FI93590C - Menetelmä sintratun uraanidioksidikappaleen valmistamiseksi - Google Patents

Description

93590

Menetelmä sintratun uraanidioksidikappaleen valmistamiseksi Tämä keksintö koskee menetelmää ydinpolttoainekap-5 paleen valmistamiseksi, joka on hyödyllinen ydinpolttoaineena, jossa uraanidioksidirakeiden keskimääräinen raekoko on noin 30 -80 mikronia ja jossa vähintän n. 99 tila-vuus-% uraanidioksidirakeista on peitetty lasimaisella alumiinisilikaattifaasilla jättämättä merkittävää osaa 10 niistä paljaaksi, mainitun kappaleen huokoisuuden vaihdellessa n. 2 tilavuus-%:ista alle n. 10 tilavuus-%:iin. Eräässä osassaan se kohdistuu uraanidioksidista ja alu-miinisilikaatista koostuvan erikoisen kokoonpanon tiivisteen polttoon ydinpolttoaineen valmistamiseksi, jolla on 15 erikoinen mikrorakenne.

Nykyään suositellaan, rakennetaan ja käytetään ydinreaktoreita, joissa halkeava materiaali tai ydinpolttoaine sisältyy polttoaine-elementteihin, joilla voi olla erilaisia geometrisia muotoja, kuten levyjä, putkia tai 20 sauvoja. Ydinpolttoaine on tavallisesti suljettu korroo- sionkestoiseen, reagoimattomaan, lämpöä johtavaan säiliöön tai kuoreen, jota kokoonpantuna yhdessä ydinpolttoaineen kanssa kutsutaan polttoaine-elementiksi. Polttoaineet on koottu yhteen ristikoksi kiintein välimatkoin 25 toisistaan jäähdytysaineen virtauskanavaan tai alueeseen, joka muodostaa polttoainekokoonpanon ja riittävä määrä polttoainekokoonpanoja yhdistetään ytimen halkeamisketju-reaktiokokoonpanon tai reaktorisydämen muodostamiseksi, joka kykenee vaimentumattomaan halkeamisreaktioon. Sydän 30 on suljettu reaktoriastiaan, jonka läpi johdetaan jäähdy-tysainetta.

Kuori palvelee kahta päätarkoitusta: ensiksi estäen kosketuksen ja kemialliset reaktiot ydinpolttoaineen ja joko jäähdytysaineen tai mahdollisesti läsnä olevan 35 jarruaineen tai molempien välillä; ja toiseksi estäen erittäin radioaktiivisia halkeamistuotteita, josta eräät 93590 2 ovat kaasuja, vapautumasta polttoaineesta jäähdytysainee-seen tai jarruaineeseen tai molempiin. Yleisiä kuorimate-riaaleja ovat ruostumaton teräs, alumiini ja sen lejee-ringit, sirkonium ja sen lejeeringit, niobi (kolumbium), 5 tietyt magnesiumlejeeringit ja muut. Kuoren pettäminen, joka johtuu kaasunpaineen tai korkean lämpötilan kerääntymisestä polttoaineeseen tai johtuu haitallisten halkea-mistuotteiden aiheuttamasta kuoren korroosiosta, voi saastuttaa jäähdytys- tai jarruaineen ja niihin liittyvät 10 höyrysysteemit voimakkaan radioaktiivisilla, pitkäikäi sillä tuotteilla siinä määrin, että se häiritsee laitoksen toimintaa.

Nykyinen teoreettinen ja kokeellinen tieto osoittaa, että suurempi raekoko uraanidioksidipolttoaineessa 15 pienentää halkeamiskaasun vapautumisnopeuksia, toivottu ominaisuus, joka johtaisi joko pienentyneeseen huokosti-lavuuteen polttoainesauvassa tai polttoaineen kasvaneeseen suunniteltuun polttoikään. Valitettavasti, kun raekokoa nostetaan, polttoaineen korkean lämpötilan ryömy-20 nopeus laskee, epämieluisa tulos, sillä tämä tuottaa suuremman jännityksen kuoreen reaktorin tehonoston aikana. Tällainen polttoaineen aiheuttama kuoren jännitys voi johtaa kuoren pettämiseen mekanismin kautta, joka tunnetaan nimellä PCI (Pellet Clad Interaction). Polttoaine, 25 jolla on sekä suurempi raekoko että kasvanut syöpymisno-peus, on tämän vuoksi mielenkiintoinen. Tämä keksintö saa aikaan sellaisen polttoaineen.

Kyseessä olevalla ydinpolttoaineella on mikrorakenne, joka on hyödyllinen kuoren pettämisen välttämises-30 sä. Tarkemmin sanoen kyseinen polttoaine on sintrattu kappale, joka koostuu uraanidioksidirakeista, joiden keskikoko on vähintään n. 20 mikronia samalla, kun rakeita ympäröi lasimainen alumiinisilikaattifaasi. Korkeassa lämpötilassa, yleensä n. 1 000 °C:ssa tai korkeammalla 35 lasimainen faasi nostaa sintratun kappaleen ryömynopeutta tai plastisuutta merkittävästi uraanidioksidin vastaavan arvon yläpuolelle.

3 93590

Alaan perehtyneet saavat tarkemman ja paremman käsityksen tästä keksinnöstä seuraavassa esitetystä yksityiskohtaisesta kuvauksesta tarkasteltuna yhdessä kuvioiden kanssa, jotka ovat liitteenä ja muodostavat osan pa-5 tenttimäärityksestä, joissa kuvioissa:

Kuvio 1 on läpäisyelektronimikroskooppikuva kyseisen sintratun kappaleen kiillotetusta poikkileikkauksesta (suurennus 1,584 miljoonakertainen), ja joka esittää lasimaista alumiinisilikaattifaasia oleellisesti suorana, 10 vaaleanvärisenä viivana.

Kuvio 2 esittää graafisia käyriä, jotka kuvaavat kyseisen ydinpolttoaineen (käyrä nro 1) ja alan aikaisemman ydinpolttoaineen (käyrä nro 2) venymää ydinpolttoai-nereaktorissa tehon vaiheittaisen noston funktiona, jota 15 esittää kolmas (alin) käyrä. Kuviossa 2 käyrät 1 ja 2 olivat toisistaan sivulle siirrettyjä, ts. erotettuja ve-nymäasteikolla 200 mikronin verran esityksen selkeyden vuoksi ja kyseinen ydinpolttoaine valmistettiin käyttäen 0,25 paino-% tiilisavea, kun taas alan aikaisempi poltto-20 aine koostui pelkästä uraanidioksidista.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että oleellisesti aikaansaadaan uranidioksidipulveri, joka sisältää halkeavaa ainetta, aikaansaadaan sintraus-aine, joka sisältää oleellisesti n. 10 - 60 paino-% A1203 25 ja loput Si02, sekoitetaan mainittu sintrausaine mainittuun uraanidioksidipulveriin, jolloin saadaan seos, jossa sintrausaineen määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,8 pai-no-% sintrautuvasta seoksesta, muodostetaan saadusta seoksesta tiiviste, sintrataan mainittu tiiviste lämpöti-30 lassa, jossa mainittu sintrausaine muodostaa nestefaasin ja joka vaihtelee yli n. 1 500 °C:sta lämpötilaan, jossa ei esiinny mainitun Si02:n merkittävää höyrystymistä, olosuhteissa, joissa hapen ja uraanin välinen atomisuhde vaihtelee välillä n. 1,7 - 2,25, sintratun tuotteen val-35 mistamiseksi, jolla on mainittu keskimääräinen raekoko, ja jäähdytetään mainittu tuote mainitun sintratun kappaleen valmistamiseksi.

4 93590 "Lasimaisella" tai "lasimaisella alumiinisili-kaatilla" tarkoitetaan tässä amorfista alumiinisilikaat-tia.

