DE2741820C3

DE2741820C3 - Process for the production of PuO2AJO2 nuclear fuel

Info

Publication number: DE2741820C3
Application number: DE2741820A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Ing. 8752 Kleinostheim Ennerst; Peter Dr.Rer.Nat. 6458 Rodenbach Funke; Rainer 8737 Karlstein Loeb
Original assignee: Alkem GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-09-16
Filing date: 1977-09-16
Publication date: 1981-02-12
Also published as: DE2741820B2; DE2741820A1; BE870516A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von PuO₂/UO₂-Kernbrennstoffen, die in Salpetersäure löslich sind. Neben Uran 235 ist bekanntlich auch das aus abgebrannten Brennelementen gewonnene Plutonium in thermischen Kernreaktoren spaltbar. Zu diesem Zweck wird es als Plutoniumdioxid dem Urandioxid beigemischt und mit diesem zusammen zu Tabletten verarbeitet, siehe z. B. die DE-AS 1938470 und die GB-PS 1239269.The present invention relates to a method for producing PuO ₂ / UO ₂ nuclear fuels which are soluble in nitric acid. In addition to uranium 235, the plutonium obtained from spent fuel elements can also be fissioned in thermal nuclear reactors. For this purpose it is added to the uranium dioxide as plutonium dioxide and processed together with this into tablets, see e.g. B. DE-AS 1938470 and GB-PS 1239269.

Weiterhin sind beispielsweise aus der DE-AS 1571343 Verfahren zur Herstellung von Actinidenmischoxiden bekanntgeworden, nach denen durch eine besondere Temperatur- und Gasführung die Ausbildung der gewünschten Oxidationsstufen erreicht wird. Dabei ist auch vorgesehen, zur Verringerung des Schrumpfen der erzeugten Kernbrennstofftablctten, diese erneut zu mahlen und unter Zusatz von Rohpulver erneut zu sintern.Furthermore, from DE-AS 1571343, for example, there are processes for the production of actinide mixed oxides became known, according to which the Formation of the desired oxidation states is achieved. It is also intended to reduce the shrinkage of the nuclear fuel tablets produced, grind them again and sinter them again with the addition of raw powder.

Die Wiederaufarbeitung eines derartigen Kernbrennstoffes, die in dem erwähnten Stand der Technik nirgends angesprochen wird, stößt jedoch auf Schwierigkeiten, da das Urandioxid in Salpetersäure löslich ist, für die Auflösung des Plutoniumdioxid.s dagegen noch ein Zusatz von Flußsäure notwendig ist. Γη Anbetracht der schwierigen Handhabung der Flußsäure ist man bestrebt, diese aus dem Wiedcraufarbcilungsprozcß tunlichst herauszuhalten.The reprocessing of such a nuclear fuel, which is not addressed anywhere in the prior art mentioned, however, encounters difficulties Since the uranium dioxide is soluble in nitric acid, it is for the dissolution of the plutonium dioxide the addition of hydrofluoric acid is also necessary. Γη considering Because of the difficult handling of hydrofluoric acid, efforts are made to remove it from the re-coloring process to stay out of it as much as possible.

Hs stellte siehilHhcrdit Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für Kernbrennstofftabletten zu finden, in denen UO, und PuO, enthalten sind und bei der Wiederatifiirbeitung stuf die Verwendung von Flußsiiure verzichtet werden kann. Dies auf der (irinulla^i <Ut IiItMiChC >liiL'i ein Plutonium und Unin enthaltender Mischki isl.ill ,ilk'in in Salpeteisauie ohne weitere Zu-Niii/i Insliih ist. Wi iiei hin sollte die Möglichkeit pefjel >i-ii -λ .Ii ml eint.ulic und radom lic Weise Kernbrennstoffe mit unterschiedlichen einstellbaren Plutoniumdioxidgehalten herzustellen.Hs presented siehilHhcrdit task, a manufacturing process for nuclear fuel tablets containing UO, and PuO, and for recycling step the use of hydrofluoric acid can be dispensed with. This on the (irinulla ^ i <Ut IiItMiChC > liiL'i a containing plutonium and unin Mischki isl.ill, ilk'in in Salpeteisauie without further additions Insliih is. Wi iiei should be able to pefjel > i-ii -λ .Ii ml eint.ulic and radom lic way nuclear fuel with different adjustable plutonium dioxide contents.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einem Verfahren, das nach folgenden Schritten abläuft:According to the invention, this object is achieved in a method which has the following steps expires:

a) Mischen von Urandioxid- und Plutoniumdioxidpulver, wobei der Anteil des Plutoniumdioxids 15 bis 5<)Gew.% beträgt.a) Mixing uranium dioxide and plutonium dioxide powder, with the proportion of plutonium dioxide 15 to 5% by weight.

