DE2459445C3 - Verfahren zur Herstelung von kugelförmigen Brenn- und Brutstoffpartikeln - Google Patents
Verfahren zur Herstelung von kugelförmigen Brenn- und BrutstoffpartikelnInfo
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Description
40
Die Erfindung betrifft ein Verführen zur Herstellung von untereinander gleichen, kugelförmigen Brenn-
«and/oder Brutstoffpartikeln durch Umwandlung eines «us einer oder mehreren Düsen fließenden, in
Oszillation versetzten Flüssigkeitsstrahls aus Uran- und/oder Thorium enthaltenden Lösungen, in einer
Menge von mehr als 3000 Tropfen pro Minute, wobei diese Tropfen zur Ausfällung 'mn Uran- und/oder
Thoriumoxyd in eine Ammoniaklösung fallen und anschließend getrocknet und gesintert werden.
Alle Brennelemente für Hochtemperaturreaktoren enthalten den Brenn- und Brutstoff in Form von
beschichteten Partikeln. Diese beschichteten Partikeln s?
bestehen aus uniformen, kugelförmigen Teilchen der Oxide oder Karbide von Uran und/oder Thorium, die
rur Zurückhaltung der Spaltprodukte mit Schichten aus pyrolytischem Kohlenstoff und Siliziumkarbid umhüllt
sind. Zur Zeit sind im wesentlichen folgende Teilchen- fto
Sorten von Bedeutung: Uranoxid (UO2), Urancarbid (UCi), Thoriumoxid (ThOj) und Uran-Thoriutnoxid-Mischkristall
(U, Th)Oj. Die Durchmesser der Teilchen
liegen je nach Anforderung etwa zwischen 200 und μηι, die Dichte soll so hoch wie möglich sein. '^
Im weiteren Verlauf der Brennelemeniherstellung
werden diese Brenn- und Brutstoffkerne mit Schichten aus Dvrolvtischem Kohlenstoff und Siliziumkarbid
versehen, die der Rückhaltung von Spaltprodukten beim Reaktorbetrieb dienen. Dabei müssen von diesen
Schichten die im Teilcheninneren auftretenden Spaltgasdrücke, die durch Neutronenstrahlung gebildeten
Spannungen und die Temperaturwechselspannungen aufgefangen werden. Das ist am besten möglich, wenn
diese Schichten exakte Kugclschalen sind. Aus diesem Grunde werden an die Kugelform der Teilchen extreme
Anforderungen gestellt; vor allem dürfen keine Spitzen, wie bei einem Tropfen, keine Einziehungen oder
Abflachungen auftreten.
Zur Herstellung solcher Teilchen wurden sowohl Granulationsverfahren eingesetzt als auch sogenannte
nasse Verfahren entwickelt. Den letzteren wird aus verschiedenen Gründen der Vorzug gegeben. Diesen
nassen Verfahren zur Herstellung von Brenn- und Brutstoffpartikeln aus Uran- und Thoriumoxid ist ein
Grundgedanke gemeinsam. Es wird eine Lösung oder ein Sol hergestellt, die Uran und/oder Thorium
enthalten. Aus diesen Lösungen werden kugelförmige Tropfen gebildet, die unter Beibehaltung der Kugelform
verfestigt werden müssen. Die Verfestigung erfolgt entweder durch Wasserentzug aus den Tropfen, wie
beim Sol-Gel-Verfahren (US-PS 32 90 122), durch Reaktion von polymeren Lösungszusätzen mit einem
alkalischen Medium (DTPS 12 12 841) oder durch ammoniakalische Fällung im Tropfen (DT-AS
15 42 346). Zur Tropfenbildung wurden bisher im wesentlichen zwei Wege eingeschlagen. Die einfachste
Methode ist es, die Lösung aus einer Kapillare austreten und den Tropfen an der Spitze der Kapillare abreißen zu
lassen. Der Tropfen fällt in eine .ilkalische Lösung, in der
die Verfestigung erfolgt (DIAS 16 71051). Die
Ausströmgeschwindigkeit der Lösung aus der Kapillaren und die Geschwindigkeit der Tropfenbildung ist bei
dieser Methode allerdings sehr klein. Nach einer anderen Methode läßt man den Lösungsstrahl aus einer
Düse direkt in eine flüssige Phase eintreten, mit der keine Mischbarkeit der Lösung besteht und in der der
Lösungsstrahl aufgrund der Oberflächenspannung in einzelne Tropfen aufreißt. So tritt z. B. bei einem
Sol-Gel-Verfahren die wäßrige Lösung in Äthylhcxanol (USPS 32 90 122), bei einem anderen Verfahren in
Paraffinöl ein (DT-AS 19 60 289). Doch auch bei dieser
Methode kommt man aufgrund der schwer zu beherrschenden Strömungsverhältnisse von Flüssigkeit
in Flüssigkeit nur zu einer kleinen Zahl von Tropfen bzw. Teilchen pro Zeiteinheit.
