DE2426364A1 - Kernbrennstoff und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Description

PATENTANWALT
DR. HANS ULRICH MAY 2426364

D S MÜNCHEN P. OTTOSTRASSEIa

TELEPRAMTjIE: MAYi³ATENT MÜNCHEN TELEFON C08113 SO3682

^np 489/1288 München, den 31. Mai 1974

B 4955· 3 HM Dr.M./cs

Commissariat ä 1'Energie Atomique in Paris/Prankreich

Kernbrennstoff und Verfahren zur Herstellung desselben

Die Erfindung betrifft einen neuen Kernbrennstoff mit ausgezeichnetem Verhalten im Kernreaktor? (pile), der besonders in Leichtwasserreaktoren und mit schnellen Neutronen arbeitenden Reaktoren verwendbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben·

Die Herstellung von Kernbrennstoff mit einem guten Verhalten unter Bestrahlung virft bisher zahlreiche Probleme auf· Die allgemein verwendeten Kernbrennstoffe bestehen aus gesinterten Tabletten von Uranoxid und/oder Transuran-Oxiden, deren Dichte 70 bis 95 % der maximalen theoretischen Dichte beträgt. Bisher hat sich keiner der verwendeten Kernbrennstoffe gleichzeitig nach den verschiedenen Gesichtspunkten; Wärmebeständigkeit, mechanische Festigkeit und Aufnahme der Schwellung bei der Benutzung im Kernreaktor, als befriedigend erwiesen·

Von den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung von gesinterten Tabletten, die als Kernbrennstoffe verwendbar sind, sei besonders erwähnt das in FR-PS 1 550 150 beschriebene Verfahren. Danach geht man von einem Pulver von üranoxid und/oder Oxiden von Transuranelementen aus.und gibt dem Pulver Naphthalin in Form von Kügelchen be-

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stimmter Größe, dei-ea Durchmesser zwischen 5OyVm und 200//m liegt, zu. Die so erhaltenen gesinterten Tabletten sind thermisch stabil, jedoch mechanisch brüchig; besonders führt die oberflächenbearbeitung zur Bildung von Splittern. Außerdem zeigen sich diese Tabletten bei ihrer Vervendung im Kernreaktor hinsichtlich der Aufnahme der Schwellung recht mittelmäßig.

Der Anmelder hat dieses Problem untersucht und gefunden, daß gesinterte Stücke von Uranoxid und/oder Oxiden von Transuranelementen, die einen genau definierten Porositätsbereich aufweisen, die drei erwähnten Bedingungen für ihre Verwendung als Kernbrennstoff, nämlich Wärmebeständigkeit, mechanische Festigkeit und Aufnahme der Schwellung» erfüllen* Der Anmelder hat ferner die Maßnahmen gefunden, welche zur Herstellung der gesinterten Werkstücke mit einem solchen genau definierten Bereich der Porosität notwendig sind.

Das erfindungsgemäße Kerabrennstoffiiaterial ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus gesinterten stücken aus Uranoxid und/oder Oxiden von Transuranelementen besteht, wobei die Stücke Poren mit Durchmessern zwischen 4 und AO /im aufweisen· Es wurde gefunden, daß wenn die bisher benutzten Kernbrennstoffe Poren von unter 4^m aufweisen, die Beseitigung dieser kleinen Poren unter Bestrahlung zu einer schädlichen Verdichtung des Produkts führt. Andererseits wurde gefunden, daß wenn die Kernbrennstoffe Poren von mehr als 40 ,Um Durchmesser aufweisen, sie mechanische zerbrechlich sind und die bei ihrer Verwendung im Kernreaktor (pile) durch feste und gasförmige Spaltprodukte hervorgerufene Schwellung nicht mehr aufnehmen können.

Andererseits zeigt eben das erfindungsgemäße Kernbrennstoffmaterial ein ausgezeichnetes Verhalten im Kernreaktor, da es eine stabile

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und geregelte Porosität zwischen 4 *u)d 4O₇Mm aufweist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des oben definierten Kernbrennstoffmaterials. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man das Uranoxid und/oder Oxid von Transuranelementen pulvensiert, dem Pulver 1 bis 6 Gewichts-% einer flüchtigen organischen Verbindung mit einer kalibrierten Korngröße unter 40ytun zusetzt, das Gemisch kalt zu Formstttcken preßt und diese anschließend sintert.

Vorzugsweise besteht die flüchtige organische Verbindung aus Naphthalin. Das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Naphthalin mit einer Korngröße unter 40 /λ m kann auf zwei Weisen erhalten werden:

Entweder durch Piüirerisierung, d.h. Lösen des handelsüblichen Naphthalins in einem organischen Lösungmittel, wie Benzol oder !Erichloräthylen, gefolgt vom Aufspritzen dieser Lösung auf eine ebene Fläche und Gewinnung des erhaltenen Pulvers; Oder durch Dekantieren, d.h. heißes Auflösen von handelsüblichem Naphthalin in Wasser und anschließendes Dekantieren in der Kälte.

Eine weitere, erfindungsgemäß bevorzugte flüchtige organische Verbindung ist Diazocarbamid. Man kann als flüchtige organische Verbindung auch Ammoniumcarbonat verwenden.

