DE2921146A1 - METHOD FOR PRODUCING CERAMIC FUEL TABLETS FOR CORE RACTORS - Google Patents

METHOD FOR PRODUCING CERAMIC FUEL TABLETS FOR CORE RACTORS

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DE2921146A1 DE19792921146 DE2921146A DE2921146A1 DE 2921146 A1 DE2921146 A1 DE 2921146A1 DE 19792921146 DE19792921146 DE 19792921146 DE 2921146 A DE2921146 A DE 2921146A DE 2921146 A1 DE2921146 A1 DE 2921146A1
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Description

NüKEM GmbH
6450 Hanau 11
NüKEM GmbH
6450 Hanau 11

Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstofftabletten für Kernreaktoren.Process for the production of ceramic fuel pellets for nuclear reactors.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstofftabletten für Kernreaktoren, die den Spalt- und/oder Brutstoff in oxydischer oder karbidischer Form enthalten, durch Schlagverdichten eines Vorpresslings in einem Gesenk.The invention relates to a method of manufacture of ceramic fuel pellets for nuclear reactors, which convert the fissile and / or breeding material into oxidic or carbide form contained by impact compaction of a pre-press in a die.

Die Brennelemente für Leichtwasserreaktoren (LWR) und schnelle natriumgekühlte Reaktoren (SNR) enthalten den Brenn- und/oder Brutstoff überwiegend in Form gesinterter Tabletten aus Uranoxid oder aus einer Mischung von Uranoxid und Plutoniumoxid. Das Plutonium wird vorwiegend in SNR-Reaktoren verwendet, in beschränkter Menge wird es aber auch in den LWR-Reaktoren anstelle von U-235 eingesetzt. Ferner kommt als Brutstoff auch Thorium infrage. Ausser oxydischem Brennstoff können bei SNR-Reaktoren auch Brennstoffkarbide Zum Einsatz kommen.The fuel elements for light water reactors (LWR) and fast sodium-cooled reactors (SNR) contain the fuel and / or breeding material mainly in the form of sintered tablets made of uranium oxide or a mixture of uranium oxide and plutonia oxide. Plutonium is mainly used in SNR reactors, but it is also used in limited quantities in LWR reactors instead of U-235. Thorium can also be used as breeding material. In addition to oxidic fuel, fuel carbides Z um can also be used in SNR reactors.

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Während die LWR-Brennstofftabletten im allgemeinen eine Höhe von ca. 12 mm, einen Durchmesser von ca. 10 mm und ein Gewicht von ca. 10 g aufweisen, betragen die entsprechenden Daten für SNR-Tabletten im Normalfall 6 mm, 5 mm und 1,3 g.While the LWR fuel tablets in general have a height of approx. 12 mm, a diameter of approx. 10 mm and a weight of approx. 10 g the corresponding data for SNR tablets are normally 6 mm, 5 mm and 1.3 g.

Oxydische Brennstofftabletten werden gewöhnlich aus Uranoxidpulver (UO2) oder aus gemischten Pulveroxiden UO2 und PuO2 durch Pressen, Sintern und Schleifen hergestellt. Die hierfür benötigten pulverförmigen OxideOxide fuel tablets are usually made from uranium oxide powder (UO 2 ) or from mixed powder oxides UO 2 and PuO 2 by pressing, sintering and grinding. The powdery oxides required for this

T5 müssen vor allem besondere Sintereigenschaften besitzen, die sich nur durch aufwendige Herstellungsverfahren erreichen lassen (z.B. DE-PS 1 592 468, DE-AS 1 592 477 oder DE-OS 2 623 977).Above all, T5 must have special sintering properties, which can only be achieved through complex manufacturing processes (e.g. DE-PS 1 592 468, DE-AS 1 592 477 or DE-OS 2 623 977).

Bei der Herstellung von karbidischem Brennstoff wird normalerweise zunächst Uranoxidpulver, oder eine Mischung von Uran-Plutoniumoxid-Pulver, mit Kohlenstoff durch Karboreduktion zu Urankarbid oder zu Uran-Plutonium-Karbid umgesetzt und anschliessend das Reaktionsprodukt zum sinterfähigen Pulver fein , gemahlen. Daraus werden analog dem oxydischen Brennstoff durch Pressen, Sintern und Schleifen Tabletten gefertigt (US-PS 3 236 922).In the manufacture of carbidic fuel, uranium oxide powder, or a Mixture of uranium plutonia powder, with carbon by carbo-reduction to form uranium carbide or to Uranium-plutonium-carbide converted and then the reaction product to fine sinterable powder, ground. Like the oxidic fuel, this is made into tablets by pressing, sintering and grinding (U.S. Patent 3,236,922).

Ferner wurde versucht, oxydische und karbidische Brennstofftabletten durch Heisspressen zu erzeugen. Bei den erforderlichen Temperaturen von mehr als 13000C konnten die Werkstoffprobleme für Matrize und Stempel wirtschaftlich nicht gelöst werden. DieAttempts have also been made to produce oxidic and carbidic fuel tablets by hot pressing. At the required temperatures of more than 1300 ° C., the material problems for the die and punch could not be solved economically. the

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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

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dabei erzielten Maßtoleranzen der Tabletten erforderten trotzdem eine aufwendige Nachbearbeitung. Daher hat dieses Verfahren keine technische Bedeutung erlangt.The dimensional tolerances of the tablets achieved in this way nevertheless required costly post-processing. Therefore this process has achieved no technical importance.

