FI93591C - Menetelmä sintratun uraanidioksidikappaleen valmistamiseksi - Google Patents

Description

93591

Menetelmä sintratun uraanidioksidikappaleen valmistamiseksi US-patenttijulkaisussa 4 869 866 kuvataan kuinka 5 uraanidioksidin ja alumiinisilikaattisintrausaineen seok sesta muodostetaan tiiviste ja se sintrataan ydinpolttoaineen muodostamiseksi, jossa uraanidioksidirakeiden kes-kiraekoko on vähintään n. 20 mikronia ja jossa rakeet on päällystetty lasimaisella alumiinisilikaattifaasilla.

10 Tämä keksintö koskee menetelmää ydinpolttoainekap- paleen valmistamiseksi, joka on käyttökelpoinen ydinpolttoaineena ja jossa uraanidioksidirakeiden keskimääräinen raekoko on n. 30-80 mikronia ja jossa vähintään n. 99 tilavuus-% uraanidioksidirakeista on päällystetty lasi-15 maisella magnesiumsilikaattifaasilla jättämättä merkit tävää osaa siitä paljaaksi, mainitun kappaleen huokoisuuden vaihdellessa n. 2 tilavuus-%:sta alle n. 10 tilavuus-%: iin. Eräässä kohdassaan se kohdistuu uraanidioksi-dista ja magnesiumsilikaatista koostuvan hiukkasmaisen 20 kokoonpanon tiivisteen polttamiseen mikrorakenteeltaan hiukkasmaisen ydinpolttoaineen tuottamiseksi.

Nykyään suunnitellaan, rakennetaan ja käytetään ydinreaktoreita, joissa halkeava ydinmateriaali tai ydinpolttoaine sisältyy polttoaine-elementteihin, joilla 25 voi olla vaihtelevat geometriset muodot, kuten levyt, putket tai sauvat. Ydinpolttoaine on tavallisesti suljettu korroosionkestoiseen, reagoimattomaan, lämpöä johtavaan säiliöön tai kuoreen, jota kokoonpantuna ydinpolttoaineen kanssa kutsutaan polttoaine-elementiksi. Polttoai-30 ne-elementit on koottu yhteen ristikoksi välimatkoin toisistaan jäähdytysaineen virtauskanavaan tai -alueeseen, joka muodostaa polttoainekokoonpanon ja riittävä määrä polttoainekokoonpanoja yhdistetään ydinhalkeamisketju-reaktiokokoonpanon tai reaktorisydämen muodostamiseksi, 35 joka kykenee vaimentumattomaan halkeamisreaktioon. Sydän on suljettu reaktioastiaan, jonka läpi johdetaan jäähdy-tysainetta.

2 93591

Kuori palvelee kahta päätarkoitusta: ensiksi estäen kosketuksen ja kemialliset reaktiot ydinpolttoaineen ja joko jäähdytysaineen tai mahdollisesti läsnä olevan jarruaineen tai molempien välillä; ja toiseksi estäen 5 erittäin radioaktiivisia halkeamistuotteita, joista eräät 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), 10 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 15 höyrysysteemit voimakkaan radioaktiivisilla pitkäikäisil lä tuotteilla siinä määrin, että se häiritsee laitoksen toimintaa.

Nykyään teoreettinen ja kokeellinen tieto osoittaa, että suurempi raekoko uraanidioksidiydinpolttoai-20 neessa pienentää halkeamiskaasun vapautumisnopeuksia, toivottu ominaisuus, joka johtaisi joko pienentyneeseen huokostilavuuteen polttoainesauvassa tai polttoaineen kasvaneeseen suunniteltuun polttoikään. Valitettavasti kun raekokoa nostetaan, polttoaineen korkean lämpötilan 25 ryömynopeus 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, 30 jolla on sekä suurempi raekoko että kasvanut ryömynopeus, on tämän vuoksi mielenkiintoinen. Tämä keksintö saa aikaan sellaisen polttoaineen.

Kyseessä olevalla ydinpolttoaineella on mikrorakenne, joka on hyödyllinen kuoren pettämisen välttämises-35 sä. Tarkemmin sanoen kyseinen polttoaine on sintrattu kappale, joka koostuu uraanidioksidirakeista, joiden kes- 3 93591 kikoko on vähintään n. 20 mikronia, samalla kun rakeita ympäröi lasimainen magnesiumsilikaattifaasi. Korkeassa lämpötilassa, yleensä n. 1 000°C:ssa tai korkeammalla lasimainen faasi nostaa sintratun kappaleen ryömynopeutta 5 tai plastisuutta merkittävästi uraanidioksidin vastaavan arvon yläpuolelle.

