DE2921146C2 - Process for the production of ceramic fuel pellets for nuclear reactors - Google Patents

Process for the production of ceramic fuel pellets for nuclear reactors

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Description

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 for the production of ceramic fuel tablets for nuclear reactors, which the fission and / or breeding material in 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 verwen- so det :n beschränkter Menge wird es aber auch in den LWR-Reaktoren anstelle von U-235 eingesetzt Ferner kommt als Brutstoff auch Thorium in Frage. 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 : n limited quantities, however, it is also used in LWR reactors instead of U-235. Thorium can also be used as a breeding material. In addition to oxidic fuel, fuel carbides can also be used in SNR reactors.

Währen 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 generally have a height of about 12 mm, a diameter of approx. 10 mm and a weight of approx. 10 g are the corresponding data for SNR tablets 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 Oxide müssen vor allem besondere Sintereigen- schäften besitzen, die sich nur durch aufwendige Herstellungsverfahren erreichen lassen (z. B. DE-PS 92 468, DE-AS 15 92 477 oder DE-OS 26 23 977).Oxydic fuel tablets are usually made from uranium oxide powder (UO2) or mixed Powder oxides UO2 and PUO2 by pressing, sintering and Loops made. The pulverulent oxides required for this must above all have special sinter properties have shafts that can only be achieved through complex manufacturing processes (e.g. DE-PS 92 468, DE-AS 15 92 477 or DE-OS 26 23 977).

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 32 36 922).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. Analogous to the oxidic fuel, this is made by pressing, sintering and grinding Tablets manufactured (US-PS 32 36 922).

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. Die dabei erzielten Maßtoleranzen der Tabletten erforderten trotzdem eine aufwendige Nachbearbeitung. Daher hat dieses Verfahren keine technische Bedeutung erlangtAttempts 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 dimensional tolerances of the tablets achieved in this way nevertheless required extensive post-processing. Therefore, this process has not achieved any technical importance

Außerdem ist bekannt die Brennstofftabletten aus Gelpartikeln herzustellen. Dabei werden die auf naßchemischem Wege gefertigten Gelpartikeln zu Tabletten verpreßt und anschließend durch Sintern auf die Solldichte verdichtet (ζ. Β. DE-OS 27 13 108). 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 Flüssigphase mit Ammoniak (Gelfällungsverfahren), oder durch innere Zersetzung von im Tropfen gelösten Hilfsstoffen, die Ammoniak freisetzen. Diese hergestellten Gelpartikel lassen sich zwar gut zu Tabletten verpressen, nach dem Sintern hinterlassen sie aber ihre ursprüngliche Form im Sinterkörper, so daß eine Art »Brombeerstruktur« entsteht die zu unbefriedigenden Eigenschaften führtIt is also known to produce the fuel tablets from gel particles. In doing so, the Gel particles manufactured by wet chemical means are compressed into tablets and then sintered the target density is compressed (ζ. Β. DE-OS 27 13 108). Included solidification of the gel particles takes place either after the formation of spherical drops by removing water from the droplets (sol-gel process), by solidifying in the gas phase and / or in a submitted liquid phase with ammonia (gel precipitation process), or by internal decomposition of im Drops of dissolved excipients that release ammonia. These gel particles produced can be admittedly well Compress tablets, but after sintering they leave their original shape in the sintered body, so that a kind of "blackberry structure" arises which leads to unsatisfactory properties

