DE2217238A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffes - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffes

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Description

W.R. Grace * Co. (USA m ^ _ prio 12#1|>lgn
3, Hanover Square
New York, N.Y./V.St.A. A/l87*}8 - 9156)
Hamburg, den 6. April 1972
Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffes
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Kernbrennstoff mit einem Gehalt an Carbid, Nitrid oder Carbonitrid von ein oder mehreren Actiniden. Aufgrund der hohen Schmelzpunkte, der thermischen Leitfähigkeit und der Dichte der Metallatome in derartigen Carbiden, Nitriden und Carbonitriden sind diese besonders geeignete Kernbrennstoffe in gasgekühlten Reaktoren.
Es ist bekannt, daß Carbide, Nitride und Carbonitride von Actiniden, wie beispielsweise Uranium, durch Erhitzung der Actinidoxyde hergestellt werden können. Das Erhitzen wird
a) unter Stickstoff durchgeführt, wenn man ein Nitrid oder ein Carbonitrid erhalten will, oder
b) unter inerter oder reduzierender Atmosphäre, wie beispielsweise unter Wasserstoff oder in einem Vakuum, wenn man das Carbid erhalten will.
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Es ist oft schwierig, einen derartigen Kernbrennstoff mit genügend kleiner Teilchengröße und demzufolge einer ausreichend großen Oberfläche herzustellen. Darüber hinaus sind einige der Carbide, die als Kernbrennstoff verwendet werden äußerst reaktiv gegenüber Sauerstoff an der Luft und dieses schränkt ihren Einsatz in solchen Fällen ein, in den der Kernbrennstoff mit anderen Bestandteilen gemischt werden soll.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffes vorzuschlagen, bei dem nicht diese Nachteile auftreten.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffes vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man
a) eine Lösung von Salzen von (i) mindestens einem Actinidenmetall und (ii) mindestens einem anderen Metall aus der Gruppe Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram oder Selten Erdmetalle mit ausreichend Kohlenstoff vermischt, der mit Oxyd des Metalls beim Erhitzen beim Verfahrensschritt d reagiert,
b) die Metalloxyde aus den Metallsalzen in der Mischung gemeinsam fällt, um eine Oxydmischung mit Kohlenstoff zu erzeugen,
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c) die beim Verfahrensschritt b) erzeugte Mischung trocknet und
d) das getrocknete Gemisch in einem Vakuum, unter
inerter oder reduzierender Atmosphäre, oder in
einem kohlenstoffhaltigen Gas erhitzt unter Bildung eines Carbides, oder in einer Atmosphäre von Stickstoff oder unter einem Gas erhitzt, das bei Zersetzung Stickstoff liefert zur Erzeugung eines Nitrides oder Carbonitrides.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Kernbrennstoff von spaltbaren Metalloxyden in Kombination mit
Kohlenstoff und anderen Metalloxyden und gegebenenfalls Metallen oder Metallverbindungen in kolloidaler Form
aus einer Salzlösung des spaltbaren Mater: als und anderen Metallen mit dem darin dispergierten Kohlenstoff hergestellt werden, wobei sich das Waschen, Trocknen und Zerkleinern anschließt. Das trockene fein zerteilte Produkt wird in ein feines Pulver umgewandelt, das eine Metallatom-Homogenität im Molekular-bereich durch Erhitzen auf Temperaturen von beispielsweise 85O bis 2.500 C besitzt. Das fein gepulverte Produkt wird als Carbid erhalten,
wenn man unter Wasserstoff oder anderer nicht-oxydierender Atmosphäre erhitzt bzw. als Nitrid oder Carbonitrid erhalten, wenn man unter Stickstoff erhitzt bzw. in Gegenwart einer zersetzbaren Verbindung, die bei Zersetzung molekularen Stickstoff freisetzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat mehrere Vorteile. Es gestattet eine bessere Kontrolle oder Einstellung der Eigenschaften des pulvrigen Materials; die Teilchengröße des Pulvers kann kleiner eingestellt werden, was vermutlich darauf beruht, daß die Reaktion zwischen Kohlenstoff und dem Oxyd kurzer ist, so daß eine geringere Erhitzung erforderlich wird und daß demzufolge das Kornwachstum verringert wird. Ein weiterer Vorteil besteht in der Leichtigkeit der Bildung von festen Lösungen von Carbiden. Zur Herstellung von festen Lösungen von Metallcarbiden aus Carbiden ist gewöhnlich ein Schmelzen unter dem Lichtbogen und anschließendes Zermahlen des zusammengeschmolzenen Produktes erforderlich. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man jedoch feste Lösungen von Metallcarbiden bei sehr viel tieferen Temperaturen herstellen. Es wurde beispielsweise festgestellt, daß man eine feste Lösung von Uran/Zirkoncarbid bei l600°C herstellen kann, was für den vorliegenden
Fall eine verhältnismäßig niedrige Temperatur ist.