Ausserdem ist "bekannt, die Brennstoff tabletten aus Gelpartikeln herzustellen. Dabei werden die auf nassehemischem Wege gefertigten Gelpartikeln zu Tabletten verpresst und anschliessend durch Sintern auf die Solldichte verdichtet (z.B. DE-OS 2 713 108). addition is "known to produce the fuel pellets from gel particles. The fabricated on nassehemischem paths gel particles are compressed into tablets and then by sintering the compacted target density (for example, DE-OS 2713108).

.._ Dabei erfolgt die Verfestigung der Gelpartikeln im Anschluss an die Ausbildung kugelförmiger Tropfen entweder durch Wasserentzug aus den Tropfen (Sol-Gel-Verfahren), durch Verfestigung in der Gasphase und/oder in einer vorgelegten Plüssigphase mit Ammoniak (GeI-.._ The gel particles are then solidified the formation of spherical drops either by removing water from the drops (sol-gel process), by solidification in the gas phase and / or in a liquid phase with ammonia (gel

^n fällungsverfahren), oder durch innere Zersetzung von im Tropfen gelösten Hilfsstoffen, die Ammoniak freisetzen.^ n precipitation process), or by internal decomposition of auxiliary substances dissolved in the drop, which release ammonia.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren werden Brennstoffpartikeln dadurch hergestellt, dass eine Sehwer-In another known method, fuel particles are deposited produced by the fact that a sight

_,. metallnitratlösung mit härtbaren organischen Stoffen versetzt wird, und die aus dieser Mischlösung gebildeten Tropfen in einer heissen Flüssigkeit bei 70 - 95°C verfestigt werden (OE-PS 267 007 und DE-PS 1 283 199). Problematisch ist dabei, dass eine_ ,. metal nitrate solution with curable organic substances is added, and the drops formed from this mixed solution in a hot liquid 70 - 95 ° C (OE-PS 267 007 and DE-PS 1 283 199). The problem is that a

2Q frühzeitige Reaktion der Mischlösung verhindert werden muss. Dies wird meist dadurch erreicht, dass zur Verlängerung der Reaktionszeit der Mischlösung Inhibitoren zugesetzt werden, z.B. primäre Alkohole, wie Methanol oder Äthanol. Als härtbare organische Sub-2Q premature reaction of the mixed solution can be prevented got to. This is usually achieved by adding inhibitors to extend the reaction time of the mixed solution may be added, e.g., primary alcohols such as methanol or ethanol. As curable organic sub-

oc stanz wird vorzugsweise ein Kunstharz aus einem Gemisch von zwei Komponenten verwendet, und zwar vor-oc punch is preferably a synthetic resin from a mixture used by two components, namely

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zugsweise Resorcin (oder Harnstoff) und Formaldehyd (oder ein anderer Aldehyd). Die Mischlösung wird durch eine Tropfdüse in die heisse Flüssigkeit eingespritzt, die Tropfen sind dann nach einigen Sekunden verfestigt.preferably resorcinol (or urea) and formaldehyde (or another aldehyde). The mixed solution will injected through a drip nozzle into the hot liquid, the drops are then after a few seconds solidified.

Die DE-OS 2 822 387 beschreibt die Herstellung von sphärischen Brennstoffpartikeln durch Vertropfen eines flüssigen Gemisches aus Kernbrennstoffen und Kunstharzkomponenten, mit anschliessender Aushärtung der in einem gasförmigen Medium zu Boden fallenden Tropfen mittels Energiezufuhr durch Strahlung und durch nachfolgende Wärmebehandlung und Sinterung der so gebildeten Teilchen.DE-OS 2 822 387 describes the production of spherical fuel particles by dripping a liquid mixture of nuclear fuel and synthetic resin components, with subsequent hardening of the drops falling to the ground in a gaseous medium by supplying energy through radiation and through subsequent Heat treatment and sintering of the particles thus formed.

Die bisherigen Verfahren zur Herstellung von Brennstofftabletten mit abschliessender Sinterung zur Erzielung der erforderlichen Dichte haben eine Reihe von Nachteilen.The previous processes for the production of fuel tablets with subsequent sintering to achieve the required density have a series of disadvantages.

An die Qualität des Presspulvers bzw. der Gelpartikeln werden hohe Anforderungen bezüglich der Verpressbarkeit, Sinterfähigkeit, Gleichmässigkeit und Reinheit gestellt. Diese Anforderungen lassen sich nur mit aufwendigen Verfahren für die Pulver- bzw. Partikelherstellung erfüllen. Insbesondere bei den auf nasschemischem Wege hergestellten Gelpartikeln oder bei Presspulver fallen Abfallprodukte vorwiegend als kontaminierte wässrige Lösungen in Form von Ammoniumnitrat, Natriuraniti*at oder von entsprechenden Fluorverbindungen an. Diese Abfallstoffe müssen mit aufwendigen Verfahren beseitigt werden,. Bei der Handhabung von Plutonium und aus ThoriumThe quality of the powder or the gel particles there are high requirements in terms of compressibility, Sinterability, evenness and purity. These requirements can be only meet with complex processes for powder or particle production. Especially with the Gel particles produced by wet chemical means or in the case of pressed powder are mainly waste products as contaminated aqueous solutions in the form of ammonium nitrate, sodium uranium or equivalent Fluorine compounds. These waste materials have to be disposed of using complex procedures. When handling plutonium and thorium

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erbrütetem Uran-233 müssen wegen deren Strahlungsgefährdung und Giftigkeit besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, die sehr aufwendig sind und daher die Fertigungskosten zusätzlich verteuern.Breeding uranium-233 has to take special safety precautions because of its radiation hazard and toxicity are taken, which are very expensive and therefore increase the manufacturing costs in addition.

