DE3235944A1

DE3235944A1 - Verfahren zum vergroessern der korngroesse von uranoxid

Info

Publication number: DE3235944A1
Application number: DE19823235944
Authority: DE
Inventors: Peter Clark Wilmington N.C. Smith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-10-13
Filing date: 1982-09-29
Publication date: 1983-05-11
Also published as: SE8205802L; CA1178045A; SE8205802D0; ES515517A0; IT1152568B; IT8223251A0; JPS5895617A; ES8406771A1; US4401608A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Herstellen von Brennstoff für Kernreaktoren, bei dem teilchenförmiges Uranoxid zu Pellets oder integrierten Brennstoffeinheiten geformt wird. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Vergrößern der Korngröße des teilchenförmigen Uranoxids, das zum Herstellen von Brennstoff nach den vorgenannten Verfahren eingesetzt wird.

Die Korngröße der spaltbaren keramischen Materialien, die in Kernreaktorbrennstoffen benutzt wurden, war ein wesentlicher Faktor bei der Herstellung und der Leistungsfähigkeit der Kernreaktorbrennstoffe .

So führt die US-PS 3 883 623 aus, daß die Teilchengröße der keramischen Uranmaterialien eine Wirkung auf die Dichte des beim Sintern solcher Teilchen erhaltenen Brennstoffes hat und weist auf die Bedeutung der Dichte in Brennstoffen hin.

Die US-PS 3 803 273 beschreibt eine Auswirkung der Korngröße in gesinterten Verbundkörpern oder Pellets aus teilchenförmigem Brennstoffmaterial auf die Leistungsfähigkeit der Brennstoffelemente beim Reaktorbetrieb·

In jedem Falle scheint es so zu sein, daß die Korngröße des Brennstoffes wesentliche Aspekte der spaltbaren keramischen Brennstoffe für Kernreaktoren beeinflußt,und daß daher die Teilchengröße oder die Veränderung dieser Größe bei Uranoxid zur Verwendung als Brennstoff beträchtliche Folgen hat.

Die Herstellung keramischen spaltbaren Brennstoffes aus pulverisierten Uranoxiden ist bekannt und z. B. in den US-PSen 3 761 547, 3 803 273, 3 883 623 und 4 061700 beschrieben.

Kurz gesagt, umfaßt die Herstellung solcher keramischen spalt-

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baren Brennstoffe üblicherweise das kalte Pressen feiner pulverisierter Uranoxide, die entweder allein oder mit anderen spaltbaren Materialien vermischt sind, zu ungesinterten zusammenhängenden Presslingen oder Körpern, wie Pellets und das nachfolgende Sintern der Preßlinge aus dem Oxidpulver, um die Teilchen zu einer integrierten Masse zu sintern.

Urandioxid ist die Hauptquelle des spaltbaren Brennstoffes für kommerzielle energieerzeugende Kernreaktoren. Das im Handel erhältliche Urandioxid befindet sich in einer relativ feinen Teilchenform, die einen Größenbereich von bis zu etwa 10 bis 15 um umfaßt, jedoch einen Mittelwert bei etwa 0,5 ^nm hat, ohne daß es hinsichtlich der kleineren Größen eine praktische Grenze gibt, Das Sintern vergrößert üblicherweise die Korngröße bis zu etwa 20 pm. Die relativ geringe Korngröße des handelsüblichen Hauptbrennstoffmaterials bildet einen deutlichen Nachteil bei der üblichen Brennstoffherstellung, bei der eine große Korngröße im allgemeinen erwünscht oder nützlich ist. Hinzu kommt, daß die Teilchengröße einen deutlichen Einfluß auf andere Teile des Verfahrens oder Produktes hat.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Vergrößern der Korngröße gesinterten Urandioxids bei der Herstellung von spaltbarem Kernbrennstoff. Die vergrößerte Korngröße des Uranoxids wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, daß man Wasserstoffperoxidlösung zu dem teilchenförmigen Uranoxid hinzugibt und dieses Wasserstoffperoxid vor dem Pressen und Sintern darin verteilt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Korngröße von pulverisiertem Uranoxid bei der Herstellung von spaltbarem Kernbrennstoff für Kernreaktoreinsatz zu vergrößern. Es soll daher ein verbessertes Verfahren zum Herstellen spaltbaren Kernbrennstoffes für Kernreaktoren geschaffen werden, das das Pressen der pulverisierten Uranoxide zu ungesinterten zusammenhängenden Preßlingen und das Sintern der Preßlinge umfaßt. Es soll ein Mittel geschaffen werden, die physikalischen Eigenschaften

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des spaltbaren keramischen Kernbrennstoffes einzustellen, um die Herstellung und den Einsatz solcher Kernbrennstoffe zu fördern. Und schließlich soll die Porosität und in Abhängigkeit davon die Dichte des keramischen spaltbaren Kernbrennstoffes gesteuert werden, iru-dem man die Korngröße der spaltbaren pulverisierten Materialien verändert.

Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung umfaßt das teilchenförmige spaltbare keramische Brennstoffmaterial oder deren Quelle Uranoxide entweder allein oder vermischt mit anderen Materalien. Brennstoffmischungen für die vorliegende Erfindung umfassen Kombinationen von Uranoxiden mit anderen Quellen spaltbaren Materials, einschließlich Thoriumoxiden und Plutoniumoxiden sowie mit Materialien, die keine Brennstoffe sind, wie Gadolinium, als einem starken Neutronenabsorber zur Steuerung des Neutronenflusses, das manchmal auch als brennbares "Gift" oder "parasitärer" Neutronenabsorber bezeichnet wird.

Die kommerziellen Uranoxid-Quellen für spaltbare Zwecke sind relativ feine Pulver, deren Teilchen im wesentlichen kleiner sind als etwa 10 bis 15 um.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Additiv aus einer wäßrigen Lösung von Wasserstoffperoxid mit dem Uranoxid umfassenden trockenen, teilchenförmigen keramischerispaltbaren Brennstoff vermischt, bevor man die Teilchen zu ungesinterten Preßlingen oder Pellets preßt, die dann gesintert werden. Die Wasserstoffperoxidlösung kann zu dem teilchenförmigen spaltbaren Brennstoff in einer wirksamen Menge von bis zu etwa 5 Gew.-% hinzugegeben werden, wobei etwa 1 bis etwa 3 Gew.-% Wasserstoffperoxidlösung für die meisten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Die Menge der zugegebenen Wasserstoffperoxidlösung kann variiert oder eingestellt werden, um eine gewünschte Korngröße zu erhalten.

Die Lösungen des zuzugebenden Wasserstoffperoxids können irgendeine Konzentration haben, die ohne weiteres erhältlich

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und leicht mit dem teilchenförmigen Brennstoff vermischbar ist. Die üblichen und geeigneterweise anwendbaren Konzentrationen umfassen etwa 10 bis etwa 50 % Wasserstoffperoxid, wobei etwa 30 % Wasserstoffperoxid bevorzugt sind.

Das Vermischen der wäßrigen Lösung des Wasserstoffperoxids mit den trockenen Teilchen der Brennstoffmaterialxen kann mit irgendeiner Mischvorrichtung ausgeführt werden, die brauchbar ist zum Dispergieren einer relativ geringen Menge Flüssigkeit in einer relativ großen Menge von festen Teilchen.

Eine bevorzugte Einrichtung, um eine rasche und relativ gleichmäßige Dispersion der Wasserstoffperoxidlösung in der teilchenförmigen Masse wirksam zu erzielen, umfaßt das Sprühen einer feinzerstäubten Lösung auf eine sich bewegende Masse der Teilchen und das fortgesetzte Bewegen der Teilchen, bis die Lösung darin dispergiert ist. Die Anwendung eines Mahlmediums fördert die Homogenisierung. In einer typischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Wasserstoffperoxidlösung auf einen vibrierenden, einem Vermischen unterliegenden Körper aus pulverisiertem Urandioxids in einer Vibrationsmühle gesprüht, wobei das Trommelmischen fortgesetzt wird, bis im wesentlichen Homogenität erzielt ist.

Das nachfolgende Trommelvermischen, Walzen oder irgendeine andere Mischbewegung, die auf das Urandioxidpulver mit der Wasserstoffperoxidlösung darin ausgeführt wird, neigt dazu, eine Agglomeration oder ein Anwachsen der Teilchen zu größeren Körpern zu verursachen.

Nach der Zugabe und dem Dispergieren der Wasserstoffperoxidlösung in den Uranoxid umfassenden Teilchen wird die erhaltene Mischung in einer Weise weiter verarbeitet, die für die Herstellung von Kernbrennstoff, wie sie in den obigen PSen beschrieben ist, üblich ist. So wird z. B. die die Wasserstoffperoxidlösung enthaltende Teilchenmischung zur Herstellung ungesinterter Preßlinge oder Pellets gepreßt. Danach sintert man die Preßlinge

oder Pellets, um sie zu einer im wesentlichen zusammenhängenden oder integrierten Masse zu verschmelzen, die zur Verwendung als spaltbarer Brennstoff in einem Kernreaktor geeignet ist.