Durch die Zahl der Tropfen pro Zeiteinheit ist der Durchsatz für ein bestimmtes Verfahren gegeben, der
fur fine technische Produktion aus Wirtschaftlichkeitsgrürden möglichst groß sein muß. Nimmt man für die
gesinnten Gießmethoden die Zahl der Tropfen pro Sekunde etwa in der Größenordnung von 10 an, dann
kann man von (U, Th)O2-Teilchen mit einem mittleren
Durchmesser von etwa 400 μιη und einem mittleren Teilchengewicht von etwa 0,3 mg pro Stunde und Düse
etwa 11 g Partikeln herstellen. Bei Teilchen mit einem Durchmesser von ca. 200 μηι kommt man nur zu einem
Durchsatz von etwa 1,5 g Partikeln pro Stunde und Düse. Ein Verfahren mit solch geringen Durchsätzen ist
für eine Produktion nicht geeignet. Man hat daher versucht, durch Einsatz einer großen Zahl von Düsen
und durch verschiedene Düsenkonstruktionen den Durchsatz zu vergrößern, konnte r.ber durch Erhöhung
der Störanfälligkeit und Verringerung der Ausbeute wegen Verbreiterung des Partikelspektrums die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens kaum verbessern.
Der nach einem Gießverfahren mögliche Durchsatz wird durch folgende Gleichung beschrieben:
in der Q die Durchflußmenge, γ die Zahl der pro
Sekunde gebildeten Teilchen, gpuud dp deren Dichte und
Durchmesser und Cl^ die Konzentration der Gießlösung
an Uran und Thorium bedeutet. K ist eine Konstante.
Geht man von einer vorgegebenen Gießlösung und einem vorgegebenen Endprodukt aus, dann wird Cug,
dvQp ebenfalls konstant, und man sieht, daß bei einer
Erhöhung des Durchsatzes mit steigendem Q auch y größer werden muß. Diese Überlegung konnte bisher
nicht realisiert werden, weil der aus einer Düse unter Druck austretende Strahl in der Gasphase (Luft oder
Inertgas) teils zersprühte, teils sich in ungleich große Tropfen autieilte, die sich an der Oberfläche der zur
Verfestigung vorgelegten alkalischen Lösung deformierten oder in Flocken umwandelten. Durch eine
Verbesserung der Düsenformen und Schwingsysteme konnte das Zersprühen des Strahles in der Gasphase
verhindert und die Bildung einer großen Zahl gleich großer Tropfen pro Sekunde erreicht werden. Die
Stabilisierung der exakten Kugelform war jedoch bisher eine Schwierigkeit, die den Einsatz der nassen
Vei'.ihren zur Herstellung von Brenn- und Britstoffen
für eine Produktion praktisch unmöglich machte; denn die zunächst gebildeten Kugeln werden entweder beim
weiteren freien Fall in der Gasatmosphäre oder beim Auftreffen auf die Oberfläche der alkalischen Lösung
wieder deformiert. Versucht man, die Tropfen in einer Ammoniakgasstrecke zu bilden und fallen zu lassen, so
erhält man Schwierigkeiten durch Verstopfen der Düse,
oder man erhält durch zu frühe Verfestigung keine exakten Kugelformen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu finden, bei
dem die Deformierung der zunächst gebildeten exakt kugelförmigen Tropfen aus Uran und/oder Thorium
enthaltenden Lösungen sowohl beim Fall durch die Gasphase als auch beim Aufschlagen auf die Oberflache