Kyseistä menetelmää toteutettaessa aikaansaadaan 5 sintrattava uraanidioksidipulveri, joka sisältää halkeavaa materiaalia tai ainetta tehokkaan määrän tuloksena olevan sintratun kappaleen valmistamiseksi, joka on hyödyllinen ydinpolttoaineena. Tyypillinen tällainen halkeava materiaali on uraani, kuten U-235 ja plutonium, 10 kuten Pu-239. Normaalisti uraanidioksidipulveri sisältää uraanin halkeavaa isotooppia ja usein se on rikastettu tällaisella isotoopilla. Nämä pulverit ovat alalla tunnettuja ja yleensä ne sisältävät uraanin halkeavaa isotooppia määrän, joka vaihtelee välillä n. 0,1 - 5 paino-% 15 uraanidioksidipulverin kokonaismäärästä. Uraanidioksidi- pulverissa kokonaishapen ja kokonaisuraanin välinen atomi-suhde (O/U-suhde) vaihtelee välillä n. 1,7 - 2,25, usein arvosta yli n. 2,00 arvoon n. 2,15 riippuen suuresti prosessointiolosuhteista.

20 Yleensä kyseessä prosessissa käytetyllä uraani- dioksidipulverilla on ominaispinta-ala, joka vaihtelee 2 välillä n. 2 - 12 m /g ja edullisesti välillä n. 4 -2 8 m /g. Tällaiset pulverit tekevät mahdolliseksi sint-rauksen suorittamisen kohtuullisen pituisessa ajassa ky-25 seisessä sintrauslämpötilassa. Uraanidioksidipulveri, jolla on pienempi pinta-ala, ei ole tavallisesti käyttökelpoinen, sillä se vaatisi sintrauslämpötiloja, jotka ovat käytännössä liian korkeita, ja epätavallisia toimenpiteitä Siedin haihtumisen estämiseksi. Toisaalta 30 uraanidioksidipulvereita, joilla on suurempi pinta-ala, on vaikea käsitellä johtuen niiden suuresta kemiallisesta reaktiivisuudesta.

Sintrausaine sisältää n. 10 - 60 paino-% A^O^ ja loput SiC^. Eräässä toteutusmuodossa kyseinen sintraus-35 aine sisältää n. 10 - 20 paino-% A^O^ ja toisessa toteutusmuodossa se sisältää yli 20 - n. 60 paino-% A^O^.

Il ; 5 93590

Usein kyseinen sintrausaine sisältää n. 40 - 55 paino-% AI2O3 ja loput SiC^·

Kyseinen sintrausaine voi olla lukuisissa eri muodoissa. Se voi esimerkiksi olla A^O^ ja SiC^-pulvereiden 5 ja/tai alumiinisilikaatin yhdistelmä. Alumiinisilikaatti voi olla luonnonmateriaali tai se voidaan valmistaa lukuisilla tekniikoilla, kuten A^O^- ja SiC^-jauheiden seoksen sulatuksella tai kiinteän tilan sintrauksella. Luonnonmateriaali voi olla savi tai mineraali, joka koos-10 tuu edullisesti pääasiassa kyseisestä sintrausaineesta.

Tyypillisiä tällaisia luonnonmateriaaleja ovat bentoniit-ti ja tiilisavi. Tarkemmin sanoen luonnonmateriaalin tulee olla materiaali, jolla poltettuna, mutta ennenkuin se saavuttaa sintrauslämpötilan, on poltettu koostumus, 15 joka sisältää kyseistä alumiinisilikaatti ja epäpuhtauksia alle 10 paino-%:n määrän poltetusta kokoonpanosta. Poltettuun kokoonpanoon jäävillä epäpuhtauksilla ei saa olla merkittävää haitallista vaikutusta kyseiseen ydinpolttoaineeseen.

20 Sintrausainetta käytetään määrä, joka vaihtelee välillä 0,1 - 1 paino-% seoksesta, joka koostuu uraani-dioksidipulverista ja sintrausaineesta. Kulloinkin käytetty sintrausaineen määrä on määritettävissä kokeellisesti ja se riippuu suuressa määrin kulloinkin halutus-25 ta sintratusta kappaleesta. Usein tämän sintrausaineen määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,8 paino-%, tai n.

0,2 - 0,6 paino-%, tai n. 0,25 - 0,5 paino-% seoksen kokonaispainosta, joka koostuu uraanidioksidista ja sintrausaineesta. Eräässä toteutusmuodossa sintraus-30 aineen määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - alle n. 0,5 paino-%, tai n. 0,1 - tai 0,2 - 0,4 paino-% seoksesta, joka koostui uraanidioksidipulvereista ja sintrausainetta.

Sintrausaine ja/tai sen lähde voidaan sekoittaa 35 uraanidioksidipulveriin lukuisilla tavanomaisilla tekniikoilla ja edullisesti ne sekoitetaan seoksen muodosta- 6 93590 miseksi, johon sintrausaine on dispergoitu edullisesti ainakin merkittävän tai oleellisen tasaisesti. Sintrausaine ja/tai sen lähde on muodoltaan hiukkasmainen ja sen tarvitsee olla kokoa, joka muodostaa halutun seoksen ja 5 yleensä niiden koko on alle n. 20 mikronia.

Haluttaessa huokosia muodostavaa lisäainetta voidaan myös sekoittaa pulveriin auttamaan halutun huokoisuuden tuottamisessa sintrattuun kappaleeseen. Voidaan käyttää tavanomaisia huokosia muodostavia lisäaineita, 10 kuten esimerkiksi ammoniumoksalaattia, polymetyylimet-akrylaattia tai muita materiaaleja, jotka höyrystyvät pois kuumennettaessa sintrauslämpötilan alapuolelle. Huokosia muodostavaa lisäainetta voidaan käyttää tavanomaiseen tapaan tehokas määrä. Yleensä huokosia muodos-15 tavan lisäaineen määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 2 pai-no-% seoksesta, joka koostuu uraanidioksidista, sintraus-aineesta ja huokosia muodostavasta lisäaineesta.

Lukuisia tavanomaisia tekniikoita voidaan käyttää seoksen muotoilemiseen tai puristumiseen tiivisteeksi.

20 Se voidaan esimerkiksi suulakepuristaa, ruiskuvalaa, muot-tiinpuristaa tai isotaattisesti puristaa halutun muotoisen tiivisteen valmistamiseksi. Mahdollisilla voiteluaineilla, sideaineilla tai vastaavilla materiaaleilla, joita käytetään auttamaan seoksen muotoilussa, ei saa olla 25 merkittävää haitallista vaikutusta tiivisteeseen tai tuloksena olevaan sintrattuun kappaleeseen. Tällaiset muo-toiluapumateriaalit ovat edullisesti tyyppiä, joka haihtuu kuumennettaessa suhteellisen mataliin lämpötiloihin, edullisesti alle 500 °C:een jättämättä merkittävää jään-30 nöstä. Tiivisteen huokoisuus on edullisesti alle n. 60 % ja edullisemmin alle n. 50 % tiivistämisen edistämiseksi sintrauksen aikana.

Tiivisteellä voi olla mikä tahansa haluttu muoto, kuten esimerkiksi rae, sylinteri, levy tai neliö. Tyy-35 pillisesti tiiviste on sylinterin, tavallisesti suoran sylinterin muodossa.

7 93590

Tiiviste sintrataan olosuhteissa, jotka tuottavat kyseisen sintratun kappaleen. Tiiviste sintrataan atmosfäärissä, joka voi vaihdella riippuen suuresti kulloisestakin valmistusprosessista. Atmosfääri on ympäristön läm-5 pötilassa tai suunnilleen siinä tai ilmakehän paineessa tai lähellä sitä. Tiiviste voidaan sintrata atmosfäärissä, jonka tiedetään olevan hyödyllinen pelkän uraani-dioksidin sintraukseen uraanidioksidiydinpolttoaineen valmistuksessa. Sintraus tyhjössä ei kuitenkaan olisi 10 hyödyllistä, koska se pyrkisi haihduttamaan SiC>2:a.