Bei einem weiterem bekannten Verfahren werden Brennstoffpartikeln dadurch hergestellt, daß eine Schwermetallnitratlösung mit härtbaren organischen Stoffen versetzt wird, und die aus dieser Mischlösung gebildeten Tropfen in einer heißen Flüssigkeit bei 70-950C verfestigt werden (AT-PS 2 67 007 und DE-PS 12 83 199). Problematisch ist dabei, daß eine 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 Substanz wird vorzugsweise ein Kunstharz aus einem Gemisch von zwei Komponenten verwendet und zwar vorzugsweise 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 verfestigtIn a further known method fuel particles are prepared by a heavy metal nitrate solution is mixed with curable organic substances, and the drops formed from this mixture solution to be solidified in a hot liquid at 70-95 0 C (AT-PS 2 67 007 DE-PS 12 83 199). The problem here is that premature reaction of the mixed solution must be prevented. This is usually achieved by adding inhibitors to the mixed solution to extend the reaction time, e.g. B. primary alcohols such as methanol or ethanol. A synthetic resin composed of a mixture of two components is preferably used as the curable organic substance, preferably resorcinol (or urea) and formaldehyde (or another aldehyde). The mixed solution is injected into the hot liquid through a drop nozzle, the drops then solidify after a few seconds

Die DE-OS 28 22 387 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 28 22 387 describes the production of spherical fuel particles by dripping one liquid mixture of nuclear fuel and synthetic resin components, with subsequent hardening of the Drops falling to the ground in a gaseous medium by means of energy supplied by radiation and by 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 process for the production of fuel tablets with subsequent sintering for Achieving the required density has a number of disadvantages.

An die Qualität des Preßpulvers bzw. der Gelpartikeln werden hohe Anforderungen bezüglich der Verpreßbarkeit, Sinterfähigkeit, Gleichmäßigkeit undThe quality of the molding powder or the gel particles are subject to high requirements with regard to the Compressibility, sinterability, evenness and

Reinheit gestellt Diese Anforderungen lassen sich nur mit aufwendigen Verfahren für die Pulver- bzw. Partikelherstellung erfüllen. Insbesondere bei den auf naßchemiscriem Wege hergestellten Gelpartikeln oder bei Preßpulver fallen Abfallprodukte vorwiegend als s kontaminierte wäßrige Lösungen in Form von Ammoniumnitrat, Natriumnitrat oder von entsprechenden Fluorverbindungen an. Diese Abfallstoffe müssen mit aufwendigen Verfahren beseitigt werden. Bei der Handhabung von Plutonium und aus Thorium erbrütetem Uran-233 müssen wegen deren Strahlungsgefährdung und Giftigkeit besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, die sehr aufwendig sind und daher die Fertigungskosten zusätzlich verteuern.Purity made These requirements can only be met 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, waste products fall mainly as contaminated aqueous solutions in the form of ammonium nitrate, sodium nitrate or the corresponding Fluorine compounds. These waste materials have to be disposed of using complex procedures. In the Handling of plutonium and uranium-233 hatched from thorium requires special safety precautions to be taken due to their radiation hazard and toxicity, which are very expensive and therefore make the manufacturing costs more expensive.

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 Verlusten an Spaltstoffen.In addition, the sintering process is a relatively complex work step, which is followed by grinding of the tablets. Usually there is an unavoidable scrap due to flaking. In addition, waste is created during grinding that must be recovered from the grinding fluid. This increases the manufacturing costs. On the other hand, the precipitation of the heavy metal salt solutions and washing out of the particles or the precipitate for the purpose of ammonium salt removal leads to inevitable losses of fissile materials.

