DE2547245B2

DE2547245B2 - Verfahren zur Herstellung von keramischen Kernbrennstoff-Pellets

Info

Publication number: DE2547245B2
Application number: DE2547245A
Authority: DE
Inventors: Eugene J. Murrysville Pa. Kosiancic (V.St.A.)
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1975-02-10
Filing date: 1975-10-22
Publication date: 1979-05-03
Also published as: CA1023923A; SE415216B; IL48218A0; JPS5632265B2; NL183551C; GB1471811A; AT359614B; SE7512037L; FR2300399B1; NL7510464A; BE834845A; JPS51109007A; IL48218A; FR2300399A1; US4016226A; ATA786075A; BR7506836A; DE2547245A1; IT1069776B; ES442246A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramichen Kernbrennstoff-Pellets mit bestimmter, gleichmäßiger Porösität, bei dem keramisches Kernbrennntoffpulver mit einem Zusatz, der einen hohen Gehalt an einem bei Wärmebehandlung flüchtigen Bestandteil enthält, gemischt wird, die Mischung zu Pellets gepreßt wird und die Pellets anschließend gesintert werden. Es sind bereits eine größere Anzahl von Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoff-Pellets bekannt Alle diese Verfahren haben es nicht vermocht, ein Erzeugnis zu schaffen, das im Reaktorbe- ω trieb als zufriedenstellend bezeichnet werden kann.

Beim Reaktorbetrieb werden einzelne Urandioxydpellets oder andere Kernbrennstoff-Pellets in ein schlankes, aus Metall bestehendes Hohlrohr gefüllt und darin eingeschlossen. Ein solcher Brennstab gehört zu J5 einer Anzahl ähnlicher Stäbe, die eine Ansammlung von spaltbarem Material ausreichender Konzentration bilden, um die Spaltreaktionen im Kern eines Atomreaktors aufrechtzuerhlaten.

Die bekannten Kernbrennstoff-Pellets neigen dazu, ihre Maße zu ändern. Dadurch platzt das umschließende Metallrohr oder bricht zusammen und es werden radioaktive Spaltprodukte freigegeben. Radioaktives Gas, das innerhalb der Pellets erzeugt wird, muß auch in einen leeren Raum innerhalb der Stabkonstruktion 4s entweichen können, um dadurch sicherzustellen, daß die einzelnen Pellets unbeschädigt bleiben.

Deshalb ist es das Bestreben gewesen, die Auswirkungen des Aufquellens von Brennstoff-Pellets zu überwinden. Grundsätzlich sind diese Lösungen darauf ausgerichtet ein Brennstoff-Pellet mit einer geeignet geringen Dichte herzustellen, das durch eine kontrollierte und gleichmäßig verteilte Porösität gekennzeichnet ist. Dei idealer Ausgestaltung sollen derartige Pellets mit geringer Dichte die Brennstoffaufqueilung auch unter schwierigen Reaktordruck-, -temperatur- und -strahlungsverhältnissen aufnehmen.

So ist es bereist bekannt, einen flüchtigen Zuschlagstoff mit dem pulverförmiger! Kernbrennstoff zu verbinden. Beim Erhitzen, wodurch der pulverförmige «1 Brennstoff zu einer Masse sintert oder verschmelzen soll, sollen die fluchtigen Bestandteile verdampfen und auf diese Weise eine starke, aber poröse Pelltstruktur erzeugen. Leider hinterläßt dieser Verflüchtigungsprozeß einen unerwünschten Rückstand innerhalb der Poren oder ein unbefriedigend kleines Porenvolumen.

Es ist ebenfalls bereist ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten, keramischen Kerubrennstoffpellets bekanntgeworden (US-PS 31 14 689) bei dem Kernbrennstoffpulver mit einer bestimmten Menge eines kollodialen Plutonium-Polymers als Gel gemischt wird. Während des Sinterns wird das Plutonium in Plutoniumdioxyd umgewandelt

Ein Brerjistoffkugel-Gel mit gleichmäßiger Kugelgröße herzustellen ist aus der DE-OS 24 23 049 bekannt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten, keramischen Brennstoffpellets mit einer bestimmten Porosität zu schaffen, bei dem keine unerwünschten Rückstände nach der Sinterung verbleiben und bei dem eine gleichmäßige Porosität gesichert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Herstellung von keramischen Kernbrennstoffpellets mit gleichmäßiger Porosität dadurch gelöst, daß das Kernbrennstoffpulver mit einer bestimmten Menge hohler Kugeln aus einem Epoxydharz oder mit an sich bekannten Urandioxyd-Gel-Kugeln gemischt wird.