Yleensä tiiviste sintrataan atmosfäärissä, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluvat vety, märkä vety, jonka kastepiste on edullisesti n. 20 °C, kaasuseoksen hallittu atmosfääri, joka tasapainossa tuottaa hapen osapai-15 neen, joka on riittävä pitämään uraanidioksidin halutussa hapen ja uraanin välisessä atomisuhteessa, ja niiden yhdistelmä. Tyypillinen sopiva kaasuseos, joka tasapainossa tuottaa hapen osapaineen, on hiilidioksidi ja hiilimonoksidi, kuten on selostettu US-patentissa 20 3 927 154, myönnetty nimellä Carter, ja jonka oikeudet on myönnetty tämän hakemuksen oikeuksien omistajalle ja joka liitetään viitteenä tähän esitykseen.

Tiiviste sintrataan lämpötilassa, jossa sintraus-aine muodostaa nestefaasin uraanidioksidin kanssa, mikä 25 tekee mahdolliseksi valmistaa kyseisen nestefaasissa sintratun kappaleen. Yleensä sitä suurempi on sintraus-aineen Si02~pitoisuus, sitä alempi on lämpötila, jossa nestefaasi muodostuu. Kyseinen sintrauslämpötila vaih-telee yli n. 1 500 °C:sta lämpötilaan, jossa merkittä-30 vää Si02:n höyrystymistä ei esiinny. Yleensä se vaih- telee yli n. 1 500 °C:sta n. 2 000 °C:seen, edullisesti ,L välillä n. 1 540 - 1 750 °C ja edullisemmin välillä n.

1 600 - 1 700 °C.

Kun sintrausaine sisältää n. 10 - 20 paino-% 35 Al202, sintrauslämpötilassa on läsnä vain kiinteää uraanidioksidia ja nestefaasia. Jäähdytettäessä neste- „ 93590

O

faasi tuottaa vain lasimaisen alumiinisilikaattifaasin. Yleensä tällä lasifaasilla on koostumus, joka on sama kuin sintrausaineella tai joka ei poikkea merkittävästi siitä ja sitä on läsnä määrä, joka on sama kuin käyte-5 tyn sintrausaineen määrä tai joka ei poikkea merkittävästi siitä.

Kuitenkin kun sintrausaine sisältää yli n. 20 pai-no-% Al20^, se muodostaa sintrattuun kappaleeseen lasi-faasin, joka sisältää n. 20 paino-% A^O^ ja n. 80 pai-10 no-% Si02 ja kiteistä mulliittifaasia sauvojen muodossa. Yleensä keksinnön tässä toteutusmuodossa tuotetun lasi- ja mulliittifaasin kokonaismäärä on sama kuin käytetyn sintrausaineen määrä tai ei poikkea merkittävästi siitä. Tarkemmin sanoen lasimainen alumiinisilikaatti-15 ja mulliittifaasin kokonaismäärä vaihtelee yleensä välissä n. 0,1 - 1 paino-% sintratusta kappaleesta ja lasi-faasikomponenttia on läsnä vähintään n. 0,05 paino-%:n määrä sintratusta kappaleesta ja mulliittifaasikompo-nenttia on läsnä vähintään todettavissa oleva määrä, ts. 20 määrä, joka on todettavissa läpäisyelektronimikroskoopil-la ja valitun alueen elektronidiffraktiolla. Tavallisesti kun sintrausaineen A^O^-pitoisuutta nostetaan, sint-ratussa kappaleessa olevan mulliitin määrä kasvaa.

Kun sintrausaine sisältää yli n. 20 paino-% 25 Al20^, se voi olla täysin nestemäinen sintrauslämpötilas- sa tai sitten ei. Kun se on täysin nestemäinen, neste-faasin jäähdyttäminen saostaa jonkin verran mulliittia ja tuottaa sintratun kappaleen, jossa mulliittia on läsnä lasifaasissa päällystettyjen uraanidioksidirakeiden vä-30 lisissä taskuissa. Kuitenkin alemmissa sintrauslämpöti-loissa ja/tai suuremmilla A^O^-pitoisuuksilla sintrausaine voi tuottaa nestefaasin ja myös jonkin verran mulliittia sintrauslämpötilassa, mikä johtaa sintrattuun kappaleeseen, jossa pieniä mulliittirakeita on läsnä 35 lasifaasissa päällystettyjen uraanidioksidirakeiden välisissä taskuissa ja jossa suuret mulliittirakeet tunkeu- 9 93590 tuvat uraanidioksidirakeisiin, ovat merkittävästi pitempiä, tavallisesti vähintään n. 20 % pitempiä kuin mulliittisauvat, jotka sijaitsevat lasifaasissa.

Samoin mulliittisauvoja, jotka tunkeutuvat uraanidioksi-5 dirakeisiin, on yleensä läsnä alle n. 50 tilavuus-% sintratussa kappaleessa olevan mulliittifaasin kokonaismäärästä .

Tiivistettä pidetään sintrauslämpötilassa aika, joka vaaditaan kyseisen sintratun kappaleen tuottami-10 seen. Aika sintrauslämpötilassa on määritettävissä kokeellisesti riippuen suuresti kulloinkin halutusta sintratusta kappaleesta. Yleensä uraanidioksidin raekoon sintratussa kappaleessa määräävät sintrauslämpötila, aika sintrauslämpötilassa ja sintrausaika. Taval-15 lisesti mitä korkeampi sintrauslämpötila ja/tai mitä pitempi aika sintrauslämpötilassa, sitä suurempia ovat uraanidioksidirakeet. Suuremmat alumiinioksidipitoi-suudet sintrausaineessa johtavat myös suurempiin uraanidioksidirakeisiin.

20 Kuumennusnopeutta sintrauslämpötilaan rajoittaa suuresti se, kuinka nopeasti mahdolliset sivutuotekaa-sut poistetaan ennen sintrausta ja yleensä tämä riippuu kaasun virtausnopeudesta uunin läpi ja sen tasaisuudesta siinä sekä materiaalin määrästä uunissa. Yleensä kuu-25 mennusnopeutta n. 50 - 300 °C/h käytetään, kunnes sivu-tuotekaasut on poistettu uunista ja tämä voidaan määrittää kokeellisesti standarditekniikalla. Kuumennusnopeutta voidaan sitten haluttaessa nostaa välille n. 300 -500 °C/h ja jopa arvoon 800 °C/h, mutta se ei saa olla 30 niin nopea, että se murtaa kappaleet.

Sintrauksen päätyttyä sintrattu tuote jäähdytetään kyseisen sintratun kappaleen tuottamiseksi ja tavallisesti se jäähdytetään ympäristön tai suunnilleen huoneenlämpötilaan, joka tavallisesti vaihtelee välillä 35 n. 20 - 30 °C. Sintratun tuotteen tai kappaleen jääh-dytysnopeus ei ole kriittinen, mutta se ei saa on niin

„ «SSO

nopea, että se murtaa kappaleen. Tarkemmin sanoen jääh-dytysnopeus voi olla sama kuin jäähdytysnopeudet, joita normaalisti tai tavallisesti käytetään kaupallisissa sintrausaineissa. Nämä jäähdytysnopeudet voivat vaihdel-5 la välillä n. 100 - 800 °C/h. Sintrattu tuote tai kappale voidaan jäähdyttää samassa atmosfäärissä, jossa se sintrattiin tai eri atmosfäärissä, jolla ei ole merkittävää haitallista vaikutusta siihen.

Eräässä toteutusmuodossa kyseinen sintrattu kappa-10 le sisältää kiteisiä uraanidioksidirakeita ja amorfisen lasimaisen alumiinisilikaattifaasin, joka sisältää n.