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 einige Schwierigkeiten mit sich.It has also already been proposed (P 28 42 402) to carry out fuel tablets from oxidic powders, possibly in the presence of graphite powder Forming a pre-pressed part of 30 to 60% theoretical density with subsequent impact compaction in a die under vacuum. However, working with powders is beneficial in this process some trouble with it.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Brennstofftabletten für Kernreaktoren zu finden, die den Spalt- und/oder Brutstoff in oxydischer oder karbidischer Form enthalten, durch Schlagverdichten eines Vorpreßlings in einem Gesenk, bei dem die genannten Schwierigkeiten entfallen, und das die Herstellung von Brennsiofftabletten auf wirtschaftliche Weise weitgehend ohne Schrottrackführung sowie ohne Anfall wäßriger Abfallprodukte ermöglichtThe invention is therefore based on the object To find a process for the production of fuel pellets for nuclear reactors that have the fission and / or Contain breeding material in oxidic or carbidic form, by impact compaction of a pre-pressed part in a die in which the difficulties mentioned do not apply, and the production of Brennsiofftabletten in an economical manner largely without Allows scrap rack management and without 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 Brutstoffe und den Komponenten eines härtbaren Kunstharzes bei Temperaturen oberhalb 100° C und anschließender Wärmebehandlung bei Temperaturen so zwischen 200 und 8500C hergestellt werden. Die so gebildeten Teilchen werden auf bekannte Weise zu Tabletten gepreßt und nach 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.The object is achieved according to the invention in that the pre-pressed part is formed from spherical particles, which are formed by hardening droplets consisting of an aqueous solution of the nitrates of the fissile and / or brood matter and the components of a hardenable synthetic resin at temperatures above 100 ° C and then Heat treatment at temperatures between 200 and 850 0 C can be produced. The particles thus formed are pressed in a known manner to tablets and compacted by heating to temperatures of more than 1500 0 C abruptly to final dimension, wherein the compaction and ejection of the tablets preferably in less than 100 milliseconds is carried out, the impact compaction can be both under vacuum and under atmospheric pressure or increased pressure.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Reihe von Vorteilen erzieltA number of advantages are achieved with the method according to the invention

Bei der Teilchenherstellung fallen keine wäßrigen nitrat- oder fluorhaltigen Abfallösungen an. Das Schwermetall wird in Form von Nitratlösung während der Tropfenhärtung durch Polymerisation oder Polykondensation von beispielsweise Phenolen mit Formaldehyd von den verfestigten Partikeln aufgenommen. Bei dieser Art der Partikelerzeugung entstehen in denNo aqueous nitrate or fluorine-containing waste solutions are produced during particle production. That Heavy metal is absorbed by the solidified particles in the form of nitrate solution during drop hardening through polymerization or polycondensation of, for example, phenols with formaldehyde. at this type of particle generation arise in the Tropfen bei der Verfestigung keine Ammoniumsalze. Daher entfällt jeglicher Waschvorgang zwecks Entfernung von Ammoniumsalzen.Drops when solidifying no ammonium salts. There is therefore no need for washing to remove ammonium salts.

Die zum Gießen der Tropfen verwendete Gemischlösung enthält neben dem gelösten Schwermetalinitrat 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 Vorteilhafterweise wird die Gemischlösung auf Temperaturen unterhalb 00C 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 AT-PS 2 67 006 erwähnte Bildung von Dampfblasen aus den ώ 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 verbessertThe mixed solution used to pour the drops contains, in addition to the dissolved heavy metal nitrate, only the two reaction components required to form the curable synthetic resin, preferably a phenol and an aldehyde. The aldehyde is preferably an aqueous solution of formaldehyde, until just prior to pouring admixed so that no premature resin formation even before dripping occurs Advantageously, the mixture solution is cooled to temperatures below 0 0 C As a result, an addition of inhibitor substances unnecessary while a sufficient safety against the risk The lack of inhibitor substances has the further advantage that the formation of vapor bubbles from the low-boiling alcohols used in the case of drop hardening, as mentioned in AT-PS 2 67 006, is avoided. This effectively eliminates the risk of the particles tearing open. In addition, 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 150°CA special feature of the invention is that the Drops generated from the reaction mixture in a manner known per se at temperatures above 100.degree are cured, preferably in the hot steam of a boiling chlorinated hydrocarbon, such as perchlorethylene, or in superheated steam of 150 ° C, for example

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 geeignetBy curing above 100 "C a better heat transfer and consequently a faster heating of the droplets achieved within seconds The rapid heating of the droplets Temperatures above 100 ° C can also be caused by the absorption of radiant energy, such as infrared radiation or microwaves. Microwaves are particularly suitable

Da die Verfestigung der Tropfen durch die Reaktion zweier organischer Kunstharzkomponenten oberhalb 100"C ausgelöst wird, entstehen keine Gel-Mikrokugeln, sondern Kunstharzteilchen, in denen die Brennstoff-Brutstoff-Lösung aufgesaugt istSince the solidification of the drops through the reaction of two organic synthetic resin components above 100 "C is triggered, there are no gel microspheres, but synthetic resin particles in which the fuel-fertilizer solution is absorbed