Selbstverständlich müssen die Vor- und Nachteile eines jeden Brennstoffherstellungsverfahrens ausgeglichen sein, da es bisher kein Verfahren gibt, das als vollkommen zu bezeichnen ist Die Verwendung von Epoxydkugeln kann einen bestimmten kleinen Anteil von Kohlenstoff als Rückstand hinterlassen, jedoch wird dieser kleine Nachteil erheblich durch die vorherbestimmte Porosität in bestimmten technischen Anwendungsfällen mehr als aufgewogen.

Diese Maßnahme gemäß der Erfindung sichert eine gleichmäßige Porenverteilung, wobei jede Pore ein festgelegtes bestimmtes Volumen hat, das insgesamt einen vorher festgeigten Porenanteil für jedes Pellet ergibt

Im einzelnen wird in Verbindung mit dem Verdampfungsverfahren ein sinterfähiges Urandioxyd (UO₂J-Keramikpulver entweder mit Epoxydharzkügelchen oder mit einer bestimmten Menge von UOz-Gel-Kugeln gemischt Diese Gel-Kugeln sind im wesentlichen kleine UOrTeilchen, die von Wasser umgeben sind. Dabei wird eine Pelletpreßform mit einem einigermaßen gleichmäßigen Gemisch aus diesem Aufgabengut gefüllt Das Material in der Form wird bei einem Druck zwischen 700 und 28000 kg/cm gepreßt Das vorgepreßte oder »grüne« Pellets wird dann aus der Form entfernt und bei Temperaturen in einem Bereich von 1200⁰C bis 1650° C gesintert um stabile Pellets aus Kernbrennstoff mit geringer Dichte zu bilden. Während des Sinterns verdampft Wasser aus dem Gel und die Gelkugeln erfahren eine lineare Schrumpfung von etwa einem Drittel des Kugelradius, wodurch ein effektives Porenvolumen von 70% erzeugt wird.

In dieser Beziehung erhält man mehrere weitere Vorteile. Die gesinterten Gelkugeln passen vollständig zu den schweren Elementkonzentrationen, keine Verschmutzungen werden dem System hinzugefügt und eine ausgezeichnete Teilchengrößenkontrolle wird erreicht was zu einer größeren Porositätskontrolle führt

In einer ähnlichen Weise in bezug auf die Vergasung werden gemäß der Erfindung aus Epoxydharz winzige Hohlkugeln, die Dichten von ungefähr 40% ihrer theoretischen Maximaldichte aufweisen, mit dem Kernbrennstoffpulver gemischt, um ein einwandfreies Gesamtpulver und eine Dichte zu erreichen, die durch eine im wesentlichen gleichmäßige Porositätsverteilung innerhalb des gesamten Gemisches gekennzeichnet ist. Die Kombination aus Pulver und Hohlkugeln wird zu

den üblichen Pellets verdichtet und gebrannt, um das Brennstoffpulver zu sintern und Epoxydharzkugeln zu verflüchtigen, damit ein geeignetes stabiles Produkt mit geringer Dichte hergestellt wird.

Epoxydharzkugeln sind am besten für diesen Fall geeignet, weil bei erhöhten Temperaturen das Epoxyd zu Kohlenmonoxyd (CO) und Kohlendioxyd (CO₂) verflüchtigt und nur Kohlenstoff als Schmutzstoff in den Brennstoffpellets zurückbleibt

Es ist außerdem festgestellt worden, daß nicht nur eine gleichmäßigere Porosität in den Brennstoffpellets hergestellt wird, sondern auch, daß die Dichte des gesinterten Produkts durch eine geeignete Wahl der Kugelgrößen kontrolliert werden kann.