10 - 20 paino-% ja loput SiC^. Tässä toteutusmuo dossa lasifaasin määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 1 paino-% sintratusta kappaleesta. Usein sen määrä vaihtelee 15 välillä n. 0,1 - 0,8 paino-% tai n. 0,2 - 0,6 paino-% tai n. 0,25 - 0,5 paino-% tai n. 0,1 - alle n. 0,5 paino-% tai n. 0,1 - tai 0,2 - 0,4 paino-% sintratusta kappaleesta .

Toisessa toteutusmuodossa kyseinen sintrattu kap-20 pale sisältää kiteistä uraanidioksidia, lasimaista alumiinisilikaattifaasia, joka sisältää n. 20 paino-%

Al2°3 loPut si°2' ia mulliittifaasia, jota on läsnä vähintään todettavissa oleva määrä, ja jota lasifaasia on läsnä vähintään n. 0,05 paino-%:n määrä kappaleesta.

25 Yleensä tässä toteutusmuodossa lasi- ja mulliittifaasien kokonaismäärä on sama kuin käytetyn sintrausaineen määrä tai se ei poikkea merkittävästi siitä. Tarkemmin sanoen lasi- ja mulliittifaasien kokonaismäärä vaihtelee välillä n. 0,1 - 1 paino-% tai n. 0,1 - 0,8 paino-% tai n.

30 0,2 - 0,6 paino-% tai n. 0,25 - 0,5 paino-%, tai n.

0,1- alle n. 0,5 paino-% tai n. 0,1 - tai 0,24 - 0,4 paino-% sintratusta kappaleesta. Usein lasifaasikomponent-tia on läsnä yli n. 0,05 paino-%:n määrä tai yli n.

0,1 paino-% tai yli n. 0,2 paino-% sintratusta kappa-35 leesta. Samoin usein mulliittifaasikomponenttia on läsnä vähintään n. 0,01 paino-%:n määrä tai vähintään n.

0,1 paino-% tai vähintään n. 0,2 paino-% sintratusta kappaleesta.

11 93590

Jos kyseistä sintrausainetta on alle n. 0,1 pai-no-%:n määrä, se ei ehkä tuota kyseistä sintrattua kappaletta. Toisaalta yli n. 1 paino-%:n määrä sintrausainetta tuottaa liiallisen määrän lasi- ja/tai mulliitti-5 faasia, mikä ei aikaansaa merkittävää etua ja joka veisi tilan, jonka uraanidioksidi voisi hyödyllisesti miehittää.

Yleensä sintratussa kappaleessa oleva lasifaasi on vapaa uraanidioksidista. On kuitenkin mahdollista, että joissakin tapauksissa jonkin verran uraanidioksidia saat-10 taisi olla läsnä lasifaasissa piehenkö määrä, joka on todettavissa erikoisanalyysillä, jota ei uskota tällä hetkellä olevan käytettävissä, ja tällaisia tapauksia uraanidioksidia olisi tavallisesti korkeintaan n. 0,5 paino-% lasifaasista.

15 Lasimainen alumiinisilikaattifaasi sintratussa kappaleessa on jatkuva, yhteenliittyvä faasi. Lasifaasi peittää jokaista uraanidioksidiraetta jättämättä merkittävää osaa siitä paljaaksi vähintään n. 99 tilavuus-%:isesti ja edullisesti yli 99,5 tilavuus-%:isesti sintratussa 20 kappaleessa olevien uraanidioksidirakeiden kokonaistilavuudesta. Kaikkein edullisimmin se peittää jokaista uraanidioksidiraetta jättämättä merkittävää osaa siitä paljaaksi. Lasifaasilla, joka peittää uraanidioksidiraetta jättämättä merkittävää osaa siitä paljaaksi, tarkoite-25 taan päällystettä, joka peittää ainakin oleellisesti koko raetta. Tarkemmin sanoen lasifaasi muodostaa ohuen jatkuvan kiinnitarttuvan päällysteen jokaiselle uraani-dioksidirakeelle, jota se peittää, jonka paksuus vaihte-lee yleensä välillä n. 5-20 A. Edullisessa toteutus-30 muodossa lasifaasi peittää jokaista uraanidioksidiraetta kokonaan, ts. se sulkee kokonaan sisäänsä jokaisen uraanidioksidirakeen vähintään n. 99 tilavuus-%:isesti ja edullisesti yli 99,5 tilavuus-%:isesti sintratussa kappaleessa olevien uraanidioksidirakeiden kokonaistila-35 vuudesta. Tarkemmin sanoen lasifaasi peittää jokaisen uraanidioksidirakeen kokonaan. Lasimainen alumiinisili- „ 93590 kaattifaasi ulottuu myös jossain määrin rakoihin, ts.

3-rakeiden ja 4-rakeiden rakoihin, joita on päällystettyjen uraanidioksidirakeiden välissä. Se missä määrin lasifaasi täyttää rakoja, riippuu suuresti sintrausaineen 5 määrästä sintratussa kappaleessa. Sintratun kappaleen mikrorakenteen morfologia osoittaa, että lasimainen alu-miinisilikaattifaasi oli nestemäinen sintrauslämpötilassa.

Sintratussa kappaleessa olevilla uraanidioksidi-rakeilla on keskimääräinen raekoko, ts. keskihalkaisija, 10 joka vaihtelee välillä n. 20 - 100 mikronia, edullisesti välillä 30 - 80 mikronia, usein. n. 40 - 70 mikronia ja useammin välillä n. 45 - 60 mikronia. Tämän keksinnön eräässä toteutusmuodossa uraanidioksidirakeiden koko ei vaihtele merkittävästi.

15 Keskimääräinen raekoko voidaan määrittää standar ditavalla. Tässä keksinnössä käytettiin standardi-viivankatkaisutekniikkaa. Tarkemmin sanoen sintratun kappaleen kiilloitetun ja syövytetyn poikkileikkauksen mikroskooppivalokuvaan vedettiin viiva ja pitkin viivan 20 määrättyä pituutta katkeavat raeajat laskettiin ja jaettiin ko. määrätylle viivan pituudelle keskimääräisen ra-keen katkaisupituuden saamiseksi mikroneina. Ko. arvo kerrottiin sitten luvulla 1,5 keskimääräisen raekoon määrittämiseksi.

25 Kyseisellä sintratulla kappaleella on ulkonäkö, joka osoittaa sen olleen nestefaasissa sintrattaessa. Uraanidioksidirakeiden kulmat tarkasteltuna kiillotetusta leikkauksesta osoittautuvat lasifaasitaskujen pyöristämiseksi, jotka taskut sijaitsevat rakeen kulmas-30 sa, ts. niillä on nestefaasissa sintratun keraamin ulkonäkö. Yleensä uraanidioksidirakeet ovat samanakselisia tai oleellisesti samanakselisia.

Kyseinen sintrattu kappale sisältää ainakin jonkin verran huokoisuutta, joka yleensä on suljettua huo-35 koisuutta, ts. yhteenliittymättömiä huokosia. Houkoisuus on jakautunut sintratun kappaleen läpi ja edullisesti se II.

13 93590 on jakautunut ainakin merkittävän tai oleellisesti tasaisesti. Yleensä sintratun kappaleen huokoisuus vaihte-lee välillä n. 2 - alle 10 tilavuus-% sintratusta kappaleesta riippuen suuresti reaktorimallista. Usein huokoi-5 suus vaihtelee välillä n. 4 - 8 tilavuus-%, useammin välillä n. 4 - 6 tilavuus-% ja on useimmiten n. 5-tila-vuus-% sintratun kappaleen koko tilavuudesta. Houkosten koko vaihtelee edullisesti yli n. 1 mikronista n. 20 mikroniin ja edullisemmin välillä n. 5 - 20 mikronia.