'" Hinzu kommt, dass der Sintervorgang ein relativ aufwendiger Arbeitsschritt ist, an den sich das Schleifen der Tabletten anschliesst. "Üblicherweise tritt dabei ein unvermeidlicher Ausschuss durch Abplatzungen auf. Ausserdem entsteht beim Schleifen Abfall, der aus der Schleifflüssigkeit zurückgewonnen werden muss. Dadurch werden die Herstellungskosten verteuert. Andererseits führt das Fällen der SchwermetallSalzlösungen und Auswaschen der Partikeln bzw. des Niederschlags zwecks Ammonsalzentfernung zu unvermeidlichen'"In addition, the sintering process is a relatively complex one The work step is followed by grinding the tablets. "Usually this occurs an inevitable scrap due to flaking. In addition, there is waste from grinding the grinding fluid has to be recovered. This increases the manufacturing costs. On the other hand, the precipitation of the heavy metal salt solutions results and washing out the particles or the precipitate for the purpose of ammonium salt removal to inevitable

Verlusten an Spaltstoffen.Loss of fissile material.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden (P 28 42 402), Brennstofftabletten aus oxydischen Pulvern, gegebenenfalls in Anwesenheit von Graphitpulver durch Formung eines Vorpresslings von 30 bis 60 % theoretischer Dichte mit anschliessender Schlagverdichtung in einem Gesenk unter Vakuum herzustellen. Das Arbeiten mit Pulvern bringt bei diesem Verfahren allerdings einigeIt has also been proposed (P 28 42 402) to produce fuel tablets from oxidic powders, optionally in the presence of graphite powder, by forming a pre-press of 30 to 60 % theoretical density with subsequent impact compression in a die under vacuum. Working with powders, however, brings some benefits with this method

Schwierigkeiten mit sich.
30
Trouble with yourself.
30th

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Brennstofftabletten für Kernreaktoren zu finden, die den Spalt- und/oder Brutstoff in oxvdischer oder karbidischer Form ent-The invention is therefore based on the object of a method for producing fuel tablets for nuclear reactors, which develop the fissile and / or breeding material in oxide or carbidic form.

halten, durch Schlagveröichten eines Vorpresslingshold by blowing a pre-pressed part

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c in einem Gesenk, bei dem die genannten Schwierigkeiten entfallen, und das die Herstellung von Brennstoff tabletten auf wirtschaftliche Weise weitgehend ohne Schrottrückführung sowie ohne Anfall wässriger Abfallprodukte ermöglicht.c in a die in which the aforementioned difficulties omitted, and the production of fuel tablets largely economical without scrap recycling and without the accumulation of aqueous waste products.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Vorpressling aus sphärischen Teilchen geformt wird, die durch Aushärtung von Tropfen, bestehend aus einer wässrigen Lösung der Nitrate der Spalt- und/oder Brut-The object is inventively achieved in that the green compact is formed from spherical particles opfen by curing of T r, consisting of an aqueous solution of the nitrates of the cleavage and / or breeding

ις stoffe und den Komponenten eines härtbaren Kunstharzes ις materials and the components of a curable synthetic resin

ο bei Temperaturen oberhalb 100 C und anschliessender Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 200 und 850 C hergestellt werden. Die so gebildeten Teilchen werden auf bekannte Weise zu Tabletten gepresst und nachο at temperatures above 100 C and subsequent heat treatment at temperatures between 200 and 850 C. getting produced. The particles thus formed are compressed into tablets in a known manner and after

Erhitzen auf Temperaturen über 15000C schlagartig auf Enddimension verdichtet, wobei die Verdichtung und Ausstossung der Tabletten vorzugsweise in weniger als 100 Millisekunden erfolgt. Die Schlagverdichtung kann sowohl unter Vakuum als auch unter Normaldruck oder erhöhtem Druck durchgeführt werden.Heating compressed to final dimension to temperatures above 1500 C 0 abruptly, wherein the compression and expulsion of the tablets is preferably carried out in less than 100 milliseconds. The impact compaction can be carried out under vacuum as well as under normal pressure or increased pressure.

Mit dem erfindungsgemassen Verfahren wird eine Reihe von Vorteilen erzielt.With the inventive method a number of benefits achieved.

on Bei der Teilchenherstellung fallen keine wässrigen nitrat- oder iluorhaltigen Abfallösungen en. Das Schwermetall wird in Form von Nitratlösung während der Tropfenhärtung durch Polymerisation oder Polykondensation von beispielsweise Phenolen mit Forge maldehyd von den verfestigten Partikeln aufgenommen. Bei dieser Art der Partikelerzeugung entstehen in den Tropfen bei der Verfestigung keineon When producing particles, there are no aqueous waste solutions containing nitrate or fluorine. That Heavy metal is in the form of nitrate solution during drop hardening through polymerization or polycondensation for example, phenols with formaldehyde absorbed by the solidified particles. With this type of particle generation, no solidification occurs in the droplets

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Ammoniumsalze. Daher entfällt jeglicher Waschvorgang zwecks Entfernung von Ammoniumsalzen.Ammonium salts. There is therefore no need for any washing process to remove ammonium salts.