Zum Verständnis der Erfindung wird nachstehend ein Tabelle 1 - Pelletdaten

bestimmtes Beispiel aus der Anwendung des Erfindungsgedankens beschrieben.

Grace-Davison UO2 Keramikpulver wurde mit vorher bestimmten UOrGelkugel-Mengen vermischt In diesem Zusammenhang hatten die zur Verwendung gekommenen Gelkugeln einen Durchmesser von etwa 800 Mikron in einer Versuchsreihe und von etwa 30 Mikron in einer anderen Versuchsreihe. Die Pellets wurden bei Drücken von 700 bis 2800 kg/cm vor dem Sintern gepreßt Die Pellets wurden dann gesintert; als Teil des Sinterverfahrens werden etwa 30% der UO2 umgebenden Gelsubstanz verdampft oder zerstreut, wodurch in dem gesinterten Pellet eine poröse Struktur verbleibt Die Versuchsdaten dieser Pellets werden nachstehend zusammengestellt:

Pelletanzahl	Gew.-% Kugeln	KugelgröBe	Preßdruck	Dichte im grünen	Dichte im gesin
				Zustand	terten Zustand
		Mikron	psi	(% theoretische	(% theoretische
				Dichte)	Dichte)
4	20	800	10000	41,3	_
5	20	800	10000	40,0	-
6	20	800	10000	39,7	-
7	20	800	10000	38,8	-
8	20	800	10000	37,6	-
9	20	800	10000	39,1	-
10	20	800	10000	40,2	-
U	20	800	10000	43,5	-
16	20	fTO	10000	36,4	74,3
17	20	800	10000	39,8	74,5
18	20	800	20000	42,8	83,5
19	20	800	20000	44,4	85,3
20	20	30	20000	42,0	8i,7
21	20	30	20000	41,8	80,4
22	20	30	30000	47,4	84,8
12	10	800	20000	44,3	76,5
13	10	800	20000	44,3	85,2
14	10	800	30000	48,3	86,6
15	10	800	30000	47,2	85,2
3	20	800	40000	47,2	-
2	0	-	20000	-	-
1	0	_	20000	47.0	_

Die in der zuvor beschriebenen Weise hergestellten Pellets zeigten, daß Pellets mit geringer Dichte durch dieses Verfahren hergestellt werden und daß die Menge und Größe der Gelkugeln sowie der Preßdruck benutzt werden können, um die Pelletdichte zu ändern. In diesem Zusammenhang werden Gelkugeln, die zur Verwendung in Verbindung mit der Erfindung geeignet sind, vollständiger in »Soll-Gel-Verfahren für keramische Kernbrennstoffe«, Internationale Atomenergiebehörde, Wien, 1968, beschrieben.

Als Epoxydkugeln werden solche von Emerson"Cumine. Ind, aus Canton. Massachusetts, verwendet Diese Hohlkugeln sind vollkommen hol und weisen Dichten von etwa 40% der theoretischen Dichte auf.

Die Epoxydkugeln sind für die Erfindung sehr geeignet, weil das Epoxyd bei erhöhten Sintertemperaturen zusammenbricht und flüchtiges Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd ergibt, wobei nur Kohlenstoff als ein möglicher Schmutzstoff in dem porösen Gefüge verbleibt. Wenn bei dem Sinterverfahren überdies Stickstoffgas verwendet wird und ein hoher Kohlenstoffgehalt in dem Pelletgefüge vorhanden ist, ist auch eine Nitridbildung möglich.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von keramischen Kernbrennstoff-Pellets mit bestimmter, gleichmäßiger Porosität, bei dem keramisches Kernbrennstoffpulver mit einem Zusatz, der einen hohen Gehalt an einem bei Wärmebehandlung flüchtigen Bestandteil enthält, gemischt wird, die Mischung zu Pellets gepreßt wird und die Pellets anschließend gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbrennstoffpulver mit einer bestimmten Menge hohler Kugeln aus einem Epoxydharz oder mit an sich bekannten Urandioxyd-Gel-Kugeln gemischt wird.