10 Tavallisesti kyseisen sintratun kappaleen dimensiot eroavat sintraamattoman kappaleen dimensioista kutistuman, ts. tiivistymisen määrällä, jota sintrauksen aikana tapahtuu.

Kyseisen alueen ulkopuolella oleva alumiinisili-15 kaatti ei ole käyttökelpoinen sintrausaineena kyseisen sintratun kappaleen valmistukseen. Yleensä alumiini-silikaatti, joka sisältää yli n. 90 paino-% SiC>2, tuottaa sintratun kappaleen, jolla on liian pieni raekoko. Toisaalta alumiinisilikaatti, joka sisältää Al203:a mää-20 rän, joka vaihtelee yli n. 60 paino-%:sta mulliittikoos-tumukseen, ts. kiteiseen alumiinisilikaattiin, joka sisältää vähintään n. 71,5 paino-% A120.j, ei ole käyttökelpoinen, koska halutun lasifaasin määrä on liian pieni suurimman osan sintrausaineesta ollessa kiteisenä 25 mulliittina.

Mulliitti ei ole hyödyllinen sintrausaineena, koska se tuottaisi kiteistä mulliittifaasia sintrattuun kappaleeseen eikä tuottaisi kyseistä vaadittua lasi-maista alumiinisilikaattifaasia.

30 Si02 Pöljästään ei ole hyödyllinen sintraus aineena, koska se tuottaa sintratun kappaleen, jolla on liian pieni raekoko eikä muodostunut lasifaasi jakaudu tasaisesti koko sintrattuun kappaleeseen. Niinikään A12C>2 pelkästään jättäisi kiteistä Al2C>3:a sint-35 rattuun kappaleeseen. Kiteiset faasit eivät anna sint-ratulle uraanidioksidikappaleelle plastisuutta korkeissa lämpötiloissa, joka on merkittävästi suurempi kuin pelkällä uraanidioksidilla.

14 93590

Kyseinen sintrattu kappale on hyödyllinen ydinpolttoaineena. Se sisältää halkeavaa materiaalia yleensä saman määrän kuin on läsnä uraanidioksidipulverissa. Kyseisen sintratun kappaleen suuren raekoon pitäisi pie-5 nentää merkittävästi halkeamiskaasun vapautumisnopeuksia. Samoin uraanidioksidirakeita peittävä lasifaasi antaa sintratulle kappaleelle plastisuuden tai ryömynopeuden, jonka pitäisi tehdä polttoaineelle mahdolliseksi merkittävää jäännösrasitusta päällysteeseen.

10 Tätä keksintöä kuvataan tarkemmin seuraavilla esi merkeillä, joissa menettely oli seuraava ellei toisin mainita: Käytettiin alle mikronin kokoista uraanidioksidi-pulveria, joka sisälsi uraanin halkeavaa isotooppia ja 15 jossa hapen ja uraanin välinen atomisuhde oli yli n.

2,0.

Sintrausaine oli muodoltaan hiukkasmainen.

Bentoniittimineraalin tyypillinen analyysi ennen polttoa: 20 72,45 paino-% piidioksidia, 1,21 paino-% ferriok- sidia, 15,47 paino-% alumiinioksidia, 1,97 paino-% kal-siumoksidia, 1,69 paino-% magnesiumoksidia, 6,76 paino-% :n polttohäviö, 0,23 paino-% natriumoksidia, 0,06 paino-% kaliumoksidia, 0,032 paino-% rikkiä ja 25 0,33 paino-% titaanidioksidia.

Tiilisavimineraalin tyypillinen analyysi ennen polttoa: 46,04 paino-% piidioksidia, 0,81 paino-% ferri-oksidia, 38,80 paino-% alumiinioksidia, 0,52 paino-% 30 kalsiumoksidia, 0,43 paino-% magnesiumoksidia, 13,0 paino-%:n polttohäviö, 0,09 paino-% natriumoksidia, 0,12 paino-% kaliumoksidia, 0,041 paino-% rikkiä ja 1,33 paino-% titaanidioksidia.

Sintransuaine sekoitettiin uraanidioksidipulve-35 riin standarditavalla hämmentäen oleellisesti tasaisen seoksen valmistamiseksi.

15 93590

Uraanidioksidipulverin ja sintrausaineen seos puristettiin teräsmuottiin raakakappaleen saamiseksi rakeen muodossa, ts. tiivisteenä karkeasti samanakseli-sen sylinterin muodossa, jonka huokoisuus oli n. 50 %.

5 Sintrausatmosfääri oli vety.

Sintrausatmosfääri oli ilmakehän paineessa tai lähellä sitä.

Tiheys määritettiin standarditavalla punnitsemalla sintrattu kappale ja mittaamalla sen dimensiot.

10 Sintratun kappaleen huokoisuus määritettiin tuntemalla tai arvioimalla sintratun kappaleen teoreettinen tiheys sen koostumuksen perusteella ja vertaamalla sitä tiheyteen, joka mitattiin käyttäen seuraavaa yhtälöä : 15 huokoisuus = (1 mitattu tiheys , x 100 % teoreettinen tiheys

Sintratun kappaleen keskimääräinen uraanidioksi-20 din raekoko määritettiin tässä paljastetulla viivakat-kaisumenetelmällä.

Sintrattu kappale karakterisoitiin lukusiilla standarditekniikoilla.

Muun tutkimuksen perusteella tiedettiin, että 25 sintratun kappaleen hapen ja uraanin välinen atomisuh-de oli n. 2,00.

Sintratun kappaleen ryömynopeus määritettiin puristamalla suoraa ympyräsylinterinmuotoista koekappaletta sen akselia pitkin korkeissa lämpötiloissa 30 vakiokuormalla atmosfäärissä, joka sisälsi 94 % Ar ja 6 % H2· Muuttumaton ryömynopeus paljastetaan taulukossa 1.

Esimerkki 1

Tiilisavimineraalin alumiinisilikaattikomponent-35 ti sisälsi n. 45 paino-% A^O^ ja 55 paino-% SiC^· Tiilisavimateriaali kalsinoitiin ilmassa 750 °C:ssa 1S 93590 vakiopainoon. 99,75 paino-% uraanidioksidipulveria ja 0,25 paino-% kalsinoitua tiilisavipulveria (n. 0,24 paino-% alumiinisilikaattikomponenttia laskettuna alumiini-silikaatin ja uraanidioksidin seoksesta) sekoitettiin yh-5 teen (laskettuna uraanidioksidi- ja tiilisavipulvereiden seoksesta) 2paino-%:n kanssa väliaikaista sideainetta ja 0,8 paino-%:n kanssa huokosenmuodostajaa tärymyllyssä käyttäen alumiinioksidia jauhatusväliaineena. Seoksesta 3 puristettiin rakeita, joiden raakatiheys oli 5,35 g/cm 10 (huokoisuus n. 52 %) ja sintrattiin määrän krakatun ammoniakin atmosfäärissä (25 % ^ ja 75 % Hkastepiste n. 10 °C) n. 1 650 °C:ssa n. 4 tunnin ajan. Sideaine ja huokosenmuodostaja hajosivat ja haihtuivat pois alle 1 000 °C:ssa.

15 Eräiden tuloksena olevien sintrattujen kappalei den mikrorakenne osoitti oleellisesti tasaista lasifaa-sin jakautumista uraanidioksidin raerajoilla. Keskimääräinen uraanidioksidin raekoko oli n. 27 - 33 mikronia. Sintrattujen kappaleiden huokoisuus oli n. 5 tilavuus-%, 20 joka koostui niihin jakautuneista suljetuista huokosista. Nämä sintratut kappaleet olisivat hyödyllisiä ydinpolttoaineena .