b) Herstellung von Mischoxidgranulat durch Kugelmahlen. Pressen, Granulieren.b) Production of mixed oxide granules by ball milling. Pressing, granulating.

c) Pressen und Sintern dieses Granulates sowie erneutes Kugelmahlen, Pressen und Granulieren.c) pressing and sintering of this granulate as well as renewed ball milling, pressing and granulating.

d) Mischen dieses Granulates mit einem UO,-Granulat zur Einstellung des gewünschten UO₁/ PuO₁-Verhältnisses.d) Mixing this granulate with a UO, granulate to set the desired UO ₁ / PuO ₁ ratio.

e) Weiterverarbeitung dieser Mischung zu Kernbrennstofftabletten usw. nach an sich bekannten Methoden.e) Further processing of this mixture into nuclear fuel tablets etc. according to known methods Methods.

Der Verfahrensschritt a) besteht also darin, daß zunächst UO₁- und PuO,-Pulver gemischt werden, wobei der Anteil des PuO₂ ziemlich hoch liegt. Ein Kernbrennstoff dieser Zusammensetzung wäre z. B. bereits für schnelle Kernreaktoren verwendbar. Für thermische Kernreaktoren dagegen ist ein wesentlich geringerer Anteil des Plutoniumdioxids notwendig.Process step a) therefore consists in initially _{mixing UO 1} and PuO, powder, the proportion of PuO _{2 being} quite high. A nuclear fuel of this composition would be e.g. B. can already be used for fast nuclear reactors. For thermal nuclear reactors, on the other hand, a significantly lower proportion of plutonium dioxide is required.

Der Verfahrensschritt b) macht aus diesen gemischten Pulvern sogenannte Granulate. Die Herstellung dieser Granulate beruht darauf, daß die einzelnen Bestandteile in möglichst fein gemahlenem Zustand innig miteinander in Verbindung gebracht werden, so daß unter Einwirkung der Temperatur beim Sintern der gewünschte Einbau des Plutoniums in die Urandioxidkristalle durch Diffusion, also die Ausbildung der Mischkristalle vonstatten gehen kann.Process step b) turns these mixed powders into so-called granulates. The production these granules are based on the fact that the individual components are as finely ground as possible are intimately brought into connection with each other, so that under the action of the temperature during sintering the desired incorporation of the plutonium into the uranium dioxide crystals by diffusion, i.e. the formation the mixed crystals can take place.

Der Verfahrensschritt c) sieht eine weitere Vervollkommnung der Mischkristallbildung und damit Verbesserung der Löslichkeit bei einer späteren Wiederaufarbeitung durch Pressen und Sintern der Granulate sowie erneutes Kugelmahlen, Pressen und Granulieren vor. Dieser an sich bekannte Vorgang ist sehr zeitaufwendig, so daß die Herstellung eines Mischoxidkernbrennstoffes mit niedrigerer Plutoniumanreicherung äußerst kostspielig ist.The process step c) sees a further improvement of the mixed crystal formation and thus Improvement of the solubility in a later reprocessing by pressing and sintering the granules as well as ball milling, pressing and granulating again. This process is known per se very time-consuming, so that the production of a mixed oxide nuclear fuel with lower plutonium enrichment is extremely costly.

Aus diesem Grunde wird nach der vorliegenden Erfindung zunächst ein hoch an Plutonium angereicherter Misclibrennstoff hergestellt, so daß der Aufwand wegen Verringerung der unter Pu-Bedingungen zu verarbeitenden Menge drastisch reduziert werden kann.For this reason, according to the present invention, a high concentration of plutonium is first used Miscli fuel produced so that the expense due to reduction in under Pu conditions The amount to be processed can be drastically reduced.

Im Verfahrensschritt d) wird sodann zur Erzeugung eines Mischbrennstoffes mit geringerem Plutoniumgehalt dieses Mischoxid-Granulat mit einem Urandioxidgranulat bis zur Einstellung des gewünschten UOj/PuO,-Verhältnisses gemischt. Beide Granulate sollen in etwa die gleiche Korngröße haben, damit eine einwandfreie Mischung erzielt wird und auch nicht durch evtl. Transportvorgänge die Gefahr einer tcilwciscn Wiederentmischung besteht.In process step d), a mixed fuel with a lower plutonium content is then generated this mixed oxide granulate with a uranium dioxide granulate until the desired setting UOj / PuO, ratio mixed. Both granules should have roughly the same grain size so that a perfect mixture is achieved and also not due to possible transport processes there is a risk of partial damage Re-segregation exists.