der alkalischen Ammoniaklösung ausgeschlossen wird.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelost, daß die
Tropfen vor dem Eintauchen in die Ammoniaklösung zuerst eine ammoniakgasfreie Fallstrecke durchlaufen,
die so bemessen ist, daß die Tropfen in ihr gerade ihre kugelförmige Gestalt angenommen haben, und sofori
anschließend zur Stabilisierung dieser kugelförmigen Gestalt eine von Ammoniakgas durchströmte Fallstrekke
durchlaufen, wobei das Ammoniakgas mittels eines oder mehrerer Einleitungsrohre so in diese Fallstrecke
eingeleitet wird, daß neben einer der Tropfenfallrichtung entgegengesetzten Ammoniakgasströinung aus
eine horizontale Querströmkomponente des Ammoniakgases Ji:;·. h di? Tropfenz.wischenräunic gcwahi lei
stet ist, und diese Fallstrecke so bemessen ist. dall die
kugelförmigen Tropfen vor dem Eintauchen in die Ammoniaklösung ausreichend ausharten.
Entgegen der allgemeinen Erwartungen, daß bei den
kurzen Veiwcil/.citen der Troplen von weniger als 0,5 Sekunden, in der Ammoniakgasstrecke kein Euilluß aiii
die Tropfenform zu erwarten sei, wurde gemäß der
Erfindung gefunden, daß diese kur/.e Zeil in konzentriertem,
liasförinigem Ammoniak genügt, um die
Kugelform durch chemische Reaktion zu stabilisieren und eine Verformung der sphärischen Teilchen beim
Auftreffen auf die Lösungseberfläche vollständig auszuschließen. Dadurch können die nassen Verfahren
zur Herstellung von Brenn- und Brutstoffpartikeln in Verbindung mit Düsen und Schwingsystemen, die
geeignet sind, große Tropfenzahlen pro Sekunde zu erzeugen, für die Produktion dieser kugelförmigen
Teilchen eingesetzt werden. Der Durchsatz pro Stunde ίο und Düse kann von 1,5 g bei 200-um-Partikeln bzw. 11 g
bei 400^m-Parükeln bei hohen Frequenzen von 1200
bzw. 200 Hertz beispielsweise auf 180 g bzw. 220 g gesteigert werden. Bei 500^m-ThO2-Partikeln ist es
sogar möglich, einen Durchsatz von 1 kg pro Stunde und Düse zu erreichen.
Um solche große Durchsätze zu erzielen, muß ein in Oszillation versetzter Flüssigkeitsstrahl erzeugt werden,
der aufgrund seiner harmonischen Schwingung in eine sehr große Zahl uniformer Tropfen pro Sekunde
:o zerfällt. Diese diskreten Tropfen oszillieren beim Durchfallen der ammoniakgasfreien Fallstrecke (Luft
oder Inertgas) noch Bruchteile von Sekunden, wie mittels Stroboskoplampe nachgewiesen werden kann,
bis sie Kugelform annehmen. Wenn man diese 2s Fallstrecke über diesen Punkt hinaus verlängert, wird
der sphärische Tropfen durch die Einwirkung von Reibungswiderständen zum stromlinienförmigen Tropfen
deformiert. Ein wesentlicher Bestandteil des Verfahrens gemäß der Erfindung liegt daher darin, daß
V) die fallenden Tropfen gerade in dem Zeitpunkt, in dem
sie ihre Kugelgestalt erreicht haben, durch Berührung mit Ammoniakgas fixiert werden, so daß eine
Verformung nicht mehr möglich ist, und daß die weitere Fallstrecke im Ammoniakgas so gewählt wird, daß eine
is ausreichende Verfestigung erzielt wird, die eine
Deformation der sphärischen Teilchen beim Auftreffen auf die Oberfläche der Ammoniaklösung verhindert.