Die zum Giessen der Tropfen verwendete Gemischlösung enthält neben dem gelösten Schwermetallnitrat nur die beiden zur Bildung des härtbaren Kunstharzes erforderlichen Reaktionskomponenten, vorzugsweise einen Phenol und einen Aldehyd. Der Aldehyd wird, vorzugsweise als wässrige Formaldehydlösung,erst unmittelbar vor dem Vergiessen zugemischt, damit keine vorzeitige Kunstharzbildung schon vor dem Vertropfen eintritt.The mixture solution used to pour the drops In addition to the dissolved heavy metal nitrate, it only contains the two necessary for the formation of the hardenable synthetic resin Reaction components, preferably a phenol and an aldehyde. The aldehyde is, preferably as an aqueous formaldehyde solution, only immediately mixed in before casting so that no premature synthetic resin formation occurs before dripping.

Vorteilhafterweise wird Gemischlösung auf Temperaturen unterhalb OC gekühlt. Dadurch ist ein Zusatz von Inhibitorsubstanzen unnötig und trotzdem eine ausreichende Sicherheit gegenüber dem Risiko der vorzeitigen Kunstharzbildung gewährleistet. Das Fehlen der Inhibitorsubstanzen hat den weiteren Vorteil, dass die in der OE-PS 267 006 erwähnte Bildung von Dampfblasen aus den als Inhibitor verwendeten niedrigsiedenden Alkoholen beim Tropfenhärten vermieden wird. Dadurch ist eine Gefahr des Aufreissens der Teilchen wirksam beseitigt. Ausserdem wird dadurch der Herstellungsprozess in bezug auf Abfallverminderung wesentlich verbessert,Mixture solution is advantageously brought to temperatures cooled below OC. As a result, the addition of inhibitor substances is unnecessary and still sufficient Security against the risk of premature synthetic resin formation guaranteed. The missing of the inhibitor substances has the further advantage that the formation of vapor bubbles mentioned in OE-PS 267 006 from the low-boiling alcohols used as inhibitors avoided during drop hardening will. This effectively eliminates the risk of the particles tearing open. It also becomes the manufacturing process is significantly improved in terms of waste reduction,

Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist, dass die aus der Reaktionsmischung in an sich bekannter Weise erzeugten Tropfen bei Temperaturen oberhalb 100 C gehärtet werden, vorzugsweise im heissen Dampf eines siedenden Chlorkohlenwasserstoffs, wie Perchloräthylen, oder in überhitztem Wasserdampf von beispielsweise 1500C.A special feature of the invention is that the droplets generated from the reaction mixture in a manner known per se are hardened at temperatures above 100 ° C., preferably in the hot steam of a boiling chlorinated hydrocarbon, such as perchlorethylene, or in superheated steam of for example 150 ° C.

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Durch die Aushärtung oberhalb 100 C wird eine bessere Wärmeübertragung und infolgedessen ein schnelleres Aufheizen der Tropfen im Sekundenzeitraum erreicht. Das schnelle Aufheizen der Tropfen auf Temperaturen oberhalb 100 C kann auch durch Absorption von Strahlungsenergie, wie Infrarotstrahlung oder Mikrowellen, bewirkt werden. Mikrowellen sind dabei besonders geeignet. Hardening above 100 C results in better heat transfer and, as a result, faster Heating of the drops achieved within seconds. The rapid heating of the drops to temperatures above 100 C can also be caused by the absorption of radiant energy such as infrared radiation or microwaves will. Microwaves are particularly suitable here.

Die das Schwermetallnitrat enthaltenden verfestigten Kunstharzpartikeln werden anschliessend einer Wärmebehandlung bei 200 bis 850 C unterzogen. Dieser als Kalzination bezeichnete Vorgang erfolgt beispielsweise zunächst bei Temperaturen bis 600 C unter Inertgas, wobei sich Schwermetalloxide, Kohlenstoff und nitrose Gase bilden. Dabei wird ein Teil des Kohlenstoffs durch die nitrosen Gase oxydiert und in Form von Kohlenoxid aus den Teilchen entfernt.Those containing the heavy metal nitrate solidified Synthetic resin particles are then subjected to a heat treatment at 200 to 850 C. This The process known as calcination takes place, for example, initially at temperatures of up to 600 C under inert gas, heavy metal oxides, carbon and nitrous gases are formed. This is part of the carbon oxidized by the nitrous gases and removed from the particles in the form of carbon oxide.

Von besonderem Vorteil ist, dass die bei der Kalzination entstehenden nitrosen Gase, sofern sie nicht für die KohlenstoffOxydation verbraucht werden, durch Absorption in Wasser und Umwandlung in Salpetersäure rezykliert werden können,indem die Säure wieder zum Auflösen des " Brennstoffs benutzt wird.It is of particular advantage that the nitrous gases produced during the calcination, provided they are not used for the Carbon oxidation is consumed, recycled by absorption in water and conversion to nitric acid by using the acid again to dissolve the "fuel".

Der nach der Kalzination den Partikeln noch vorhandene Restkohlenstoff wird im Falle der Herstellung von oxydischem Brennstoff bei Temperaturen bis zu 85O°C an Luft verbrannt. Zur Herstellung von karbidischem Brennstoff wird der Restkohlenstoff durch BehandlungThe residual carbon still present on the particles after calcination is used in the case of the production of Oxydic fuel burned in air at temperatures up to 85O ° C. For the production of carbide Fuel becomes the residual carbon through treatment

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c mit COo-Gas "bei 85O0C so weit vermindert, dass er für die nachfolgende karbothermische Reaktion zur Karbidbildung ausreicht. Durch diese Wärmebehandlung entsteht ein Material, das sich ohne Schwierigkeiten zu Vorpresslingen verformen lässt. Die Riesel-c with COo gas "at 85O 0 C so far that it is sufficient for the subsequent carbothermal reaction for carbide formation. This heat treatment creates a material that can be formed into pre-pressed parts without difficulty.