Dieses gemischte Granulat wird anschließend im Schritt c) /u Kcrnbrcnnstufflublcticn nach an sich bekannten Methoden wieder weilerverarbeitet, also gepreßt und gesintert, geschliffen usw. These mixed granules are then in step c) / u Kcrnbrcnnnstufflublcticn according to known per se Methods again processed, i.e. pressed and sintered, ground, etc.

Bei der 1 )urchf iihrung dieses Verfahrens ist es dabei /weckmiiUig. daß das Verfahrensproihikt nach Schrill b). also das an Plutonium hoch koii/. nlrierte Mischoxiilgraiiulat. Ii. /in jeweiligen Wilerverarbcilimg zu Kcinl'icnnsUilfcn der μι- iiiisihtcn evtl. tihlcisihicdlk heu i'liitiiniiimuchallt. /\s ischcimclaucrtIt is included in the 1) implementation of this procedure / awckmiiUig. that the procedural proihikt after Shrill b). So that on Plutonium high koii /. irated Mixed oxide granulate. Ii. / in respective Wilerverarbcilimg for the purpose of the μι- iiiisihtcn, possibly tihlcisihicdlk heu i'liitiiniiimuchallt. / \ s ischcimclaucrt

wird. Dieses Zwischenprodukt kann sowohl für die Fertigung von Kernbrennstoffen für schnelle Reaktoren, als auch für thermische Reaktoren weiterverarbeitet werden. Da infolge der hohen Plutoniumkonzentration im Verhältnis zum endgültig erzeugten thermischen Kernbrennstoff relativ kleine Volumina an dem Zwischenprodukt erforderlich sind, bereitet die Lagerung desselben keine besonderen Schwierigkeiten. Das gleiche gilt auch für die Weiterverarbeitung, die in bekannter Weise innerhalb der schützenden abschirmenden Handschuhkasten erfolgen muß. Daraus geht außerdem hervor, daß die Einstellung des Uran-Plutoniumgehaltes der Brennstoffmischungen je nach Auftragsspezifikation unmittelbar vor der Tablettenfertigung vorgenommen werden kann.will. This intermediate product can be used for the production of nuclear fuel for fast reactors, as well as for thermal reactors. As a result of the high concentration of plutonium relatively small volumes in relation to the final thermal nuclear fuel produced are required on the intermediate product, the storage of the same presents no particular difficulties. The same also applies to further processing, which is carried out in a known manner within the protective shielding glove box. It also shows that the setting of the Uranium-plutonium content of the fuel mixtures, depending on the order specification, immediately before the tablet production can be made.

Abschließend sei erwähnt, daß sich die Uran-Plutoniumoxidmischkristalle auch durch das Zusammenführen von Uran- und Plutoniumlösungen, soweit letztere kein Fluor enthalten, herstellen lassen. Die festen Kernbrennstoffe werden aus diesen Lösungen in an sich bekannter Weise z. B. mit dem Sol-Gelverfahren erzeugt und in Granulatform gebracht, da diese für eine stabile Mischung mit Urandioxidgranulat notwendig ist.Finally it should be mentioned that the uranium-plutonium oxide mixed crystals can also be produced by combining uranium and plutonium solutions, provided the latter do not contain fluorine. the solid nuclear fuels are z. B. with the sol-gel process and brought into granulate form, as this is necessary for a stable mixture with uranium dioxide granulate is.

Claims

Patent claims:

1. Process for the production of PuO, in specified RO, nuclear fuels containing quantities, soluble in nitric acid through the following steps:

a) Mixing UO ₁ and PuO ₁ powder, the proportion of PuO ₁ IS being up to 50% by weight.

b) Production of mixed oxide granules by ball milling. Pressing, granulating.

c) pressing and sintering of this granulate as well as renewed ball milling, pressing and granulating.

d) Mixing this granulate with a UO ₁ granulate to set the desired UO, / PuO, ratio.

e) Further processing of this mixture into nuclear fuel tablets etc. according to per se known methods.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the process product after step d) - mixed oxide granules - up to the respective Further processing into nuclear fuel tablets, possibly with different plutonium content, if desired is temporarily stored.