Dieser kritische Punkt zwischen ammoniakgasfreier und ammoniakgashaltiger Fallstrecke kann stroboskopisch
bestimmt und eingeregelt werden.
Das bloße Einleiten von gasförmigem Ammoniak in eine NH4OH-Lösung zur Aufrechterhaltung der NHj-Konzentration
in der Lösung (DT-AS 12 35 279) ist nicht geeignet, die Kugclform von fallenden Tropfen mit
4s einem Durchmesser von 0,5 bis 2,5 mm zu stabilisieren,
weil auf diese Weise nicht genügend Ammoniakgas zur Verfugung stehe. Es wurde vielmehr gemäß der
Erfindung gefunden, daß der Ammoniakgas-Gegenstrom so st.irt; sein und so geführt werden muß, daß alle
so fallenden Teilchen ständig mit Amtnoniakgas umspült
werden. Da der Teilchenstrom Luft oder Inertgas mitreißt, muß durch geeignete Strömlingsbedingungen
ständig frisches Ammoniakgas vorzugsweise zwischen die einzelnen Tropfen gefuhrt werden, deren Abstand je
ss nach Teilchenfolgc höchstens wenige Millimeter beträgt
1 )a bei Erhöhung des Durchsatzes die Tropfenzahl pro Minute größer und der Abstand zwischen den
Troplen dadurch kleiner wird, muß das Ammoniakgas so geführt werden, daß es in ausreichender Menge
1(. zwischen den einzelnen Tropfen zugegen ist.
Dazu ist es erforderlich, daß neben der ansteigenden
Animoniakgasströmung entgegen der Tropfenfallrichtung
vor allem auch eine horizontale Querströmung durch die Tropfen/.wisehenraume gewährleistet wird.
f., Di.1Se Strömungen werden insbesondere durch Einblasen
von Ammoniakgas in das Fallrohr mittels Düsen oder dünnen Einleitungsrohren erzeugt, die mit leinen
Bohrungen von wenigen Millimetern Durchmesser
versehen sind. Wichtig ist dabei, daß auch eine Radialströmung über die gesamte ammoniakgashaltige
Fallrohrlänge wirksam ist. Geeignete Ammoniakgasströmungen können auch mit Hilfe von Düsenkränzen
oder ringförmig angeordneten, mit feinen Bohrungen versehenen Rohren erzeugt werden.
Als vorteilhaft hat sich eine einfache Vorrichtung erwiesen, wie sie in der Abbildung schematisch
dargestellt ist. Sie besteht aus einem Fallrohr (4), in dem eine Ammoniaklösung auf konstantem Niveau (5)
gehalten wird, einem Ammoniakgaseinleitungsrohr (6), dessen Querschnitt gegenüber dem Fallrohr (4) sehr
klein ist und einer Absaugvorrichtung (7) am Kopf des Fallrohres (4). Der Ammoniakgasabsaugstutzen (7) liegt
dem Ammoniakgaseinleitungsrohr (6) diametral gegenüber. Über dem Fallrohr (4) ist die Düse (8) angeordnet,
aus der die in Tropfen umzuwandelnde Flüssigkeit ausfließt. Der oszillierende Flüssigkeitsstrahl zerfällt in
der Luftfallstrecke (1) in Tropfen (9), welche in der Ammoniakgas-Fallstrecke (2) verfestigt und in der
Ammoniaklösung (10) gesammelt werden. Das Ammoniakgas wird durch das Einleitungsrohr (6), das im
Abstand (3) von der Oberfläche der Ammoniaklösung endet, eingeleitet und am Kopf des Fallrohres (4) über
einen Stutzen (7) abgesaugt. Der Abstand (3) wird vorzugsweise so kurz gehalten (etwa 50 bis 150 mm),
daß das Ammoniakgas auf die Oberfläche der Ammoniaklösung bläst und eine leichte, kaum wahrnehmbare
Wellenbewegung erzeugt, die das Ammoniakgas diffus reflektiert. Es umströmt so die fallenden
Tropfen allseitig sowohl von unten nach oben als auch quer zur Fallrichtung und härtet sie aus.