IQ fähigkeit der sphärischen Teilchen erleichtert die Verarbeitung beim Vorpressen der Brennstofftabletten, verringert die Staubbildung und reduziert damit die Dosisbelastung der Umgebung erheblich. Das Verpressen der wärmebehandelten Teilchen zu TablettenIQ ability of the spherical particles makes processing easier when pre-pressing the fuel pellets, reduces the formation of dust and thus considerably reduces the dose exposure of the environment. The pressing of the heat-treated particles into tablets

•,ς erfolgt bei einem relativ niedrigen Pressdruck, der so bemessen ist, dass die erhaltenen Vorpresslinge lediglich hantierfähig sind. Forderungen nach engen Toleranzen dür Dichte und Abmessungen der Vorpresslinge entfallen, da die Enddimensionen im Pressgesenk beim•, ς takes place at a relatively low pressure, the is dimensioned in such a way that the pre-pressings obtained can only be handled. Demands for tight Tolerances for density and dimensions of the pre-pressed parts omitted because the final dimensions in the press die at

2Q Heisschlagverdxchten erzielt werden.2Q Heisschlagverdxchten can be achieved.

Die Vorpresslinge mit einer Dichte von 30 bis 60 % der theoretischen Dichte werden in einer Wasserstoffoder Inertgasatmosphäre oder im Vakuum auf Temperaturen über 1000 C erhitzt, um den Endzustand der chemischen Zusammensetzung als Schwermetalloxid oder -karbid zu erhalten.The pre-pressings with a density of 30 to 60 % of the theoretical density are heated in a hydrogen or inert gas atmosphere or in a vacuum to temperatures above 1000 C in order to obtain the final state of the chemical composition as heavy metal oxide or carbide.

Diese vorbehandelten Presslinge werden auf Temperatu— 3Q ren oberhalb 15000C beispielsweise im Vakuum erhitzt, schnell in ein Stahlgesenk überführt, darin schlagartig auf die Enddimension verdichtet und ausgestossen. Das Verdichten und Ausstossen erfolgt innerhalb von 3 bis 100 Millisekunden, das Vakuum beträgt vorzugsweise weniger als 10~ bar. Bei derThese pretreated compacts are at temperatures 3Q ren, for example, heated in vacuum, quickly transferred into a steel die, is suddenly compressed to the final dimension and ejected above 1500 0 C. The compression and ejection takes place within 3 to 100 milliseconds, the vacuum is preferably less than 10 ~ bar. In the

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- Schlagverdichtung wird eine sehr exakte Masshaltigkeit erzielt, so dass eine anschliessende Nachbearbeitung durch Schleifen der Keramikkörper völlig entfallen kann.- Impact compaction becomes a very exact dimensional accuracy achieved, so that a subsequent post-processing by grinding the ceramic body is completely eliminated can.

iQ Dieser Wegfall des sonst üblichen Schleifvorgangs und des beim Schleifen auftretenden Schleifabfalls ergibt eine wesentliche Vereinfachung der Tablettenherstellung. Eine weitere Vereinfachung ergibt das völlige Entfallen der sonst üblichen Sinterbehandlung, bei der bisher die Enddichte der gepressten Keramikkörper .erhalten wurde. Die kurze Zeitspanne im Bereich von Millisekunden, in welcher der Pressling beim Schlagverdichten im Kontakt mit dem Pressgesenk ist, ermöglicht die mehrfache Verwendung eines Stahlgesenkes.iQ This omission of the otherwise usual grinding process and the grinding waste occurring during grinding results in a significant simplification of the tablet production. A further simplification results in the complete omission of the otherwise customary sintering treatment in the previous one the final density of the pressed ceramic body. was obtained. The short period of time in the range of milliseconds, in which the compact is in contact with the press die during impact compaction the multiple use of a steel die.

Die extrem gute Verteilung von Spaltstoff im Brutstoff, gegeben durch die Gemischlösung der Ausgangsstoffe, führt bei dem Erhitzen auf die zum Heisschlagverdichten benötigte Temperatur zu einer vollständigen Mischkristallbildung. Durch das Vorliegen des Mischkristalles ist eine vollständige Löslichkeit des Brennstoffes in reiner Salpetersäure gewährleistet und somit die Auflösung bei der Viederaufarbeitung abgebrannten Brennstoffs wesentlich erleichtert.The extremely good distribution of fissile material in the breeding material, given by the mixed solution of the starting materials, leads to a complete temperature when heated to the temperature required for hot impact compaction Mixed crystal formation. The presence of the mixed crystal ensures complete solubility of the fuel guaranteed in pure nitric acid and thus the dissolution during the reprocessing burned off Fuel much easier.

Alle diese Vorteile fallen besonders ins Gewicht bei einer Refabrikation von Kernbrennstoff aus Viederaufarbeitungsanlagen, so dass eine Refabrikation erheblich erleichtert wird.All of these advantages are particularly important when re-manufacturing nuclear fuel from reprocessing plants, so that a remanufacturing is made considerably easier.