Diese verhältnismäßig einfache Bildung von festen Lösungen von Carbiden erweitert den potentiellen Einsatzzweck des Produktes. Die endgültige Verwendung derartiger Carbide hängt oft von den Verarbeitungsstufen ab, bei denen das Carbid mit anderen Komponenten gemischt werden muß. Die Eignung eines Pulvers für diese Vermischung und die
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mechanischen und thermischen Eigenschaften der erhaltenen geformten Produkte steht in einem direkten Zusammenhang zu den physikalischen Eigenschaften des eingesetzten Carbidpulvers. Die Reaktivität einiger Carbide mit Luft und sauerstoffhaltigen Verbindungen schränkt deren Einsatzfähigkeit erheblich ein. Durch Herstellung einer festen Lösung mit einem weniger reaktiven -Carbid kann man mit der vorliegenden Erfindung die Reaktivität dieser Carbide verringern und sie für viele Weiterverarbeitungen geeigneter machen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist gut geeignet, um Carbide aus einem einzigen Metall in Form eines feinen Pulvers herzustellen. Das Ausgangsprodukt, das heißt das Material, aas nach der Verfahiensstufe c) erhalten wird, ist eine Codispersion aus feinen Kohlenstoff- und Oxydteilchen, gewöhnlich mit einer endgültigen Teilchengröße von etwa 30 bis 1.000 A. Die Oxydteilchen selbst sind also recht fein verteilt. Daä Ausmaß dieser Feinheit hängt erheblich von der thermischen Vorbehandlung der Mischung ab, jedoch liegt meist die Größe der Kristalliten zwischen 100 bis 1.000 S. In einigen Fällen ist das ungebrannte Kohlenstoff/Oxyd-Gemisch gegenüber Röntgenstrahlen im wesentlichen amorph. Vermutlich hindert die Anwesenheit von Kohlenstoffteilchen das Kristallitwachstum der Oxydkomponente,indem diese physikalisch die Oxydteilchen durch Einschiebung von Kohlenstoffteilchen in die Zwischenräume zwischen den Oxydteilchen trennen. Das
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Metalloxyd/Kohlenstoff-Gemisch oder der aus diesem Gemisch erzeugte Kernbrennstoff kann so hergestellt werden, daß es Metallteilchen in kolloidaler Größe enthält, wie beispielsweise Titan, Niob, Tantal, Vanadium, Zirkon oder Hafnium.
Es kann jedes übliche lösliche Metallsalz verwendet werden, wie Chloride, Nitrate oder Sulfate, jedoch werden solche Salze bevorzugt, die sich leicht durch Fällung, vorzugsweise mit einer Säure oder eirer Lauge in unlösliche Oxyde umwandeln. Die Metallsalzlösung wird im allgemeinen so hergestellt, daß sie etwa 1 bis 250 g und vorzugsweise 5 bis 150 g Mctallsalz je Liter enthält.
Die Dispersion der Kohlenstoffteilchen kai.η hergestellt werden, indem man den Kohlenstoff in Gegenwart eines Dispersionsmittels mit Wasser und Ammoniak schnell rührt. Hierbei können die handelsüblichen Dispergiermittel mit Erfolg eingesetzt werden. Wenn die Kohlenstoff/Metalloxyd-Dispersion mit einem alkalischen Medium gefällt werden soll, so kann mit Vorteil anionische Dispergiermittel, wie Natriumarylsulfonat oder Natriumlignosulfonat verwenden. Metallsalze, die auf diese Weise gemeinsam"gefällt werden, sind beispielsweise Zirkonylnitrat, ZrO(NO,)„ und Titanylchlorid TiOCl». Wenn die Kohlenstoff/Metallsalz-Dispersion mit einer sauren Flüssigkeit gefällt werden soll, so ver-
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wendet man zur Herstellung der Dispersionen gewöhnlich anionische Dispergiermittel, wie Natriumarylsulfonate und Natriumlicnosulfonate und gibt diese zu den Metallsalzlösungen. Beispiele für Metallsalze, die mit Säuren gemeinsam gefällt werden können, sind unter anderem Ammoniummetavanadat und Natriumniobat.