Die erforderliche Turbulenz der Querströmung wird weiterhin verbessert, daß das Gaseinleitungsrohr (6)
einen erheblich kleineren Durchmesser hat als das Fallrohr (4), in dem das Ammoniakgas aufwärts strömt.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Gasströmungsgeschwindigkeiten im Einleitungsrohr (6) und
Fallrohr (4) 100 : 1 bis 200 : 1.
Durch entsprechende Wahl des Abstandes (1) werden die fallenden Tropfen zu dem Zeitpunkt, in dem sie die
genaue Kugelgestalt angenommen haben, im Ammoniakgas abgefangen. Dieser Abstand kann stroboskopisch
bestimmt und entsprechend eingestellt werden.
Der Abstand (2) im Fallrohr wird so gewählt, daß die kugelförmigen Teilchen ausreichend aushärten können
und ihre Kugelgestalt beim Auftreffen auf die Oberfläche der Ammoniaklösung beibehalten.
Die dem Teilchenstrom entgegengerichtete Ammoniakgasströmung im Fallrohr kann in weiten Grenzen
variiert werden, jedoch muß sichergestellt sein, daß die Ammoniakgaskonzentration in der Umgebung der
Tropfen zur Verfestigung ausreicht Es wurde gefunden, daß dafür je cm2 neu gebildeter Tropfenoberfläche pro
Minute eine Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeit im Fallrohr zwischen 0,05 und 2 cm/min erforderlich ist
Die besten Resultate wurden bei 0,1 bis 1 cm/min erzielt. Der Abstand (1) beträgt je nach Tropfengröße und -zahl
50 bis 150 mm. Der Abstand (2) hängt ebenfalls von der Tropfengröße und -zahl, aber auch von der chemischen
Zusammensetzung der Gießlösung ab. Bei Verwendung von Lösungen, die mit Ammoniak sehr schnell reagieren
(z. B. über Ionenreaktionen), genügt ein Fallweg von
etwa 150 bis 300 mm, bei Solen, Emulsionen oder Suspensionen kann der Fallweg wegen der verringerten
Reaktionsgeschwindigkeit, z. B. über elektrische Umladung
oder Diffusion, auch einen bis mehrere Meter betragen.
Im Fallrohr (4) können auch mehrere Düsen (8)
parallel nebeneinander angeordnet werden. Solange diese Düsen genügend weit voneinander angeordnet
sind (5 bis 10 mm), daß sich ihre Teilchenströme nicht gegenseitig beeinflussen, ist der angegebene Wert der
Ammoniakgasgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der gebildeten Tropfenoberfiäche pro Minute unabhängig
von der Anzahl der eingesetzten Düsen.
Als Gießlösungen können bei dem erfindungsgemä-Ben Verfahren zur Partikelherstellung in bekannter
Weise echte Lösungen, Emulsionen oder Sole verwendet werden. Falls karbidische Partikeln erzeugt werden
sollen, müssen Ruß oder andere feindisperse Kohlenstoffpulver in Suspension in der Gießlösung enthalten
sein. Auch können der Gießlösung eine oder mehrere organische Substanzen zugemischt werden, die als
Füller, Binder und Tropfen-Stabilisator dienen.
In den folgenden vier Beispiel ist die Herstellung von drei Teilchensorten gemäß der Erfindung näher
beschrieben: Beispiel 1
1 1 einer wäßrigen Lösung, die 120 g Thorium als Thoriumnitrat und 40 g Polyvinylalkohol (PVA) enthielt,
wurde durch eine Düse vom Durchmesser 1,2 mm gedrückt. Durch Einwirkung eines Oszillators auf die
Flüssigkeit quer zur Strömungsrichtung wandelte sich der auslaufende Strahl infolge erzwungener harmonischer
Schwingungen in der Luftfallstrecke (1) in diskrete, uniforme Tropfen um. Die Tropfen wurden,
nachdem sie nach 120 mm Fallweg genaue Kugelform angenommen hatten, in der Fallstrecke (2) mit
Ammoniakgas abgefangen und nach weiteren 220 mm Fallweg in Ammoniaklösung als sphärische Teilchen
gesammelt. Der Abstand (3) des Ammoniakgaseinleitungsrohres zur Ammoniakoberfläche betrug 100 mm
und das Verhältnis der Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeiten im Einleitungsrohr (6) und Fallrohr (4)
100:1.