Die Erfindung wird weiter erläutert durch die folgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele.

Beispiel T;

Zu pulverförmigern Uranoxid UO₂, das nach einem üblichen Verfahren, wie Glühen, Reduktion und Mahlen erhalten wurde, gibt man 1 % Naphthalin mit einer Korngröße unter 40Mm, das nach einem der oben

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angegebenen verfahren hergestellt wurde.

Anschließend wird das Gemisch UO₂ plus Naphthalin kalt unter einem Druck von 5000 bar zu Tabletten gepreßt. Diese Tabletten werden anschließend 6 Stunden lang bei 1725°C in einer reduzierenden Atmosphäre aus 10 % Wasserstoff und 90 % Argon gesintert.

Die beigefügte Figur 1 zeigt eine Mikrofotographie des erhaltenen Produkts bei 200-facher Vergrößerung. Man sieht in dieser Fotographie deutlich die größten Poren von etwa 30 bis 40 /te m und die kleinsten Poren von etwa 5 >u.m Durchmesser. Das Ver t ei lungs spektrum zeigt, daß der mittlere Porendurchmesser etwa 8 ^m beträgt. Die so erhaltenen Tabletten zeigen eine Dichte von 91 bis 92 % der maximalen theoretischen Dichte.

Die bemerkenswerte Wäraaebeständigkeit der so hergestellten Tabletten ergibt sich deutlich aus der folgenden Tabelle. In dieser Tabelle sind die Veränderungen der Dichte der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten üO₂-Tabletten nach einer Wärmebehandlung bsi 1725°C während 20, 50 und 100 Stunden angegeben. Die Tabelle führt ferner zum Vergleich die bei der gleichen Wärmebehandlung einer nach einem der bekannten Verfahren hergestellten UO₂-Tabletten auftretenden Dichteveränderungen an. Gesintertes ^ (anfangs) % Thfeor. QL % nach Glühen während ProduKt g/cm* Dichte 20 Std. 50 Std. 100 Std,

UO₂ (Erfindung) 10,244 93,47 0,41 0,50 0,55

UO₉ (Stand der 10,20 93,06 3,65 3,94 4,08 ^A Technik)

Aus dieser Tabelle ersieht man, daß die Dichteveränderung der <?.r~ findungsgemäßen Tabletten viel geringer ist, als die der bisher bekannten Tabletten.

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Figur 2 zeigt ebenfalls den durch die Erfindung gebrachten technischen Portschritt. Es sind in dieser Figur 2 die Kurven wiedergegeben, welche bei der Untersuchung der Verdichtung außerhalb des Kernreaktors bei einer Temperatur von 1725°C an verschiedenen üblichen UOp~Tabletten (Kurve 1), an bereits benutzten und wieder in den Kreis zurückgeführten U0₂-Ab£ällen (Kurve 2) und an erfindungsgemäßen U0₂-Tabletten (Kurve 3) erhalten wurden. Die Kurve 3 zeigt klar, daß bei dem erfindungsgemäßen Produkt die Dichte sich zeitlich praktisch nicht verändert und die Wärmestabilität gegenüber den üblichen Oxiden wesentlich, nämlich um einen Faktor um etwa 10, verbessert ist.

Beispiel 2;

Zu nach einem üblichen Verfahren erhaltenen Pulver von Uranoxid UO^ gibt man 1 % handelsübliches Diazocarbamid mit einer Korngröße zwischen 10 und 20 jülm und formt das Gemisch anschließend kalt unter einem Druck von 5000 bar zu Tabletten. Anschließend werden diese Tabletten 4 Stunden lang bei 17OO°C in einer Atmosphäre von entweder trockenem Wasserstoff oder Wasserstoff mit 3 % Wassergehalt gesintert. Die Dichte der so erhaltenen Tabletten liegt unter 10,35· Die Dichteveränderung dieser UOg-Tabletten nach einer 20 Stunden dauernden Wärmebehandlung bei 1720⁰C beträgt 0,60 %,

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Claims (6)

Pa ben tanqpruche

1. Kernbrennstoff, bestehend aus gesinterten Stücken aus Uranoxid und/oder Oxiden von Transuranelementen, wobei die Stücke Poren mit Durchmessern zwischen 4 und 4Ou ra aufweisen.

2. Verfahren zur Herstellung des Kernbrennstoffs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß üranoxid und/oder Oxide von Transuraneleraenten gepulvert werden, dem Pulver 1 bis 6 Gewichts-% einer flüchtigen organischen Verbindung, deren kalibrierte Korngröße unter 40 JiA m. liegt, zugesetzt und die Mischung kalt zu Formstücken gepreßt wird und die Formstücke gesintert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnete daß die flüchtige organische Verbindung naphthalin ist»

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Naphthalinpulver hergestellt wird, indem man eine Lösung von handelsüblichem Naphthalin in einem organischen Lösungsmittel herstellt, die Lösung auf eine ebene Fläche sprüht und das so erhaltene feine Naphthalinpulver gewinnt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Naphthalinpulver hergestellt wird durch Heißauflösen von handelsüblichem Naphthalin in Wasser und anschließendes Kaltdekantieren.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flüchtige organische Verbindung Diazocarbamid ist.

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