Die obigen anionischen Dispergiermittel sind in sauren Mischungen nicht wirksam. Wenn die gemeinsame Fällung mit einer Base, wie Ammoniak, durchgeführt wird, muß man das Fällungsmittel in der Kohlenstoffdispersion einbauen, da die saure Metallsalzkomponente, wie beispielsweise TiOCl2, ZrOCl2, UO2Cl0, Zro(N03>2, HfOCl2, Th(NO ^, die Wirksamkeit des Dispergiermittels vernichten würde. Wenn die gemeinsame Fällung mit einer Säure durchgeführt wird, kann die Kohlenstoffdispersion zweckmäßig mit dem Metallsalz, wie beispielsweise NH11VO14, KNbO .MH2O, vor Zugabe der ausfällenden Säure zugegeben werden.
Die Kohlenstoffsuspension kann hergestellt werden, indem man eine wäßrige Dispersion von handelsüblichem feinverteiltem Kohlenstoff verwendet, wie die unter der Bezeichnung "Regal SRF-S", "Carbolac-1" und "Supercarbovar" von der Cabot Corporation, USA, im Handel erhältlichen Produkte. Diese Kohlenstoffsorten sind äußerst rein und haben äußerst feine Teilchen. In den meisten Fällen wird die wäßrige Dispersion dadurch hergestellt, daß man den feinverteilten Kohlenstoff mit Wasser vermischt und eine stabile Dispersion unter Verwendung von Ultraschall oder durch starkes Rühren
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herstellt. Der Kohlenstoff kann auch hergestellt werden, indem man feinverteilte wäßrige Kohlenstoffsuspensionen verwendet, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung "Aquadag" von der Acheson Colloid Co., USA, hergestellt werden. Ferner können feinverteilte polymere Substanzen, wie Polyäthylen, und lösliche Bestandteile mit großem Kohlenstoffgehalt, wie bestimmte Zuckersorten, verwendet werden, um den Kohlenstoffgehalt des Einsatzproduktes zu liefern.
In einigen Fällen kann die Kohlenstoffdispersion hergestellt werden, indem man eine verdünnte Ammoniumhydroxydlösung, die ein Dispergiermittel enthält, dem Kohlenstoff zusetzt. Bevorzugte Dispergiermittel sind polymerisierte Natrium- oder Ammoniumsalze von Alkyl-, Aryl- und Arylalkylsulfonsäuren, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung "Daxad 11" und "Lomar PWA" im Handel sind.
Bei einem anderen Herstellungsverfahren wird der Kohlenstoff in einen geeignete Behälter getan und eine ausreichende Menge einer etwa 0,02 molaren Ammoniaklösung mit einem Gehalt von etv/a C,3 Gevi% Dispergiermittel zugesetzt. Der Kohlenstoff wird in der Lösung solange durchgearbeitet, bis eine Paste erhalten wird. nschließend wird der Rest der Lösung zugegeben und die Mischung mit einem Rührer mit großer Scherkraft oder in einer Kolloidmühle vermählen.
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Wenn die Fällung in alkalischem Medium erfolgt, kann jedes geeignete Fällungsmittel verwendet werden, obgleich Ammoniak oder eine Ammoniak freisetzende Verbindung bevorzugt wird. Andere basische Fällungsmittel sind Natriumhydroxyd, Kaliumhydroxyd und dergleichen. Flüchtige Fällungsmittel, wie Ammoniak oder Ammoniak freisetzende Verbindungen werden bevorzugt, da dadurch die Verunreinigungsmöglichkeit des Produktes durch das Fällungsmittel verringert wird. Im allgemeinen genügt es, soviel Alkali zuzusetzen, daß der pH-Wert auf 8 bis 10 gebracht wird.