Der Durchfluß betrug 53,8 cm3 Gießiösung pro Minute, dabei wurden pro Minute 5936 uniforme Tropfen mit einer Gesamtoberfläche von 1255 cm2 erzeugt. Die Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeit im Fallrohr (4) betrug 318 cm/min, entsprechend 0,25 cm/min pro 1 cmVmin neu gebildeter Tropfenober-
Der Durchfluß betrug 53,8 cm3 Gießiösung pro Minute, dabei wurden pro Minute 5936 uniforme Tropfen mit einer Gesamtoberfläche von 1255 cm2 erzeugt. Die Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeit im Fallrohr (4) betrug 318 cm/min, entsprechend 0,25 cm/min pro 1 cmVmin neu gebildeter Tropfenober-
4s fläche.
Die sphärischen Teilchen wurden gewaschen, getrocknet
und durch thermische Behandlung zu ThO2-Kügelchen
gesintert. Aus der Thorium-Konzentration der Gießlösung, dem Durchfluß und der Teilchenzah!
so pro Minute berechnet sich der zu erwartende ThO2-Kerndurchmesser bei 100% theoretischer Dichte
zu 616 μπι und das Gewicht pro Teilchen zu 1,223 mg.
Die entsprechenden Meßwerte stimmten mit den berechneten Werten gut überein:
Geinessen | Berechnet | |
Eingestellte DurchflcS- | ||
menge(cm3/min) | 533 | |
Th-Gehaltder | ||
Flüssigkeit (g/l) | 120 | |
Tropfenzahl/min | 5936 | 6000 |
ThO2-Kerndichte | ||
(% th. Dichte) | 99 | 100 |
Mittlerer ThOrKem- | ||
durchmesser(um) | 617 | 616 |
Mittleres ThO2-Kern- | ||
gewicht (mg) | 1,215 | 1,223 |
5
In Übereinstimmung mit diesen Meßwerten ergab die Siebanalyse eine Ausbeute von 97,2% im Bereich
595—630 μηι bzw. von 99,1 % im Bereich 580—630 μιη;
der Rest bestand aus Über- und Unterkorn.
Es wurde die Kugelform der Teilchen mikroskopisch s untersucht und ermittelt, daß das Verhältnis von
größtem zu kleinstem Durchmesser bei 80% aller Teilchen kleiner als 1,05, bei den restlichen 20% kleiner
als 1,10 war.
Beispiel 2 '°
Eine Lösung mit einem Gehalt von 100 g/l Thorium als Thoriumnitrat, 20 g/l Uran als Uranylnitrat und
40 g/l PVA wurde über 6 Strömungsmesser 6 Düsen vom Durchmesser 0,8 mm zudosiert. Die ausfließenden
6 Flüssigkeitsstrahlen zerfielen in je 12 000 Tropfen pro Minute, die wie in Beispiel 1 in Ammoniakgas verfestigt,
in Ammoniaklösung aufgefangen und dann in ThÜ2 · UC^-Mischoxid-Kügelchen umgewandelt wurden.
Die Luftfallstrecke (1) betrug 130 mm, die Ammoniakgasfallstrecke (2) 160 mm und der Abstand
(3) des Amrmoniakgaseinleitungsrohres zur Ammoniaklösungs-Oberfläche
50 mm.
Die Durchflußmenge je Düse wurde auf 32,0 ±0,8 cmVmin eingeregelt, dies entspricht bei 12 000
Tropfen einer Oberfläche von 1115 cm2 pro Minute und
Düse an neu gebildeten Tropfen, welche durch den eingestellten Ammoniakgasstrom von 318 cm/min im
Fallrohr verfestigt wurden. Die Ammoniakgasströmungsgesjhwindigkeit
je 1 cmVmin neu gebildeter Tropfenoberfläche pro Düse lag somit bei 0,29 cm/min,
wobei allerdings sichergestellt sein muß, daß sich die Düsen bzw. Teilchenströme in der Fallstrecke nicht
gegenseitig beeinflussen.