Beispiel

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wurde eine Menge pulverisierten Urandioxids mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 0,5 um, bestimmt durch mikroskopische und Oberflächenmessungen, in einer Vibrationsmühle gerührt. Eine Lösung von 30 %igem Wasserstoffperoxid in Wasser wurde als feiner Nebel in einer Menge von 2 Gew.-% zu dem vibrierten Urandioxidpulver hinzugegeben. Das Vibrationsvermischen erfolgte für 30 Minuten, Das danach erhaltene Pulver wurde zu Pellets gepreßt und dann unter üblichen Bedingungen, nämlich 4 Stunden bei 1780 C in einer feuchten Wasserstoffatomsphäre gesintert. Die gesinterten Pellets enthielten Korngrößen von bis zu 100 pm, verglichen mit Korngrößen von bis zu etwa 15 μπι für das gleiche Urandioxid, das in üblicher Weise behandelt worden war, d. h. ohne Zugabe der Wasserstoffperoxidlösung.

Claims

Dr. Horst Schüler PATENTANWALT EUROPEAN PATENTATTORNEY - ■ ] *32359446000 Frankfurt/Main 1 Kaiserstrasse 41(0611) 23555S 04-16759 mapat d mainpatent frankfurt (0611) 251615 (CCITT Gruppe 2 und 3) 225/0389 Deutsche Bank AG 282420-602 Frankfurt/M.Telefon Telex Telegramm Telekoplerer Bankkonto PostscheckkontoIhr Zeichen/Your Tef.8958-24NF-O44O4Unser Zeichen/Our ref.• 27. September 1982 Dr.Sb./he.Datum /Date GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A. Verfahren zum Vergrößern der Korngröße von Uranoxid Patentansprüche

1. Verfahren zum Vergrößern der Korngröße von gesintertem Uranoxid bei der Herstellung von spaltbarem Kernbrennstoff, gekennzeichnet durch:

a) Hinzugeben einer Lösung von Wasserstoffperoxid in einer Menge von bis zu etwa 5 Gew.-% zu pulverisiertem Uranoxid und Durchmischen des pulverisierten Uranoxides mit der Wassarstoffperoxidlösung;

b) Pressen des mit der Wasserstoffperoxidlösung vermischten pulverisierten Uranoxides zu ungesinterten zusammenhängenden Körpern; und

c) Sintern der zusammenhängenden Körper aus pulverisiertem Uranoxid, um das Kornwachstum zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Menge der zum pulverisierten Uran-

oxid hinzugegebenen Wasserstoffperoxidlösung im Bereich von etwa 1 bis etwa 3 Gew.-% liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Konzentration der zugebenen Wasserstoffperoxidlösung etwa 10 bis etwa 50 % Wasserstoffperoxid beträgt.

4. Verfahren zum Vergrößern der Korngröße gesinterten üranoxids bei der Herstellung von spaltbarem Kernbrennstoff, gekennzeichnet durch:

a) Hinzugeben einer wäßrigen Lösung von Wasserstoffperoxid in einer Menge von etwa 1 bis etwa 5 Gew.-% zu pulverisiertem Urandioxid und Durchmischen des Urandioxids mit der Wasserstoffperoxidlösung,

b) kaltes Pressen des mit der Wasserstoffperoxidlösung durchmischten pulverisierten Urandioxids zu ungesinterten zusammenhängenden Pellets, und

c) Sintern der zusammenhängenden Pellets aus pulverisiertem Urandioxid.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Wasserstoffperoxidlösung zu dem pulverisierten Urandioxid als feinzerteiltes Spray auf eine bewegte Masse des Pulvers hinzugegeben wird.

6. Verfahren zum Vergrößern der Korngröße gesinterten Uranoxids bei der Herstellung von spaltbarem Kernbrennstoff, gekennzeichnet durch:

a) Sprühen einer fein^-zers täubten wäßrigen Lösung von Wasserstoffperoxid in einer Menge von etwa 1 bis etwa 3 Gew.-% auf eine sich bewegende Masse pulverisierten Urandioxids und Durchmischen des pulverisierten Urandioxids mit der Wasserstoffperoxidlösung,

b) kaltes Pressen des mit der Wasserstoffperoxidlösung durchmischten pulverisierten Urandioxides zu ungesinterten zusammenhängenden Pellets, und

c) Sintern der zusammenhängenden Pellets aus pulverisiertem Urandioxid.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Konzentration der auf das pulverisierte ürandioxid gesprühten Wasserstoffperoxidlösung etwa 10 bis etwa 50 % Wasserstoffperoxid beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß etwa 2 Gew.-% der Wasserstoffperoxidlösung auf das pulverisierte Urandioxid gesprüht werden.