Beim Arbeiten im Laboratoriumsmaßstab wird die Aufschlämmung der Lösung des löslichen Salzes des entsprechenden Metalls und Kohlenstoffs vorzugsweise gemeinsam gefällt, wobei man durch starkes Rühren kontinuierlich einen sofortigen homogenen feinverteilten Niederschlag erhält. Die hierfür geeigneten Vorrichtungen bestehen aus Meßpumpen, die genau abgemessene Volumina des Einsatzmaterials in eine Mischkammer liefern. Die Zuflußgeschwindigkeiten liegen in einem Bereich von etwa 50 bis 500 ml je Minute. Das Verhältnis der verschiedenen Zugabegeschwindigkeiten wird so eingestellt, daß der gewünschte stöchiometrische Wert erhalten wird. Die Mischkammer ist mit einem Mantel zum Erwärmen oder Kühlen und mit einem Hochgeschwindigkeitsrührer ausgestattet. Die eintretenden Flüssigkeiten werden aus Düsen in die Mischkammer eingesp'ritzt, wo sie mit dem Rührer in Berührung gelangen,
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der mit einer Geschwindigkeit von etwa 2.000 bis 16.000 Umdrehungen je Minute umläuft. Das erhaltene Produkt ist ein wasserhaltiges innig gemischtes reaktives Präcipitat.
Wenn die gemeinsame Fällung unter Verwendung von Säure durchgeführt wird, wie beispielsweise bei der gemeinsamen Fällung von Nioboxyd und/oder Vanadiumoxyd mit Kohlenstoff, wird der pH-Wert mit einer Mineralsäure, wie Salpetersäure, Salzsäure oder Schwefelsäure, eingestellt, und zwar auf einen Wert von etwa 0,5 bis έ,5. Die so erhaltene Aufschlämmung wird dann filtriert, zur Entfernung der Verunreinigungen gewaschen, getrocknet und dann soweit vermählen, daß man ein Material mit einer Teilchengröße von 25 bis 200 Mikron erhält.
Das bei der gemeinsamen Fällung erhaltene'Oxyd" ist ein wasserhaltiges Oxyd, das der Einfachheit halber im folgenden ebenfalls als Oxyd bezeichnet wird.
Das durch alkalische oder saure Fällung erhaltene Copräcipitat wird mehrmals gewaschen, getrocknet und gemahlen, um die Teilchengröße des getrockneten Produktes zu verringern.
Die bei der Herstellung der innigen Mischung aus Kohlenstoff und Metalloxyd verwendeten Mengen der Reaktionsteilnehmer hängen von dem gewünschten Endprodukt ab. In den
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meisten Fällen werden zufriedenstellende Ergebnisse
erhalten, wenn die ursprüngliche Kohlenstoffdispersion
2 bis 45 und vorzugsweise 5 bis 20 Gew/S Kohlenstoff enthält.
Wenn beispielsweise ein Metalloxyd mit einer Valenz von
k und der Summenformel M0„ in ein Carbid, Nitrid oder
Carbonitrid. umgewandelt werden soll, so verläuft dieses
nach der folgenden Gleichung:
Bei der Herstellung des Carbides: MO + 3C ^MC + 2C0
Bei der Herstellung des Nitrides:
MO2 + 2C + 0,5N2 -^MN + 2C0
Bei der Herstellung des Carbonitrides:
MO2 + (2 + y) C +ft^L I N2 *> MCyN1 + 2C0
Die Mengen des eingesetzten Kohlenstoffes werden dadurch geregelt, daß man dir. entsprechende Molzahl von Kohlenstoff und Metalloxydkomponenten zusetzt, um das gewünschte Produkt zu erhalten.
Die gemeinsame Fällungsreaktion kann bei Normaldruck und Zimmertemperatur durchgeführt t^erden. Es ist nicht erforderlich, unter erhöhter Temperatur zu arbeiten, da ein
Temperaturanstieg während der gemeinsamen Fällung keine wesentliche Verbesserung ergibt, die zusätzliche Energiekosten rechtfertigt.
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Der nächste Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung des Endproduktes durch Erhitzen des innigen Gemisches aus Kohlenstoff mit den spaltbaren.und nicht spaltbaren Metalloxyden. Wenn ein Carbid hergestellt werden soll, so wird die innige Mischung in einer nicht oxydierenden Atmosphäre, vorzugsweise unter Argon oder unter Wasserstoff, erhitzt. Die Erhitzung wird gewöhnlich bei Temperaturen zwischen 850 bis 2.50O0C durchgeführt, und zwar je nach Art des herzustellenden Carbides und der gewünschten physikalischen Eigenschaften.