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ς Folgende Beispiele sollen das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutern:The following examples are intended to illustrate the process according to the invention explain in more detail:

Beispiel 1: Herstellung von U02-BrennstofftablettenExample 1: Production of U0 2 fuel tablets

Als Ausgangslösung für die Partikelherstellung diente eine Uranylnitratlösung mit 300 g ü/l, in der als Phenolkomponente Resorcin in einer Menge von 3S0 g/l enthalten war. Diese Lösung wurde auf -5°C gekühlt. Zur Polykondensationshärtung wurde eine auf +5°C gekühlte Formaldehydlösung verwendet, die vor der Tropfenerzeugung in einer Menge von 200 ml je Liter mit der gekühlten Ausgangslösung vermischt wurde, wobei sich eine Temperatur von -3 C einstellte. Die Tropfenbildung erfolgte in an sich "bekannter Weise durch Strahlzerfall der Flüssigkeit beim Ausfliessen aus einer Düse. Die Tropfen vom Durchmesser 0,9 mm fielen in ein Rohr mit Perchloräthylendampf von 1210C und verfestigten sich dort innerhalb einer Sekunde zu kugelförmigen Partikeln. Nach dem Aushärten wurden die verfestigten Partikeln unter Argon bis 5000C bei einer Haltezeit von 3 Stunden kalziniert. Anschliessend wurde der Restkohlenstoff bei 8000C an Luft verbrannt, wobei rieselfähige Partikeln aus IL7O0 gebildet wurden.A uranyl nitrate solution with 300 g / l, which contained resorcinol as phenol component in an amount of 30 g / l, was used as the starting solution for the particle production. This solution was cooled to -5 ° C. For the polycondensation hardening, a formaldehyde solution cooled to + 5 ° C. was used, which was mixed with the cooled starting solution in an amount of 200 ml per liter before the droplets were generated, a temperature of -3 ° C. being established. The drop formation was carried out in per se "known manner by jet breakup of the liquid at the outflow from a nozzle. The droplets of diameter 0.9 mm fell into a tube with Perchloräthylendampf of 121 0 C and solidified there within one second to spherical particles. After After curing, the solidified particles were calcined under argon up to 500 ° C. with a holding time of 3 hours, then the residual carbon was burned in air at 800 ° C., free-flowing particles of IL 7 O 0 being formed.

J O J O

Zur Herstellung der Tabletten wurden die Partikeln bei einem spezifischen Pressdruck von 80 MN/m zu einer Dichte von k,2 g/cm verpresst. Die Presslinge vom Durchmesser 12 mm und der Höhe von 16 mm wurden in reduzierender Vasserstoffatmosphäre bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 250 /hTo produce the tablets, the particles were pressed at a specific pressure of 80 MN / m to a density of k.2 g / cm. The pellets with a diameter of 12 mm and a height of 16 mm were placed in a reducing hydrogen atmosphere at a heating rate of 250 / h

- 14 0300A8/0AA9 - 14 0300A8 / 0AA9

auf 1300 C erhitzt und eine Stunde gehalten. Dabei wurde das U_Og zu UO2 reduziert. Die Presslinge hatten nach dieser Behandlung eine Dichte von weniger als 70 "Jc der theoretischen Dichte. Diese porösen Tabletten wurden im Vakuum von etwa 0,1 bar auf 2300 C erhitzt, in ein Stahlgesenk überführt, darin zwischenheated to 1300 C and held for one hour. The U_Og was reduced to UO 2 . After this treatment, the compacts had a density of less than 70 "Jc of the theoretical density. These porous tablets were heated in a vacuum from about 0.1 bar to 2300 ° C. and transferred to a steel die, between

zwei Preßstempeln bei einem Pressdruck von 400 MN/m auf Enddimension verdichtet und ausgestossen. Das Verdichten und Ausstossen erfolgte in 7 Millisekunden. Die auf Raumtemperatur abgekühlten Tabletten hatten einen Durchmesser von 951 mm und eine Höhe von 9>4 mm·. Die Dichte betrug 10,46 g/cm , was 95»4 % theoretischer Dichte entspricht.two rams compressed to final dimension at a pressure of 400 MN / m and ejected. Compression and ejection took place in 7 milliseconds. The tablets, cooled to room temperature, had a diameter of 9 5 1 mm and a height of 9> 4 mm. The density was 10.46 g / cm, which corresponds to 95 »4 % of the theoretical density.

Beispiel 2: Herstellung von UO2- ThOg-BrennstofftablettenExample 2: Production of UO 2 - ThOg fuel tablets

Zur Herstellung von Partikeln für die Erzeugung von Brennstofftabletten diente eine Ausgangslösuig aus Uranylnitrat mit 180 g U/l und Thoriumnitrat mitA starting solution was used to produce particles for the production of fuel tablets Uranyl nitrate with 180 g U / l and thorium nitrate with

120 g Th/l sowie Resorcin in einer Menge von 345 g/l.120 g Th / l and resorcinol in an amount of 345 g / l.

Der Schwermetallgehalt lag somit bei 60 Gew.% U und 40 Gew.% Th. Nach Zusatz von 180 ml gekühlter 40%iger Formaldehydlösung auf 1 1 Ausgangslösung von -5°C wurden wie in Beispiel 1 verfestigte PartikelnThe heavy metal content was thus 60% by weight U and 40% by weight of theory. After adding 180 ml of cooled 40% formaldehyde solution to 1 1 starting solution of As in Example 1, solidified particles became -5 ° C

erzeugt. Diese Partikeln setzten sich aus Resorcin-Formaldehydharz, in dem die Uranyl- und Thoriumnitratlösung enthalten Avar, zusammen. Durch Kalzinieren unter Stickstoff bis 6000C bei einer Haltezeit vongenerated. These particles are made up of resorcinol-formaldehyde resin, in which the uranyl and thorium nitrate solution contain Avar. By calcining under nitrogen to 600 0 C with a holding time of

4 Stunden wurde das gesamte Nitrat zersetzt und in 354 hours all the nitrate was decomposed and in 35

nitrose Gase umgewandelt. Der Restkohlenstoff ausconverted to nitrous gases. The residual carbon out

- "15 030048/0449 - "15 030048/0449

2921U62921U6

der zersetzten Harzkomponente wurde anschliessend bei 850 C an Luft verbrannt, wobei rieselfähige Partikeln aus einer Mischung von Uran- und Thoriumoxid entstanden.the decomposed resin component was then burned in air at 850 C, whereby free-flowing Particles formed from a mixture of uranium and thorium oxide.