Die das Schwertnetallnitrat enthaltenden verfestigten Kunstharzpartikeln werden anschließend einer Wärmebehandlung bei 200 bis 8500C unterzogen. Dieser als Kalzination bezeichnete Vorgang erfolgt beispielsweise zunächst bei Temperaturen bis 6000C 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 entferntThe Schwertnetallnitrat containing the solidified resin particles are then subjected to a heat treatment at 200-850 0 C. This process, known as calcination, takes place, for example, initially at temperatures of up to 600 ° C. under inert gas, with heavy metal oxides, carbon and nitrous gases being formed. Part of the carbon is oxidized by the nitrous gases and removed from the particles in the form of carbon oxide

Von besonderem Vorteil ist es, 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 formed during the calcination, provided they are not Consumed for carbon oxidation, by absorption in water and conversion to nitric acid, can be recycled by the acid again is used to dissolve the fuel.

Der nach der Kalzination in den Partikeln noch vorhandene Restkohlenstoff wird im Falle der Herstellung von oxydischem Brennstoff bei Temperaturen bis zu 8500C an Luft verbrannt Zur Herstellung von karbidischem Brennstoff wird der Restkohlenstoff durch Behandlung mit CO2-GaS bei 8500C so weit vermindert daß er für die nachfolgende karbothermische Reaktion zur Karbidbildung ausreicht Durch diese Wärmebehandlung entsteht ein Material, das sich ohneThe still present after the calcination in the particles residual carbon is in the case of the preparation up to 850 0 C in air burned by oxidic fuel at temperatures For the preparation of carbidic fuel, the residual carbon is so far reduced by treatment with CO 2 gas at 850 0 C that it is sufficient for the subsequent carbothermal reaction to form carbide

■ Schwierigkeiten zu Vorpreßlingen verformen läßt. Die so hergestellten Teilchen besitzen eine relativ niedrige Dichte und lassen sich wie ein Pulvergranulat verpressen, ohne daß eine »Brombeerstruktur« im Prüfling entsteht Die Rieselfähigkeit der sphärischen Teilchen erleichtert die Verarbeitung beim Vorpressen der Brennstofftabletten, verringert ο ie Staubbildung und reduziert damit die Dosisbelastung der Umgebung erheblich. Das Verpressen der wärmebehandelten Teilchen zu Tabletten erfolgt bei einem relativ niedrigen Preßdruck, der so bemessen ist, daß die erhaltenen Vorpreßlinge lediglich hantierfähig sind. Forderungen nach engen Toleranzen für Dichte und Abmessungen der Vorpreßlinge entfallen, da die Enddimensionen im Preßgesenk beim Heißschlagverdichten erzielt werden.■ Can deform difficulties into pre-pressings. the Particles produced in this way have a relatively low density and can be used like powder granules pressing without creating a "blackberry structure" in the test specimen. The pourability of the spherical Particles facilitate processing when pre-pressing the fuel tablets, reducing ο the formation of dust and thus considerably reduces the dose burden on the environment. The pressing of the heat-treated Particles into tablets takes place at a relatively low compression pressure, which is such that the obtained Pre-pressed items are only manageable. Demands for tight tolerances for density and dimensions the pre-pressings are omitted because the final dimensions are achieved in the press die during hot impact compaction.

Die Vorpreßlinge mit einer Dichte von 30 bis 60% der theoretischen Dichte werden in einer Wasserstoff- oder Inertgasatmosphäre oder im Vakuum auf Temperaturen über 10000C erhitzt, um den Endzustand der chemischen Zusammensetzung als Schwermetalloxid oder -karbid zu erhalten.The green compacts having a density of 30 to 60% of the theoretical density are heated in a hydrogen or inert gas atmosphere or in a vacuum at temperatures above 1000 0 C to the final state of the chemical composition to obtain a heavy metal or -karbid.