Perustuen vastaaville sintratuille kappaleille tehtyyn kemialliseen analyysiin tiedettiin, että lasi-25 faasi oli alumiinisilikaattifaasi, joka ei poikennut koostumukseltaan tai määrältään merkittävästi sintraus-aineen alumiinisilikaattikomponenteista. Samoin muun tutkimuksen perusteella tiedettiin, että lasifaasi oli jatkuva, yhteenliittyvä ja peitti jokaista uraani-30 dioksidiraetta yli 99 tilavuus-%:sesti uraanidioksidi-rakeista jättämättä merkittävää osaa siitä paljaaksi.

Sintratut kappaleet panostettiin sirkoniumlejee-rinkiä (Zirkaoy-2) olevaan kuoriputkeen ensimmäisen polttoainesauvakokoonpanon muodostamiseksi.

35 Vertailun vuoksi valmistettiin uraanidioksidia oleva standardipolttoaine. Uraanidioksidipulverista i7 93590 puristettiin rakeita, joiden raakatiheys oli 5,10 - 3 5,18 g/m (huokoisuus n. 55 %) ja sintrattiin märän krakatun ammoniakin atmosfäärissä (25 % ^ ja 75 % , kastepiste n. 10 °C) n. 1 780 °C:ssa n. 4 tunnin 5 ajan. Tuloksena olevien sintrattujen kappaleiden keski-raekoko oli n. 15 - 17 mikronia. Pelkkää uraanidioksi-dia olevat sintratut kappaleet panostettiin sirkonium-ljeerinkiä (Zirkaloy -2) olevaan kuoriputkeen toisen polttoainesauvakokoonpanon muodostamiseksi, joka oli 10 oleellisesti samanlainen kuin ensimmäinen polttoaine-sauvakokoonpano.

Kumpaakin polttoainesauvakokoonpanoa säteily-tettiin ydinreaktorissa oleellisesti samoissa pienteho-olosuhteissa ja instrumentoitiin venymisominaisuuksien 15 määrittämiseksi tehon funktiona seuraavan säteilytyksen aikana.

Tulokset esitetään kuviossa 2. Polttoainesauvan venymä kyseisellä polttoaineella, joka sisälsi 0,25 % tiilisavea, ja pelkkää uraanidioksidia olevalla stan-20 dardipolttoaineella esitetään ajan funktiona. Polttoaineen tehonmuodostumäärä yksiköissä kW/m esitetään myös. Voidaan nähde, että kun polttoaineen tehotasoa nostettiin, polttoainesauvat venyivat ja relaksoituivat ajan kuluessa. Kuvio 2 osoittaa, että suuremmilla teho-25 tasoilla kyseisen polttoaineen pituus osoitti merkittävää relaksaatiota jokaisen tehonnoston jälkeen. Tämä on osoitus kyseisen polttoaineen suuresta muodonmuutosnopeudesta ja nopeasta kuoreen kohdistuvien jännitysten relaktsoitumisesta.

30 Mikä merkittävää standardipolttoaineesta koos tuva polttoainesauva petti rakeen ja kuoren vuorovaikutuksesta johtuvalla polttoaineen rikkoutumismekanismilla tehoarvolla 52 kW/m, koska kuori ei kyennyt kestämään polttoaineen aiheuttamia suuria jäännösjännityksiä.

35 Rikkoutumispistettä osoittaa kuviossa 2 luonteenomainen polttoainesauvan nopea kutistuminen.

18 93590

Edellä kuvatuista tuloksista päätellään, että kuoren jännitysten nopea relaksoituminen, joka luetaan kyseisen polttoaineen suuren muodonmuutosnopeuden ansioksi, antaa kyseistä polttoainetta käyttäville polttoaine-5 sauvamalleille tietynasteisen rakeiden ja kuoren välisen vuorovaikutuksen vastustuskyvyn.

Esimerkki 2

Vastaanotetussa tilassa olevaa tiilisavimate-riaalia käytettiin sintrausaineena. Sen alumiinisili-10 kaattikomponentti sisälsi n. 46 paino-% A^O^ ja n.

54 paino-% SiC^.

0,5 paino-% tiilisavimineraalia sekoitettiin uraanidioksidipulveriin seoksen valmistamiseksi, joka sisälsi sintrausainetta n. 0,435 paino-%:n määrän seok-15 sesta, joka koostui sintrausaineesta ja uraanidioksi-dista.

Seos puristettiin tiivisteeksi. Valmistettiin useita suunnilleen samankokoisia tiivisteitä. Tiivisteet sintrattiin samanaikaisesti vedyssä n. 1 605 °C:ssa, 20 jossa niitä pidettiin n. 4 tuntia ja jäähdytettiin sitten uunissa huoneenlämpötilaan.

Sintratun kappaleen keskimääräinen raekoko oli n.

23 mikronia ja huokoisuus n. 3 tilavuus-%, joka koostui kappaleeseen jakautuneista suljetuista huokosista.

25 kahden sintratun kappaleen ryömynopeudet määri tettiin ja tulokset esitetään taulukossa 1 esimerkkeinä 2 A ja B. Tarkemmin sanoen esimerkki 2 A osoittaa, että 1 500 °C:ssa ja 13,8 MPa:n jännityksellä sintra- -3 -1 tun kappaleen ryömynopeus oli 2,60 x 10 h . Tämä 30 arvo on n. 30 kertaa suurempi kuin ryömynopeus pelkkää uraanidioksidia olevalla sintratulla kappaleella, jonka keskiraekoko oli n. 15 mikronia samoissa lämpötila- ja jännitysolosuhteissa kuin kirjallisuudessa on ilmoitettu. Samoin esimerkki 2B osoittaa, että 1 500 °C:ssa 35 ja 27,6 MPa:n jännityksellä sintratun kappaleen ryömy- -3 -1 nopeus oli 5,7 x 10 h . Tämä arvo on n. 30 kertaa 19 93590 suurempi kuin ryömynopeus pelkkää uraanidioksidia olevalla sintratulla kappaleella, jonka keskiraekoko oli n. 15 mikronia samoissa lämpötiloissa lämpö- ja jännitysolosuhteissa kuin kirjallisuudessa on ilmoitettu.

5 Perustuen sarjaan muita kokeita tiedettiin, että sintrattu kappale koostui kiteisistä uraanidioksidira-keista, lasifaasista ja kiteisestä mulliitista ja että lasifaasi oli alumiinisilikaattia, joka sisälsi n.

20 paino-% ja n. 80 paino-% SiC^. Samoin muun 10 tutkimuksen perusteella tiedettiin, että lasi- ja mul-liittifaasien kokonaismäärä sintratussa kappaleessa ei poikennut merkittävästi sintrausaineen alumiinisili-kaattikomponentin määrästä ja että lasi- ja mulliitti-faaseja oli läsnä oleellisesti yhtä suuret määrät. Samoin 15 muun tutkimuksen perusteella tiedettiin, että lasifaasi oli jatkuva, yhteenliittyvä ja peitti uraanidioksidi-raetta yli 99 tilavuus-%:isesti uraanidioksidirakeista jättämättä merkittävää osaa niistä paljaaksi. Samoin muun tutkimuksen perusteella tiedettiin, että mulliitti 20 oli sauvojen muodossa, jotka sijaitsivat uraanidioksidi-rakeiden välisissä raoissa.

Esimerkki 3

Sintrausaine sisälsi 45 paino-% A^O^-pulveria ja 55 paino-% SiC^-pulveri.

25 Sintrausaine sekoitettiin uraanidioksidipulveriin oleellisesti tasaisen seoksen valmistamiseksi, joka sisälsi sintrausainetta 0,5 paino-%:n määrän koko seoksesta .

Seos puristettiin tiivisteeksi. Tiivistettä sint-30 rattiin no. 1 640 °C:ssa 7 tuntia ja jäähdytettiin sitten uunissa suunnilleen huoneenlämpötilaan.