Alaan perehtyneet saavat tarkemman ja paremman käsityksen tästä keksinnöstä seuraavassa esitetystä yksityiskohtaisesta kuvauksesta tarkasteltuna yhdessä liit-10 teenä olevan kuvan kanssa, joka muodostaa osan patentti-määrityksestä ja joka on läpäisyelektronimikroskooppiku-va kyseessä olevan sintratun kappaleen kiillotetusta poikkileikkauksesta (suurennettu 1,050 miljoonaa kertaa) ja joka esittää lasimaisen magnesiumsilikaattifaasin 15 oleellisesti suorana vaaleanvärisenä viivana.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että oleellisesti aikaansaadaan uraanidioksidipulve-ri, joka sisältää halkeavaa ainetta, aikaansaadaan sint-rausaine, joka sisältää oleellisesti n. 10 - 55 paino-% 20 MgO ja loput Si02 tai sen edeltäjäainetta, sekoitetaan mainittu sintrausaine tai sen edeltäjäaine mainittuun uraanidioksidiin, jolloin saadaan mainittu sintrausaine-koostumus, jonka määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,8 paino-% sintrautuvasta seoksesta, joka oleellisesti koos-25 tuu sintrausainekoostumuksesta ja uraanidioksidista, muo dostetaan saadusta seoksesta tiiviste, sintrataan mainittu tiiviste lämpötilassa, jossa mainittu sintrausaine muodostaa nestefaasin ja joka vaihtelee yli n.

1 500 °C:sta lämpötilaan, jossa ei esiinny merkittävää 30 mainitun Si02:n höyrystymistä, olosuhteissa, joissa hapen ja uraanin välinen atomisuhde vaihtelee välillä n. 1,7 -2,25, sintratun tuotteen valmistamiseksi, jolla on mainittu keskimääräinen raekoko ja jäähdytetään mainittu tuote mainitun sintratun kappaleen valmistamiseksi, mai-35 nitun edeltäjäaineen hajotessa termisesti mainitun sint-rauslämpötilan alapuolella.

4 93591 "Lasimaisella" tai "lasimaisella magnesiumsili-kaatilla" tarkoitetaan tässä amorfista magnesiumsili-kaattia.

Tätä prosessia toteutettaessa aikaansaadaan sint-5 rautuva uraanidioksidipulveri, joka sisältää halkeavaa materiaalia tai ainetta tehokkaan määrän saadun sintra-tun kappaleen tekemiseksi hyödylliseksi ydinpolttoaineena. Tyypillinen tällainen halkeava materiaali on uraani, kuten U-235 ja plutonium, kuten Pu-239. Normaalisti uraa-10 nidioksidipulveri sisältää halkeavaa uraanin isotooppia ja usein se on rikastettu tällaisella isotoopilla. Nämä pulverit ovat alalla tunnettuja ja sisältävät yleensä uraanin halkeavaa isotooppia määrän, joka vaihtelee välillä n. 0,1 - 5 paino-% uraanidioksidipulverin koko mää-15 rästä. Uraanidioksidipulverissa kokonaishapen atomisuh-de kokonaisuraaniin (O/U-suhde) vaihtelee välillä n.

1,7 - 2,25, usein yli n. 200:sta n. 2,15:een riippuen suuresti prosessiolosuhteista.

Yleensä tässä perosessissa käytetyllä uraanidiok- 20 sidipulverilla on ominaispinta-ala, joka vaihtelee vä- 2 2 Iillä n. 2 - 12 m /g ja edullisesti n. 4 - 8 m /g. Tällaiset pulverit tekevät mahdolliseksi sintrauksen suorittamisen kohtuullisen pituisessa ajassa nykyisessä sint-rauslämpötilassa. Uraanidioksidipulveri, jolla on pienem-25 pi pinta-ala, ei tavallisesti ole käyttökelpoinen, sillä se vaatisi sintrauslämpötiloja, jotka ovat liian korkeita ollakseen käytännössä mahdollisia ja tavallisuudesta poikkeavia toimenpiteitä SiC^tn haihtumisen estämiseksi. Toisaalta uraanidioksidipulvereita, joilla on suurempi 30 pinta-ala on vaikea käsitellä johtuen niiden suuresta kemiallisesta reaktiivisuudesta.