Diese vorbehandelten Preßlinge wer Jen auf Temperaturen oberhalb 15000C beispielsweise im Vakuum erhitzt, schnell in ein Stahlgesenk überführt, darin schlagartig auf die Enddimension verdichtet und 2s ausgestoßen. Das Verdichten und Ausstoßen erfolgt innerhalb von 3 bis 100 Millisekunden, das Vakuum beträgt vorzugsweise weniger ais 10~6bar. Bei der Schlagverdichtung wird eine sehr exakte Maßhaltigkeit erzielt, so daß eine anschließende Nachbearbeitung durch Schleifen der Keramikkörper völlig entfallen kann.These pretreated compacts who, for example, Jen heated to temperatures above 1500 0 C in vacuo quickly transferred into a steel die, is suddenly compressed to the final dimension and ejected 2s. The compression and ejection takes place within 3 to 100 milliseconds, the vacuum is preferably less than 10 ~ 6 bar. With impact compaction, very exact dimensional accuracy is achieved, so that subsequent reworking by grinding the ceramic body can be completely dispensed with.

Dieser Wegfall des sonst üblichen Schleifvorganges 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 Schlagverdicliten im Kontakt mit dem Preßgesenk ist, ermöglicht die mehrfache Verwendung eines Stahlgesenkes. This elimination of the otherwise usual grinding process and the grinding waste that occurs during grinding results in a significant simplification of the tablet production. This gives a further simplification Complete elimination of the otherwise customary sintering treatment, in which previously the final density of the pressed ceramic body was obtained. The short period of time in the range of milliseconds in which the compact when Schlagverdicliten is in contact with the press die, enables 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 Heißschlagverdichten 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 Wiederaufarbeitung abgebrannten Brennstoffs wesentlich erleichtert.The extremely good distribution of fissile material in the breeding material, given by the mixture solution of the Starting materials, when heated to the temperature required for hot impact compaction, results in a complete mixed crystal formation. The presence of the mixed crystal ensures complete solubility of the Fuel is guaranteed in pure nitric acid and thus the dissolution during reprocessing spent fuel much easier.

Alle diese Vorteile fallen besonders ins Gewicht bei einer Refabrikation von Kernbrennstoff aus Wiederaufarbeitungsanlagen, 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.

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

Beispiel 1
Herstellung von UC>2-Brennstofftabletten
example 1
Manufacture of UC> 2 fuel tablets