Die Dauer dieser Hitzebehandlung hängt ebenfalls von der Art des Carbides ab, das hergestellt werden soll; sie beträgt gewöhnlich 1 bis 25 Stunden.
Bei der Herstellung von Nitriden oder Carbonitriden aus der innigen Mischung aus Metalloxyd und Kohlenstoff erfolgt das Erhitzen gewöhnlich in Gegenwart von Stickstoff und gewöhnlich bei Temperaturen von 1.000 bis 2.000 C, und zwar je nach Art des herzustellenden Nitrides oder Carbonitrides, Das Titannitrid kann,hergestellt werden, indem man auf etwa 1.100 C erhitzt. Die Herstellung anderer Metallnitride kann erheblich höhere Temperaturen erfordern.
Die Erhitzungsdauer hängt wiederum von der Art des herzu-
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stellenden,Nitrides oder Carbonitrides ab. Es wurde festgestellt, daß in den meisten Fällen die Nitride oder Carbonitride durch Erhitzen bei 2 bis 15 Stunden je nach Art der Metallkomponente und der Temperatur erhalten werden können.
Das nach der Verfahrensstufe c) erhaltene Pulver besteht aus getrockneten Partikeln eines spaltbaren Metalloxyds, Kohlenstoff und eines zweiten Metalloxyds in kolloidaler Form und kann eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften besitzen:
a) die Dispersion der Komponenten ist kolloidal;
b) die Struktur ist mikrokristallin oder röntgenamorphj
c) Gleichförmigkeit der Teilchen untereinander;
d) äußerste Reinheit;
e) Oberflächenbereiche von 10 bis 500 m /g;
f) das Vermögen, feste Lösungen in einem Mehrkomponentensystem zu bilden, wobei der Gitterparameter das arythmetische Gewichtsmittel der Parameter der Einzelkomponente ist;
g) das Vermögen, feste Lösungen in Carbidsystemen mit Schmelzpunkten über 2.2000C zu bilden;
h) das Vermögen, feste Mehrkomponentencarbxdlosungen zu bilden, die das spaltbare Metalloxyd, ein zweites Metalloxyd und Kohlenstoff enthalten, und zwar bei Temperaturen von 1.100 bis 1.800°C je nach Art des Metalls.
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Die Carbid-Kernbrennstoffe kennzeichnen sich durch
a) Teilchengröße von 0,1 bis 30 Mikron,
b) Kristallitgrößen in einem BEreich von 1.000 bis
10.000 A ,
c) Oberflächenbereiche von 1 bis 5 m je g ,
d) ein Gitterparameter, der dem arythmetischen Durchschnittsgewicht der Parameter der Komponenten entspricht.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden:
Beispiel 1
Ea wurde eine feste Lösung aus Uran- und Zirkoncarbiden nach dem Verfahren der gemeinsamen Fällung hergestellt.
Eine Lösung mit einem Gehalt von 2.831,9 g Zirkonylnitrat mit 19,58 % ZrO2 und 752,7 g UO2(NO )2 mit einem Gehalt von 17,94 % UOp, die mit Wasser bis auf 6 Liter aufgefüllt worden war, wurde mit einer Mischung umgesetzt, die 1.834 g einer 9,79Siigen Kohlenstoffdispersion(Regal SRF-S), 742 ml 28>Siges Ammoniak und genügend Wasser bis zu einem Gesamtvolumen von 6 Litern enthielt.
Die Aufschlämmung aus dem Reaktor wurde filtriert und mit 16 Liter einer 5%igen wäßrigen Ammoniaklösung gewaschen. Der gewaschene Filterkuchen wurde in einem UmwSlzofen getrocknet. Ein Teil dieses Filterkuchens wurde dann unter
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Wasserstoff 2 Stunden bei 600°C erhitzt. Nach 2 Stunden wurde der Wasserstoff durch Argon ersetzt und die Temperatur auf 16OO°C gesteigert und hierbei 10 Stunden belassen. Das erhaltene zerteilbare Produkt war, wie Röntgenmessungen ergaben, eine feste Lösung von Uranium und Zirkoncarbid.
Beispiel 2
Es wurde nach einer abgewandelten Sintermethode ein gemischtes Uran/Zirkoncarbid hergestellt.