Zur Herstellung der Brennstofftabletten wurden die Partikeln bei einem spezifischen Pressdruck von 120 MN/m zu einer Dichte von ^,1 g/cnr verpresst. Die Vorpresslinge mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Höhe von 15,5 mm wurden dann wie in Beispiel 1 in Wasserstoffatmosphäre zu UO0·ThO0 re- <l <z To produce the fuel tablets, the particles were pressed at a specific pressure of 120 MN / m to a density of 1.1 g / cm 2. The pre-presses with a diameter of 12 mm and a height of 15, 5 mm were then as in Example 1 in a hydrogen atmosphere to UO 0 · ThO re- 0 <l <z

duziert. Die porösen Tabletten mit einer Dichte von weniger als 70 % der theoretischen Dichte wurden im Vakuum von etwa 0,1 bar auf 230O0C erhitzt, in ein Stahlgesenk überführt und darin zwischen zwei Preßstempeln bei einem spezifischen Pressdruck von ι. dues. The porous tablets with a density of less than 70 % of the theoretical density were heated in a vacuum of about 0.1 bar to 230O 0 C, transferred to a steel die and then placed between two rams at a specific pressure of ι.

500 MN/nr auf Enddiraension verdichtet und ausgestossen.500 MN / no. Compacted and ejected on the final dimension.

Das Verdichten und Ausstossen erfolgte in etwa 20 Millisekunden. Die auf Raumtemperatur abgekühlten Tabletten hatten einen Durchmesser von 9,1 mm und eine Höhe von 9,0 mm. Die Dichte betrug 9,97 g/cm , was 9^ijI % theoretischer Dichte entspricht.Compression and ejection took about 20 milliseconds. The tablets, cooled to room temperature, had a diameter of 9.1 mm and a height of 9.0 mm. The density was 9.97 g / cm, which corresponds to 9 % of theoretical density.

Beispiel 3: Herstellung von UO9 · PuOp-Brennstoff- - tablettenExample 3: Production of UO 9 · PuO p -Brennstoff- - tablets

Analog dem Beispiel 2 wurde eine Ausgangslösung für die Partikelherstellung verwendet, die Uranylnitrat mit 180g U/l und Plutoniumnitrat mit 120 g Pu/l sowie 3^5 g/l Resorcin enthielt. Bis auf eine niedrigere Temperatur beim Heißschlagverdichten von 20000CAnalogously to Example 2, a starting solution was used for the particle production which contained uranyl nitrate with 180 g U / l and plutonium nitrate with 120 g Pu / l and 3 ^ 5 g / l resorcinol. Except for a lower temperature during hot impact compaction of 2000 0 C

- 16 —- 16 -

030048/0449030048/0449

2921U62921U6

anstelle von 23OO C "blieben alle anderen Herstellungsparanieter gleich. Die fertigen Tabletten setzten sich aus 6O Gev.% UO0 und 40 Gev.% PuOp zusammen und hatten folgende Eigenschaften:instead of 23OO C "all other manufacturing companies remained the same. The finished tablets were composed of 6O Gev.% UO 0 and 40 Gev.% PuOp and had the following properties:

Durchmesser 9,1 mm9.1 mm diameter

Höhe 8,5 mmHeight 8.5 mm

Dichte 10,80 g/cm , entsprechendDensity 10.80 g / cm, accordingly

96,8 % theoretischer Dichte96.8 % theoretical density

Beispiel 4: Herstellung von UC-BrennstofftablettenExample 4: Manufacture of UC fuel tablets

_i Die Ausgangslösung für die Harzpartj kein enthielt 300 g U/l als üranylnitrat und 380 g/l Resorcin. Diese Lösung wurde auf -7 C gekühlt, dann mit gekühlter 40%iger Formaldehydlösung vermischt und auf -5°C temperiert. Aus der Lösung wurden Tropfen von 0,6 mm Durchmesser erzeugt, die in einem senkrecht stehenden, auf 8000C geheizten Graphitrohr von 100 mm Durchmesser unter Argon innerhalb von 1,5 Sekunden verfestigt wurden. Anschliessend wurden die Teilchen im Ar-Strom bei maximal 500 C und einerThe starting solution for the resin part contained 300 g U / l as uranyl nitrate and 380 g / l resorcinol. This solution was cooled to -7.degree. C., then mixed with cooled 40% formaldehyde solution and heated to -5.degree. Drops of 0.6 mm diameter were produced from the solution, which were solidified within 1.5 seconds in a vertical graphite tube of 100 mm diameter heated to 800 ° C. under argon. Then the particles were in the Ar stream at a maximum of 500 C and one

o0 Haltezeit von 3 Stunden kalziniert. Die chemische Zusammensetzung dieser Partikeln war 47,6 Gew.$ U, 38 Gew.% C und 14,4 Gew.% 0, entsprechend der Zusammensetzung UO0 ,_ · Um die für die Karboreduktion erforderliche stöchiometrische Kohlenstoff-o 0 holding time of 3 hours calcined. The chemical composition of these particles was 47.6 wt. $ U, 38 wt.% C and 14.4 wt.% 0, according to the composition UO 0, _ · To required for the stoichiometric carbon Karboreduktion

oc menge einzustellen, wurden die Partikeln im CO0-Strom bei 8500C behandelt. Danach betrug deroc to adjust the amount, the particles were treated in the CO 0 stream at 850 0 C. After that, the