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Als Ausgangslösung für die Partikelherstellung diente eine Uranylnitratlösung mit 300 g U/l, in der als Phenolkomponente Resorcin in einer Menge von 380 g/1 enthalten war. Diese Lösung wurde auf —5° C gekühlt. Zur Polykondensationshärtung wurde eine auf + 50C 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 121OC Uiid 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 U3O8 gebildet wurden. Zur Herstellung der Tabletten wurden die Partikeln bei einem spezifischen Preßdruck von 80 MN/m2 zu einer Dichte von 4,2 g/cm3 verpreßt. Die Preßlinge vom Durchmesser 12 mm und der Höhe von 16 mm wurden in reduzierender Wasserstoffatmosphäre bei einer Aufheizgeschwindigkeit von 250°/h auf 1300° C erhitzt und eine Stunde gehalten. Dabei wurde das U3O8 zu UO2 reduziert Die Preßlinge hatten nach dieser Behandlung eine Dichte von weniger als 70% der theoretischen Dichte. Diese porösen Tabletten wurden im Vakuum von etwa 0,1 bar auf 23000C erhitzt, in ein Stahlgesenk überführt, darin zwischen zwei Preßstempeln bei einem Preßdruck von 400 MN/m2 auf Enddimension verdichtet und ausgestoßen. Das Verdichten und Ausstoßen erfolgte in 7 Millisekunden. Die auf Raumtemperatur abgekühlten Tabletten hatten einen Durchmesser von 9,1 mm und eine Höhe von 9,4 mm. Die Dichte betrug 10,46 g/cm3, was 95,4% theoretischer Dichte entspricht.A uranyl nitrate solution with 300 g U / l, which contained resorcinol as phenol component in an amount of 380 g / l, was used as the starting solution for the particle production. This solution was cooled to -5 ° C. Polykondensationshärtung to a cooled to + 5 0 C solution of formaldehyde was used, which was mixed before ml per drop generator in an amount of 200 liters with the cooled starting solution, with a temperature of - 3 ° C ceased. The droplets were formed in a manner known per se by the disintegration of the jet of the liquid as it flowed out of a nozzle. The drops with a diameter of 0.9 mm fell into a tube with perchlorethylene vapor of 12 10 C uid solidified there within a second to form spherical particles. After hardening, the solidified particles were calcined under argon up to 500 ° C. with a holding time of 3 hours. Subsequently, the residual carbon was burned in air at 800 0 C, said free-flowing particles formed from U3O8. To produce the tablets, the particles were pressed at a specific pressure of 80 MN / m 2 to a density of 4.2 g / cm 3 . The compacts with a diameter of 12 mm and a height of 16 mm were heated to 1300 ° C. in a reducing hydrogen atmosphere at a heating rate of 250 ° / h and held for one hour. The U3O8 was reduced to UO 2. After this treatment, the compacts had a density of less than 70% of the theoretical density. These porous tablets were heated in vacuum of about 0.1 bar to 2300 0 C, transferred to a steel die, in between two press punches at a pressure of 400 MN / m 2 is compressed to final dimension and ejected. Compression and ejection took place in 7 milliseconds. The tablets, cooled to room temperature, had a diameter of 9.1 mm and a height of 9.4 mm. The density was 10.46 g / cm 3 , which corresponds to 95.4% theoretical density.

Beispiel 2
Herstellung von UO2 · ThO2- Brennstoff tabletten
Example 2
Manufacture of UO 2 · ThO 2 fuel tablets

Zur Herstellung von Partikeln für die Erzeugung von Brennstofftabletten diente eine. Ausgangslösung aus Uranylnitrat mit 180 g U/l und Thoriumnitrat mit 120 g Th/1 sowie Resorcin in einer Menge von 345 g/l. Der Schwermetallgehalt lag somit bei 60Gew.-% U und 40Gew.-% Th. Nach Zusatz von 180 ml gekühlter 40%iger Formaldehydlösung auf 1 1 Ausgangslösung von — 5°C wurden wie in Beispiel 1 verfestigte Partikeln erzeugt. Diese Partikeln setzten sich aus Resorcin-Formaldehydharz, in dem die Uranyl- und Thoriumnitratlösung enthalten war, zusammen. Durch Kalzinieren unter Stickstoff bis 6000C bei einer Haltezeit von 4 Stunden wurde das gesamte Nitrat zersetzt und in nitrose Gase umgewandelt. Der Restkohlenstoff aus der zersetzten Harzkomponente wurde anschließend bei 8500C an Luft verbrannt, wobei rieselfähige Partikeln aus einer Mischung von Uran- und Thoriumoxid entstanden.One was used to produce particles for the production of fuel tablets. Starting solution of uranyl nitrate with 180 g U / l and thorium nitrate with 120 g Th / 1 and resorcinol in an amount of 345 g / l. The heavy metal content was therefore 60% by weight U and 40% by weight of theory. After adding 180 ml of cooled 40% formaldehyde solution to 1 liter of starting solution at -5 ° C., solidified particles were produced as in Example 1. These particles were made up of resorcinol-formaldehyde resin, which contained the uranyl and thorium nitrate solution. By calcining under nitrogen to 600 ° C. with a holding time of 4 hours, all of the nitrate was decomposed and converted into nitrous gases. The residual carbon from the decomposed resin component was then burned in air at 850 0 C, said free-flowing particles formed from a mixture of uranium and thorium.