Sintratun kappaleen kiilloitettua poikkileikkausta tutkittiin valomikroskoopilla. Se koostui uraanidioksidirakeista, lasifaasistaja mulliitista.- Mulliitti oli 35 sauvojen muodossa, jotka sijaitsivat uraanidioksidira-keiden välissä olevissa lasifaasitaskuissa. Muun tutki- 20 93590 muksen perusteella tiedettiin, että lasifaasi oli alumiinisilikaattia, joka sisälsi n. 20 paino-% Al203 ja n. 80 paino-% SiC^f että lasi- ja mulliittifaasien kokonaismäärä sintratussa kappaleessa ei eronnut mer-5 kittävästi käytetyn sintrausaineen määrästä ja että lasi- ja mulliittifaaseja oli läsnä oleellisesti yhtä suuret määrät. Samoin muun tutkimuksen perusteella tiedettiin, että lasifaasi oli jatkuva, yhteenliittyvä ja peitti jokaista uraanidioksidiraetta yli 99 tila-10 vuus-%:isesti uraanidioksidirakeista jättämättä merkittävää osaa niistä paljaaksi.

Uraanidioksidirakeet eivät poikenneet kooltaan merkittävästi toisistaan ja niiden keskikoko oli n. 37 mikronia.

15 Esimerkit 4-6 suoritettiin oleellisesti samalla tavoin kuin esimerkki 3. paitsi mitä taulukossa 1 esitetään .

Esimerkki 7 suoritettiin oleellisesti samalla tavoin kuin eimerkki 6 paitsi, mitä taulukossa 1 esite-20 tään ja tässä mainitaan. Esimerkissä 7 käytettiin 0,125 paino-% kalsinoitua tiilisavimineraalia (n.

0,12 paino-% alumiinisilikaattikomponenttia laskettuna seoksesta, joka sisälsi alumiinisilikaattia ja uraani-dioksidia) . Esimerkin 7 sintratun kappaleen poikkileik-25 kaus ohennettiin mekaanisesti, ionijauhettiin ja tutkittiin läpäisyelektronimikroskoopilla. Läpäisyelektroni-mikroskooppivalokuva, joka esittää ohutta rakeiden välistä lasifaasia, esitetään kuviossa 1. Samoin sauvojen muodossa oleva mulliittifaasi havaittiin uraanidioksidi-30 rakeiden välisissä taskuissa olevassa lasifaasissa.

Esimerkki 8 suoritettiin oleellisesti samalla tavoin kuin esimerkissä 2 paitsi, mitä tässä mainitaan ja taulukossa 1 esitetään. Bentoniittimineraalin alu-miinisilikaattikomponentti sisälsi n. 18 paino-% A^O-j 35 ja n. 82 paino-% SiC^. Esimerkissä 8 vastanotetussa ti- 21 93590 lassa oleva bentoniittimineraali sulatettiin, jähmetettiin ja jauhettiin alle 325 mesh-koon (U.S. standar-diseula) pulverin muodostamiseksi. Käytettiin 0,125 pai-no-% tuloksena olevaa bentoniittipulveria (n. 0,118 pai-5 no-% alumiinisilikaattikomponenttia laskettuna seoksesta, joka sisälsi alumiinisilikaattia ja uraanidioksidia). Esimerkin 8 sintratun kappaleen poikkileikkaus ohennettiin mekaanisesti, ionijauhettiin ja tutkittiin läpäisy-elektronimikroskoopilla . Läpäisyelektronimikroskooppi 10 osoitti ohutta rakeidenvälistä lasifaasia, jollainen havaittiin esimerkissä 7 ja esitetään kuviossa 1.

Esimerkit 2 - 8 on esitetty taulukossa 1.

Taulukossa 1 keskimääräinen raekoko on sintratun kappaleen uraanidioksidirakeiden raekoko. Samoin sintra-15 tun kappaleen faasikoostumus annetaan faaseina, jotka ovat läsnä uraanidioksidin ohella. Lisäksi ryömynopeus esimerkiksi 2,50 E-5 tarkoittaa 2,50 x 50 ^ h Taulukossa 1 N.D. tarkoittaa ei määritetty.

22 9 3 5 9 0 en n ro

D I I

oi i m w ω......

Oi 3 a OOQQQQ

O P I dl 3 Ο O......

C:OWO|I lOI^ZZZZSZ

>, >i 3 o 2 g o< g q (n in

O

>i I

14 3 q co ιχ ......

q q m m « «qqqdqq o 13 >, cu ro r~......

4-> 04-Ι231ΝΖΖΖΖΖΖ 3 e i 3 :0 ......

-P (¾¾ OOQQQQQQ

4J g 3 O O O......

3 :3 3 0 minzzzzzz 3 X) 4-> 3 3 "3 -3 -3 *3 4-1 4-) 4-> 4-1 3 4-> 4-> 4-1 4-> I >3 4-1 *3 ·3 ·3 -3 H 1¾ Ή ·Η -3 ·3 O d) ϊ> 3 <3 r—I 3 3 2 dj 3 3 3 3 Ό O 3 3 3 3 3 •3 O -M · · E E g · B -3 q q «ο -π q q + + + q + in •3 3 -3 q W · · -3 3 -3 · 3 3 4-13733323 3 W inz M3 q V4 3 :3 3 333 3 3 D in 3 »44 333 3 0

H

ω P e Λ 3 · 3 a: I ο a q 3 MiDAiroror-^rr^ro ·

3 ai30CNCNroinmroZZ

a; X. P a: o Q, O OOOOOOOO g3CJinm3,,7''j'3'inin

1 :3 3 0 lOlDiOiOiOOiOO

in :—( 3 I—13 3 3 3 3 1—13 3 3 3

O U

a: 4-1 3 y q a;

2 3 3 2'T'3'r~OOr'-CNCN

►J CO 3 CM IN

o <

H

op m m q I m co <n cm I ai :3 O m in in o 3 3 :3 0)qc^ mq:3 3_-,oooooo

3 3 :3 3 u U

O 3 g Qi 3 3 3 ^ 3 3 3 3 . *2 3 3

S 2 3 P

3 3 3 3

S in CU -H

S IN IN CM IN C g 0 0 0 0 0 0 3 3 2 2 3 3 3 3 g 4-1 g 5 CO 10 CO CO 3 3 %% + + + + *£

n U 5 (NCNCNCN-HO

R’J'JOOOO^+J OJJ cn cn cn <n -h C

w ’^1 ^ rH f—( »H »—I *H 0)

dP

CJ I

C 0

•Hroc^r^Lnmmm^cN

nj Ο ή m m m in m m m oo en -H IT3 D W CU 03 -P c#>

C I

•Hrooi£>vDmininnv£>co to O C ^ ^ ^ ^ 1H

CN-H

( o3 < cu

B

3 o m u < m

uqcMiNmM'inor'CO

23 9 3 5 9 0

Esimerkeissä 2-8 valmistetut sintratut kappaleet ovat hyödyllisiä ydinpolttoaineena. Tarkemmin sanoen taulukon 1 esimerkin 2 ryömynopeus oli oleellisesti suurempi kuin mitä kirjallisuudessa on ilmoitet-5 tu samanlaisille pelkän uraanidioksidin sintratuille kappaleille, joilla on piemepi keskimääräinen raekoko.

Tämä kyseisen ydinpolttoaineen suuri deformaationopeus tekee polttoaineelle mahdolliseksi toimia asettamatta kuoreen merkittävää jännitystä.