- 17 -- 17 -

Q30048/0U9Q30048 / 0U9

- 17 -- 17 -

c C-Gehalt 11,6 Gev.% und das O/U-Verhältnis 2,08. Aus den Partikeln wurden "bei einem Pressdruck von ■ 200 MN/m Tabletten mit einer Dichte von 3,8^:g./bnr ί . ■=- gepresst. Die Tabletten wurden anschiiessend auf r~ 175O°C erhitzt, dabei wurde das UO2 Q8 durch Karbo-c C content 11.6 % by weight and the O / U ratio 2.08. From the particles "were carried out at a pressure of ■ 200 MN / m tablets with a density of 3.8 ^: g./bnr ί ■ = - Pressed Tablets were heated finally presented on r ~ 175O ° C, it was the.. UO 2 Q8 through carbon

IQ reduktion zu UC umgesetzt. Die Endverdichtung erfolgte durch Heißschlagverdichten bei einer Temperatur von 2100 C und einem spezifischen Druck von 400 MN/m innerhalb von 10 Millisekunden. Die auf Raumtemperatur abgekühlten Tabletten hattenIQ reduction to UC implemented. The final compaction took place by hot impact compaction at a temperature of 2100 C and a specific pressure of 400 MN / m within 10 milliseconds. the tablets cooled to room temperature

■ic folgende Eigenschaften:■ ic the following properties:

Durchmesser: 7»9 ißni Höhe : 9 > 5 mm Dichte : 12,93 g/cm">, entsprechendDiameter: 7/9 inches Height: 9> 5 mm Density: 12.93 g / cm "> , accordingly

(95 '·' (95 '·'

C-Gehalt : 4,64 Gew.^ C (frei) : 80 ppmC content: 4.64 wt. ^ C (free): 80 ppm

Frankfurt/Main, 9.5.1979
Dr.Br.-Bi
Frankfurt / Main, May 9, 1979
Dr.Br.-Bi

030048/0449030048/0449

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

Claims (6)

2321U6 NÜKEM GmbH 6450 Hanau 11 Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstofftabletten für Kernreaktoren. 15 PATENTANSPRÜCHE2321U6 NÜKEM GmbH 6450 Hanau 11 Process for the production of ceramic fuel pellets for nuclear reactors. 15 PATENT CLAIMS 1. Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstofftabletten für Kernreaktoren, die den Spalt- und/oder Brutstoff in oxydischer1. Process for the production of ceramic fuel pellets for nuclear reactors, which the fissile and / or breeding material in oxidic „_ oder karbidischer Form enthalten, durch Senlagverdichten eines Vorpresslings in einem Gesenk, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorpressling aus sphärischen Teilchen geformt wird, die durch Aushärtung von Tropfen, bestehend aus einer"_ Or carbidic form contained by Senlagverdichten a pre-pressed part in a die, characterized in that the pre-pressed part is formed from spherical particles, which by hardening droplets, consisting of a 2Q wässrigen Lösung der Nitrate der Spalt- und/oder Brutstoffe und der Komponenten eines härtbaren Kunstharzes, bei Temperaturen oberhalb 100 C und anschliessender Wärmebehandlung bei Temperatur ι
werden.
2Q aqueous solution of the nitrates of the fission and / or breeding materials and the components of a curable synthetic resin, at temperatures above 100 C and subsequent heat treatment at temperature ι
will.
peraturen zwischen 200 und 8500C hergestellttemperatures between 200 and 850 0 C produced 030048/0449030048/0449 23211462321146 — 2 —- 2 -
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagverdichtung bei Temperaturen oberhalb 1
folgt.
2. The method according to claim 1, characterized in that the impact compaction at temperatures above 1
follows.
halb 15000C in weniger als 100 Millisekunden er-half 1500 0 C in less than 100 milliseconds
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch 3. The method according to claims 1 and 2, characterized gekennzeichnet, dass die Tropfen aus einer wässrigen Lösung hergestellt werden, die vor der Tropfenerzeugung auf Temperaturen unterhalb O0C gekühlt wurde. characterized in that the droplets are produced from an aqueous solution which was cooled to temperatures below O 0 C before the droplet was generated. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen in einer Dampfatmosphäre gehärtet werden und die Härtung innerhalb eines Zeitraumes von 0,1 bis 3 s erfolgt.4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that the drops are hardened in a steam atmosphere and the hardening takes place within a period of 0.1 to 3 s. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der sphärischen Teilchen zwischen 0,1 und 1 Eim liegt.5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that the mean diameter of the spherical particles is between 0.1 and 1 um. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5> dadurch 6. The method according to claims 1 to 5> thereby gekennzeichnet, dass die vorgepressten oxydischen Brennstoffpresslinge vor dem Schlagverdichten in einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt werden. characterized in that the pre-pressed oxidic fuel compacts are heated in a reducing atmosphere prior to impact compaction. 030048/0449030048/0449
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