Zur Herstellung der Brennstofftabletten wurden die Partikeln bei einem spezifischen Preßdruck von 120 MN/m2 zu einer Dichte von 4,1 g/cm3 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 UO2 · ThO2 reduziert. Die porösen Tabletten mit einer Dichte von weniger als 70% der theoretischen Dichte wurden im Vakuum von etwa 0,1 bar auf 2300° C eihitzt, in ein Stahlgesenk überführt und darin zwischen zwei Preßstempeln bei einem spezifischen Preßdruck von 500 MN/m2 auf Enddimension verdichtet und ausgestoßen. Das Verulchten und Ausstoßen erfolgte in etwa 20 Millisekunden. Die auf Raumtemperatur abgekühlten Tabletten hatten einen Durchmesser von 9,1 mm und eine HöheTo produce the fuel tablets, the particles were pressed at a specific pressure of 120 MN / m 2 to a density of 4.1 g / cm 3 . The pre-pressings with a diameter of 12 mm and a height of 15.5 mm were then reduced to UO 2 · ThO 2 as in Example 1 in a hydrogen atmosphere. The porous tablets with a density of less than 70% of the theoretical density were heated in a vacuum from about 0.1 bar to 2300 ° C, transferred to a steel die and then placed between two rams at a specific pressure of 500 MN / m 2 to final dimensions condensed and expelled. The fouling and ejection took about 20 milliseconds. The tablets, cooled to room temperature, had a diameter of 9.1 mm and a height

von 9,0 mm. Die Dichte betrug 9,97 g/cm3, was 94,1% theoretischer Dichte entspricht.of 9.0 mm. The density was 9.97 g / cm 3 , which corresponds to 94.1% of the theoretical density.

Beispiel 3
Herstellung von UO2 · PuO2-Brennstofftabletten
Example 3
Manufacture of UO2 · PuO 2 fuel tablets

Analog dem Beispiel 2 wurde eine Ausgangslösung für die Partikelherstellung verwendet, die Uranylnitrat mit 180 g U/l und Plutoniumnitrat mit 120 g Pu/I sowie 345 g/l Resorcin enthielt. Bis auf eine niedrigere Temperatur beim Heißschlagverdichten von 2000°C anstelle von 2300°C blieben alle anderen Herstellungsparameter gleich. Die fertigen Tabletten setzten sich aus 60 Gew.-% UO2 und 40 Gew.-% PuO2 zusammen und hatten folgende Eigenschaften:Analogously to Example 2, a starting solution was used for particle production which contained uranyl nitrate with 180 g U / l and plutonium nitrate with 120 g Pu / I and 345 g / l resorcinol. With the exception of a lower temperature during hot impact compaction of 2000 ° C instead of 2300 ° C, all other manufacturing parameters remained the same. The finished tablets were composed of 60% by weight of UO 2 and 40% by weight of PuO 2 and had the following properties:

Durchmesserdiameter 9,1 mm9.1 mm Höheheight 8,5 mm8.5 mm Dichtedensity 10,80 g'cm3, entsprechend10.80 g'cm 3 , accordingly 96,8% theoretischer Dichte96.8% theoretical density

Beispiel 4
Herstellung von UC-Brennstofftabletten
Example 4
Manufacture of UC fuel tablets