Ein Teil des getrockneten Filterkuchens gemäß Beispiel 1 wurde unter Viasserstoff auf 600°C erwärmt und 2 Stunden bei dieser Temperatur belassen. Dann wurde der Wasserstoff durch Argon ausgetauscht und die Temperatur auf 1100 C gesteigert, wobei das Produkt 2 Stunden lang bei dieser Temperatur blieb. Durch Röntgenanalyse wurde festgestellt, daß dieses Material eine einzige tetragonale Phase besaß. Ein Teil dieses Produktes vmrde zerkleinert, so daß es durch ein Sieb mit einer Maschenzahl von 100 br,w. einer Sieböffnung von 0,15 mm hindurchging; anschließend wurde das Produkt 1 1/2 Stunden auf 2.1000C erhitzt. Wach dieser zweiten Wärmebehandlung war das Produkt eine feste Lösung aus Uran und Zirkoncarbid in Form eines leicht verteilbaren Pulvers.
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Beispiel 3
Es wurden Carbide in festen Lösungen in Form von feinen Pulvern hergestellt, die nach üblichen Brennverfahren oder keramischen Verfahren gehandhabt werden konnten, nämlich Verpressen und Extrudieren zur Herstellung von Kernbrennstoff oder anderen verpreßten und kompaktverformten Gegenständen für keramische Anwendungszwecke.
Ein Teil des zerkleinerten Pulvers, das durch ein Maschensieb mit der Mapchenzahl 100 ging und gemäß Beispiel 2 erhalten wurde, wurde unter Argon 2, 1I bzw. 8 Stunden auf l800 C erhitzt. Die erhaltenen Produkte wurden dann in einem Mörser zerkleinert, bis sie durch ein Sieb mit einer Maschenzahl von 325 hindurchgingen bzw. durch eine Sieböffnung von 0,04 mm. Die Eigenschaften dieser Produkte sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengestellt.
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Tabelle
Brennzeit vorhandene Phasen Teilchen- Dichte in STUNDEN (Röntgenmethode) größe (nach in g/ml
Fisher) (TaP) Untersiebgrenze
Schüttgewicht Kohlenstoffgehalt
2 H 8
(U ,Zr)C It ,festo 1 ,90 2 ,55 1 ,25^
Lösung
It π 2 ,05 2 ,65 1 ,30
11 3 ,10 . 2 ,80 1 ,60
9,70 10,0 9,9
Diese Werte zeigen, daß die Eigenschaften der Pulver durch Brennzeit geändert werden können. Ähnliche Abwandlungen sind möglich, wenn mit anderen Temperaturen gearbeitet wird.

Claims (6)

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffes, bei dem eine Mischung von metallischen Actinidoxyden und Kohlenstoff unter Vakuum, in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre oder in einem kohlenstoffhaltigen Gas unter Bildung eines Carbides oder in einer Stickstoffatmosphäre oder einem bei Zersetzung Stickstoff liefernden Gas unter Bildung eines Nitrids oder Carbonitrids erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
a) eine Lösung von Salzen von (i) mindestens einem Actinidmetall und (ii) mindestens einem anderen Metall der Gruppe Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram oder einom Seltenen Erdmetall mit ausreichend Kohlenstoff vermischt wird, um mit dem Oxyd des Metalles beim Erhitzen zu reagieren, •b) die Metalloxyde aus den Metallsalzen in der Mischung gemeinsam gefällt werden, um eine Mischung aus Oxyden mit Kohlenstoff zu erzeugen und
c) die in der Stufe b) erhaltene Mischung getrocknet und erhitzt wird.
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2. Verfahren nach Anspruch 1,' dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung mit 5 bis 40 GewJ? Kohlenstoff vermischt v/ird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Fällung durch Zugabe von Säure oder Alkali durchgeführt wird.
Ί. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Fällungsmittel flüchtig ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz (ii) ein Titan-, Zirkon- oder Hafniumsalz ist und daß die gemeinsame Fällung durch Einstellung des pH-Wertes auf 8 bis 10 mit Ammoniak erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Salz (ii) ein Niob- oder Vanadiumsalz ist und daß die gemeinsame Fällung durch Einstellung des pH-Wertes auf etwa 0,5 bis 6,5 mit einer starken Mineralsäure oder Carbonsäure erfolgt.
ue:sch.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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