner ist als diejenige der reaktiven Lösung.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e,t , daß die inerte Flüssigkeit ein organischer Alkohol ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der organische Alkohol Isoamyl-Alkohol bzw.

isoamylischer Alkohol ist.

9. Einrichtung zum Durwhführen eines oder mehrerer der Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein zur Aufnahme einer reaktiven Flüssigkeit (it) geeigneter, oben offener Trog oder Behälter (7) vorgesehen ist, dem räumlich oberhalb dieses Behälters (7) ein schräg laufender Injektor zugeordnet ist, dessen Blasachse unter einem Winkel von weniger als 450 in die Oberfläche der Flüssig keit (lo) des Behälters einmündet.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge k e n n z e i c h -n e t , daß der Behälter (7) zylindrisch ist.

11. Einrichtung nach Anspruch io, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß, von oben auf den Behälter (7) gesehen, der Injektor mit seiner Achse bzw. mit seiner Kapillare (2) tangential in die Kreisfläche Schicht ( des Behälters (7) weist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -zeichnet, daß die Blasröhre oder Kapillare (2) von dem Vorratsbehälter (1) des Injektors gespeist ist, und daß diese Kapillare (2) von einem Rohr (4) grösseren Durchmessers umgeben ist, das mit Treibgas durch eine Zuleitung (5) gespeist ist, wobei an der Spitze des Injektors, also nahe den Mündungen der Röhren (2) und (4), ein Verschlußorgan (3) sitzt.

Leerseite