Die Ausgangslösung für die Harzpartikeln enthielt 300 g U/l als Uranylnitrat 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 800°C 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 einer Haltezeit von 3 Stunden kalziniert. Die chemische Zusammensetzung dieser Partikeln war 47,6 Gew.-% U, 38 Gew.-% C und 14,4Gew.-% O, entsprechend der Zusammensetzung UO2,4j· Um die für die Karboreduktion erforderliche stöchiometrische Kohlenstoffmenge einzustellen, wurden die Partikeln im CO2-StTOm bei S50°C behandelt. Danach betrug der C-Gehalt ll,6Gew.-% und das O/U-Verhältnis 2,08. Aus den Partikeln wurden bei einem Preßdruck von 200 MN/m2 Tabletten mit einer Dichte von 3,8 g/cm3 gepreßt. Die Tabletten wurden anschließend auf 1750° C erhitzt, dabei wurde das U02.os durch Karboreduktion zu UC umgesetzt. Die Endverdichtung erfolgte durch Heißschlagverdichten bei einer Temperatur von 2100° C und einem spezifischen Druck von 400 MN/m2 innerhalb von 10 Millisekunden. Die auf Raumtemperatur abgekühlten Tabletten hatten folgende Eigenschaften:The starting solution for the resin particles contained 300 g U / l as uranyl nitrate and 380 g / l resorcinol. This solution was cooled to -7 ° C, then mixed with cooled 40% formaldehyde solution and heated to -5 ° C. Drops with a diameter of 0: 6 mm were produced from the solution and solidified within 1.5 seconds under argon in a vertical graphite tube 100 mm in diameter heated to 800 ° C. The particles were then calcined in a stream of Ar at a maximum of 500 ° C. and a holding time of 3 hours. The chemical composition of these particles was 47.6% by weight U, 38% by weight C and 14.4% by weight O, corresponding to the composition UO 2 , 4j Particles treated in the CO 2 -StTOm at S50 ° C. Thereafter, the C content was 11.6% by weight and the O / U ratio was 2.08. Tablets with a density of 3.8 g / cm 3 were pressed from the particles at a pressure of 200 MN / m 2. The tablets were then heated to 1750 ° C., during which the U0 2 .os was converted to UC by carbo-reduction. The final compaction was carried out by hot impact compaction at a temperature of 2100 ° C. and a specific pressure of 400 MN / m 2 within 10 milliseconds. The tablets cooled to room temperature had the following properties:

Durchmesserdiameter 7,9 mm7.9 mm Höheheight 9,5 mm9.5 mm Dichtedensity 12,93 g/cm3,12.93 g / cm 3 , entsprechend (95%)corresponding (95%) C-GehaltC content 4,64 Gew.-%4.64 wt% C (frei)C (free) 80 ppm80 ppm

230244/441230244/441

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Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstofftabletten für Kernreaktoren, die den Spalt- und/oder Brutstoff in oxydischer oder karbidischer Form enthalten, durch Schlagverdichten eines VorpreBlings m einem Gesenk, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorpreßling aus sphärischen Teilchen geformt wird, die durch Aushärtung von Tropfen, bestehend aus einer wäßrigen Lösung der Nitrate der Spalt- und/oder Brutstoffe und der Komponenten eines härtbaren Kunstharzes, bei Temperaturen oberhalb 100° C und anschließender Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 200 und 850° C hergestellt werden.1. Process for the production of ceramic fuel pellets for nuclear reactors that use the Contains fissile and / or breeding material in oxidic or carbidic form, by means of impact compaction of a preprint in a die characterized in that the preform is made spherical particles shaped by Hardening of drops, consisting of an aqueous solution of the nitrates of the cleavage and / or Brutstoff and the components of a curable synthetic resin, at temperatures above 100 ° C and subsequent heat treatment at temperatures between 200 and 850 ° C. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlagverdichtung bei Temperaturen oberhalb 15000C in weniger als 100 Millisekunden erfolgt2. The method according to claim 1, characterized in that the impact compaction takes place at temperatures above 1500 0 C in less than 100 milliseconds 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tropfen aus einer wäßrigen Lösung hergestellt werden, die vor der Tropfenerzeugung auf Temperaturen unterhalb 0° C gekühlt wurde.3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the drops from a aqueous solution can be prepared, which before the drop generation to temperatures below 0 ° C was cooled. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch 2s gekennzeichnet, daß die Tropfen in einer Dampfatmosphäre gehärtet werden und die Härtung innerhalb sines Zeitraumes von 0,1 bis 3 s erfolgt4. 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 mm liegt5. Process according to claims 1 to 4, characterized in that the mean diameter of the spherical particles between 0.1 and 1 mm 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgepreßten oxydischen Brennstoffpreßlinge vor dem Schlagverdichten in einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt werden.6. The method according to claims 1 to 5, characterized in that the pre-pressed oxidic Fuel compacts are heated in a reducing atmosphere prior to impact compaction.
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