Nach vorstehender Gleichung berechnet sich der zu erwartende ThO2 ■ UO2-Kerndurchmesser aus den
genannten Werten zu 411±3μπι bei 100% der
theoretischen Dichte und das Kerngewicht zu 0,363 ± 0,008 mg. Die statistische Auswertung anhand
von 300 gesinterten Kernen ergab einen mittleren Durchmesser von 410 μπι und eine Standardabweichung
von 7,5 μιη. Das (Th, U)O2-Kerngewicht wurde zu
0,3594 mg und die Dichte zu 9,96 g/cm3 bestimmt, das sind 98% der theoretischen Dichte. Die Ausbeute der
Siebfraktion 354—425 μιη lag bei 98,9%, der Rest von
1,1% war Über- und Unterkorn.
Die Teilchen wurden mit Pyrokohlenstoff beschichtet und als Kernbrennstoff eingesetzt.
Bei spi e I 3
Eine wäßrige Lösung, die 180 g/l Thorium als Thoriumnitrat und 25 g/1 PVA enthielt, wurde über 5
Strömungsmesser 5 Düsen vom Durchmesser 1,0 mm zudosiert. Die 5 ausfließenden, gleichmäßig oszillierenden
Flüssigkeitsstrahlen bildeten in Luft je 24 000 Tropfen pro Minute, die wie in Beispiel 1 in
Ammoniakgas abgefangen und in Ammoniaklösung als sphärische Teilchen gesammelt wurden. Die Luftfall·
strecke (1) betrug 80 mm, die Ammoniakgasfallstrecke (2) 150 mm, der Abstand des Ammoniakgaseinleitungs
rohres zur Ammoniakoberfläche (3) 30 mm und da; Ammoriiakgasströmungsverhältnis von Einleitungs- zi
Fallrohr 120:1. Der Durchfluß je Düse betrug 76,8 cmVmin, entsprechend einer Tropfenoberfläche
von 2525 cmVmin. Die Ammoniakgasgegenströmung wurde auf 255 cm/min eingestellt, daraus resultierte eine
Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeit vor
0,1 cm/min je cm2/min neu gebildeter Tropfenoberfläche
pro Düse.
Die Teilchen wurden gewaschen, getrocknet und zi ThOi-Kügclchen gesintert. Der Durchsatz betrug 943 £
ThOi pro Stunde unc1 Düse. Nach vorstchcndei
Gleichung wurde der Durchmesser der Sinierkerne /1
500 μm bei 100% theoretischer Dichte berechnet
Anhand der statistischen Auswertung von 1 507 Teilcher wurde der mittlere Durchmesser /u 503 μιη bei 14 μιν
Standiirdabweichung bestimmt, die gemessene Dichte lag bei 99.5% der theoretisch möglichen. Bei mehr als
98"/(i der Teilchen war d.is Verhältnis von größtem zi.
kleinstem Durchmesser kleiner als 1.1.
B c 1 1 ρ i c I 4
Knie wäßrige Suspension, die 120 g/1 Uran .ils
Uranylnilrat. 20 g/1 PVA. 180 g/l Harnstoff und 24 g/1
Ruß enthielt, wurde über 2 Strömungsmesser je einer Düse vom Durchmesser 0.25 mm zudosieri. Ähnlich wie
in Beispiel 1 wandelten sieh die beiden oszillierenden llüssigkeitsstrahlen in Luft in uniforme Tropfen um. die
in Ammoniakgas abgefangen wurden und sich soweit verfestigten, daß sie in Ammoniaklösung gesammelt
werden konnten. Die Lufifa list recke (1) betrug 80 mm.
Die Aminoniakgasfallstrccke (2) 280 nun. der Abstand
des Ammoniakgaseinleitungsrohres /ur Ammoniakobcrfläche
(3) 150 mm und das <\mmoniakgasstromungsverhältnis
von Linleitungs- /u I allrohr 120 : I.