10 Samoin kyseisen polttoaineen suuremman raekoon pitäisi johtaa merkittävästi pienempiin kaasun purkau-tumisnopeuksiin.

Claims (32)

93590 24

1. Menetelmä sintratun uraanidioksidikappaleen valmistamiseksi, joka on hyödyllinen ydinpolttoaineena, 5 jossa uraanidioksidirakeiden keskimääräinen raekoko on noin 30 -80 mikronia ja jossa vähintään n. 99 tilavuus-% uraanidioksidirakeista on peitetty lasimaisella alumiini-silikaattifaasilla jättämättä merkittävää osaa niistä paljaaksi, mainitun kappaleen huokoisuuden vaihdellessa 10 n. 2 tilavuus-%:ista alle n. 10 tilavuus-%:iin, tunnettu siitä, että oleellisesti aikaansaadaan uranidi-oksidipulveri, joka sisältää halkeavaa ainetta, aikaansaadaan sintrausaine, joka sisältää oleellisesti n. 10 -60 paino-% A1203 ja loput Si02, sekoitetaan mainittu sint-15 rausaine mainittuun uraanidioksidipulveriin, jolloin saadaan seos, jossa sintrausaineen määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,8 paino-% sintrautuvasta seoksesta, muodostetaan saadusta seoksesta tiiviste, sintrataan mainittu tiiviste lämpötilassa, jossa mainittu sintrausaine muo-20 dostaa nestefaasin ja joka vaihtelee yli n. 1 500 °C:sta lämpötilaan, jossa ei esiinny mainitun Si02:n merkittävää höyrystymistä, olosuhteissa, joissa hapen ja uraanin välinen atomisuhde vaihtelee välillä n. 1,7 - 2,25, sintratun tuotteen valmistamiseksi, jolla on mainittu keskimää-25 räinen raekoko, ja jäähdytetään mainittu tuote mainitun sintratun kappaleen valmistamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu hapen ja uraanin välinen atomisuhde vaihtelee välillä n. 2,00 - 2,15.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun sintratun kappaleen huokoisuus vaihtelee välillä n. 4 - 8 tilavuus-% mainitusta sintratusta kappaleesta.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 35 tunnettu siitä, että mainitun sintrausaineen mää- 93590 25 rä vaihtelee välillä 0,2 - 0,4 paino-% mainitusta seoksesta.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun sintrausaineen mää- 5 rä vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,2 paino-% mainitusta seoksesta.

6. Patenttivaatimusken 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun sintrausaineen määrä vaihtelee välillä n. 0,2-0,6 paino-% mainitusta 10 seoksesta.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun sintrausaineen määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - alle n. 0,5 paino-% mainitusta seoksesta.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sintrausaine sisältää oleellisesti n. 10-20 paino-% A1203 ja loput Si02.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sintrausaine sisäl- 20 tää oleellisesti n. 20 - 60 paino-% A1203 ja loput Si02.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sintrausaine sisältää oleellisesti n. 20 - 60 paino-% Al203 ja loput Si02 ja muodostaa pienehkön määrän mulliittifaasia sint- 25 rauslämpötilassa.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sintrauslämpötila vaihtelee välillä n. 1 540 - 1 800 °C.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että yli n. 99,5 tilavuus-% uraa-nidioksidirakeista on kokonaan ympäröity sanotulla lasi-faasilla.

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sintraus suorite- 35 taan märän vedyn muodostamassa kaasuatmosfäärissä. 93590 26

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sintraus suoritetaan kaasuatmosfäärissä, joka koostuu hiilidioksidin ja hiilimonoksidin seoksesta.

15. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään luonnollista mineraalia aikaansaamaan mainittua sintrausainetta ja kun mainittua sintrausainetta kuumennetaan mainitun sintraus-lämpötilan alapuolella sillä on kuumennettu koostumus, 10 joka koostuu oleellisesti mainitusta sintrausaineesta ja epäpuhtauksista, joiden määrä on vähemmän kuin 10 pai-no-% kuumennetusta koostumuksesta.

16. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu uraanidioksidin 15 keskimääräinen raekoko vaihtelee välillä n. 30 - 70 mikronia.

17. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittujen uraanidioksidi-rakeiden keskimääräinen koko vaihtelee välillä n. 40 - 70 20 mikronia.

18. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittujen uraanidioksidi-rakeiden keskimääräinen koko vaihtelee välillä n. 45 - 60 mikronia.

19. Ydinpolttoainekappale, tunnettu siitä, että se oleellisesti koostuu kiteisen uraanidioksidin rakeista ja alumiinisilikaatin amorfisesta, lasimaisesta faasista, mainittujen uraanidioksidirakeiden keskimääräinen raekoko vaihtelee välillä n. 30 - 80 mikronia, mai-30 nittu lasifaasi on jatkuva ja yhteenliittyvä, vähintään 99 tilavuus-% mainituista uraanidioksidirakeista on päällystetty sanotulla lasifaasilla jättämättä merkittävää osaa niistä paljaaksi, mainitun lasifaasin määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,8 paino-% mainitusta kappaleesta, 35 joka lasifaasi sisältää oleellisesti n. 10 - 20 paino-% Al203 ja loput Si02 ja mainitun kappaleen huokoisuus vaih- Il , 93590 27 telee välillä n. 2 - alle n. 10 tilavuus-% mainitusta kappaleesta.

20. Patenttivaatimuksen 19 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittu hapen 5 atomisuhde uraaniin vaihtelee välillä n. 2,00 - 2,15.

21. Patenttivaatimuksen 19 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittu huokoisuus vaihtelee välillä n. 4 - 8 tilavuus-% mainitusta kappaleesta.

22. Patenttivaatimuksen 19 mukainen ydinpolttoai- nekappale, tunnettu siitä, että mainittujen uraa-nidioksidirakeiden mainittu keskikoko vaihtelee välillä n. 40 - 70 mikronia.

23. Patenttivaatimuksen 19 mukainen ydinpolttoai-15 nekappale, tunnettu siitä, että mainittujen uraa- nidioksidirakeiden keskimääräinen koko vaihtelee välillä n. 45 - 60 mikronia.

24. Patenttivaatimuksen 19 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainitun lasimai- 20 sen alumiinisilikaattifaasin määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - alle n. 0,5 paino-% mainitusta kappaleesta.

25. Patenttivaatimuksen 19 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainitun lasi- ja mulliittifaasin kokonaismäärä vaihtelee välillä n. 0,1 - 25 0,8 paino-% mainitusta kappaleesta, mainittua lasifaasia on läsnä vähintään n. 0,05 paino-% mainitusta kappaleesta ja mainittua mulliittifaasia on läsnä vähintään todettavissa oleva määrä

26. Patenttivaatimuksen 25 mukainen ydinpolttoai-30 nekappale, tunnettu siitä, että mainittua mul- liittifaasia on läsnä sanotussa lasifaasissa mainittujen päällystettyjen uraanidioksidirakeiden välisissä taskuissa.

27. Patenttivaatimuksen 25 mukainen ydinpolttoai-35 nekappale, tunnettu siitä, että mainittua mulliittif aasia on läsnä sanotussa lasifaasissa mainittujen 93590 28 päällystettyjen uraanidioksidirakeiden välisissä taskuissa ja sitä tunkeutuu myös mainittuihin päällystettyihin uraanidioksidirakeisiin.

28. Patenttivaatimuksen 25 mukainen ydinpolttoai-5 nekappale, tunnettu siitä, että mainittu hapen ja uraanin välinen atomisuhde vaihtelee välillä n. 2,00 -2,15.

29. Patenttivaatimuksen 25 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittu huokoi- 10 suus vaihtelee välillä n. 4 - 8 tilavuus-% mainitusta kappaleesta.

30. Patenttivaatimuksen 25 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittujen uraanidioksidirakeiden mainittu keskikoko vaihtelee välillä 15 n. 40 - 70 mikronia.

31. Patenttivaatimuksen 25 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittua lasi-maista alumiinisilikattifaasia on läsnä yli n. 0,05 pai-no-% mainitusta kappaleesta ja mainittua mulliittifaasia 20 on läsnä vähintään n. 0,01 paino-% mainitusta kappaleesta.

32. Patenttivaatimuksen 25 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittujen uraanidioksidirakeiden keskimääräinen koko vaihtelee välillä 25 n. 45 - 60 mikronia. 29 93590