Aus jeder Düse flössen pro Minute 23.OcHi'
Gießsuspension, die sich in 72 000 Tropfen/min umwandelten und eine Tropfenoberfläche \on
1635 cm-/min bildeten, für die eine Amnioniakgasgegenströiiuiiig
von 255 cm/min eingestellt wurde. Umgerechnet ergibt dies eine Ammoniakgasströmungsgcschwindigkcit
von 0,16 cm/min für jeden ein3 neu
gebildeter Tropfenoberfläche pro Minute und Düse. Die sphärischen Teilchen wurden gewaschen, getrocknet
und durch thermische Behandlung in IJCVKeine umgewandelt. Bei der /u c; wartenden Dichte von
10.2 g/cm3 (90% der theoretischen Dichte) sollte der
Durchmesser bei 200 um liegen. In Übereinstimmung damit wurde die Kerndichte von 10.4 g/cm3 gemessen
und der mittlere Kerndurchmesscr anhand einer repräsentativen Probe von 100 Teilchen statistisch zu
198 μιη mit der Standardabweichung 7 um bestimmt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 709 621/322
5
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von untereinander gleichen, kugelförmigen Brenn- und/oder Brutstoffpartikeln durch Umwandlung eines aus einer oder
mehreren Düsen fließenden, in Oszillation versetzten Flüssigkeitsstrahls aus Uran- und/oder Thorium
enthaltenden Lösungen, in einer Menge von mehr als 3000 Tropfen pro Minute, wobei diese Tropfen ι ο
zur Ausfällung von Uran- und/oder Thoriumoxyd in eine Ammoniaklösung fallen und anschließend
getrocknet und gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Tropfen vor dem
Eintauchen in die Ammoniaklösung zuerst eine ammoniakgasfreie Fallstrecke durchlaufen, die so
bemessen ist, daß die Tropfen in ihr gerade ihre kugelförmige Gestalt angenommen haben, und
sofort anschließend zur Stabilisierung dieser kugelförmigen Gestalt eine von Ammoniakgas durchströmte
Fallstrecke durchlaufen, wobei das Ammoniakgas mittels eines oder mehrerer Einleitungsrohe
so in diese Fallstrecke eingeleitet wird, daß neben einer der Tropfenfallrichtung entgegengesetzten
Ammoniakgasströmung auch eine horizontale Quer-Strömungskomponente des Ammoniakgases durch
die Tropfenzwischenräume gewährleistet ist, und diese Fallstrecke so bemessen ist. daß die kugelförmigen
Tropfen vordemEintauchen indieAmmoniaklösung ausreichend aushärten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ammoniakgasstrom entgegen der
Tropfenfallrichtung bei Tropfendurchmesser zwischen 0,5 und 2,5 mm eine Strömungsgeschwindigkeit
von 0,05 bis 2 cm/min je cm2/min neu gebildeter Tropfenoberfläche und Düse aufweist.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19742459445 DE2459445C3 (de) | 1974-12-16 | Verfahren zur Herstelung von kugelförmigen Brenn- und Brutstoffpartikeln | |
IT69979/75A IT1051330B (it) | 1974-12-16 | 1975-12-03 | Procedimento per la fabbricazione di particelle sferiche di combusti bile e fertilizzante nucleare |
US05/638,662 US4060497A (en) | 1974-12-16 | 1975-12-08 | Process for the production of spherical fuel and fertile particles |
GB50579/75A GB1525950A (en) | 1974-12-16 | 1975-12-10 | Process for the production of spherical nuclear fuel and/or fertile particles |
FR7538542A FR2295534A1 (fr) | 1974-12-16 | 1975-12-16 | Procede de preparation de particules spheriques de combustible et de matiere fertile |
JP50150093A JPS6124675B2 (de) | 1974-12-16 | 1975-12-16 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19742459445 DE2459445C3 (de) | 1974-12-16 | Verfahren zur Herstelung von kugelförmigen Brenn- und Brutstoffpartikeln |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2459445A1 DE2459445A1 (de) | 1976-07-08 |
DE2459445B2 DE2459445B2 (de) | 1976-10-14 |
DE2459445C3 true DE2459445C3 (de) | 1977-05-26 |
Family
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