Sintrausaine sisältää n. 10 - 55 paino-% MgO ja loput SiC>2. Eräässä toteutusmuodossa kyseessä oleva sintrausaine sisältää n. 10-40 paino-% MgO ja toises-35 sa toteutusmuodossa se sisältää yli 40 - n. 55 paino-%

MgO.

5 93591

Kyseessä oleva sintrausaine voi olla lukuisissa muodoissa. Se voi esimerkiksi olla MgO- ja SiC^-pulve-reiden ja/tai magnesiumsilikaatin yhdistelmä. Magnesium-silikaatti voi olla luonnonmateriaali tai se voi olla 5 valmistettu lukuisilla tekniikoilla, kuten MgO- ja SiC>2-pulvereiden seoksen sulatuksella tai kiinteän tilan sint-rauksella. Luonnonmateriaali voi olla mineraali, joka koostuu pääasiassa kyseisestä sintrausaineesta. Tyypillinen tällainen luonnonmateriaali on talkki. Tarkemmin 10 sanoen luonnonmateriaalin tulee olla materialai, jolla poltettuna, mutta ennen sintrauslämpötilan saavuttamista on poltettu koostumus, joka sisältää kyseistä magnesium-silikaattia ja epäpuhtauksia alle n. 10 paino-%:n määrän poltetusta kokoonpanosta. Poltettuun kokoonpanoon jäävil-15 lä epäpuhtauksilla ei saa olla merkittävää haitallista vaikutusta kyseiseen ydinpolttoaineeseen.

Haluttaessa voidaan käyttää sintrausaineen tai sen osan hiukkasmaista edeltäjäainetta edellyttäen, että se hajoaa termisesti täysin korkeassa lämpötilassa sintraus-20 lämpötilan alapuolella muodostaen sintrausaineen tai sen osan ja että sivutuotekaasu ei jätä merkittävää haitallista jäännöstä. Magnesiumkarbonaatti ja magnesiumnit-raatti ovat hyödyllisiä magnesiumoksidin edeltäjäaineita.

Sintrausainetta käytetään määrä, joka vaihtelee 25 välillä n. 0,1-1 paino-% seoksesta, joka koostuu uraa-nidioksidipulverista ja sintrausaineesta. Kulloinkin käytetty sintrausaineen määrä on määritettävissä kokeellisesti ja se riippuu suuresti kulloinkin halutusta sintra-tusta kappaleesta. Usein kyseisen sintrausaineen määrä 30 vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,8 paino-% tai välillä n.

0,2 - 0,6 paino-% tai välillä n. 0,25 - 0,5 paino-% ko-' · ko seoksen painosta, joka koostuu uraanidioksidista ja sintrausaineesta. Eräässä toteutusmuodossa sintrausaineen määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - alle n. 0,5 paino-% 35 tai välillä n. 0,1 - tai 0,2 - n. 0,4 paino-% seoksesta, joka koostuu uraanidioksidipulverista ja sintrausaineesta.

6 93591

Sintrausaine ja/tai sen lähde voidaan sekoittaa uraanidioksidipulveriin lukuisilla tavanomaisilla tekniikoilla ja edullisesti se sekoitetaan seoksen muodostamiseksi, johon sintrausaine on dispergoitunut edulli-5 sesti ainakin merkittävän tai oleellisen tasaisesti.

Sintrausaine ja/tai sen lähde on muodoltaan hiukkasmai-nen ja hiukkasilla tulee ainoastaan olla koko, joka muodostaa halutun seoksen ja yleensä ne ovat kooltaan alle n. 20 mikronia.

10 Haluttaessa huokosia muodostavaa lisäainetta voi daan myös sekoittaa pulveriin, mikä auttaa tuottamaan halutun huokoisuuden sintrattuun kappaleeseen. Voidaan käyttää tavanomaisia huokosia muodostavia lisäaineita, kuten esimerkiksi ammoniumoksalaattia, polymetyylimerakrylaat-15 tia tai muita materiaaleja, jotka haihtuvat pois kuumennettaessa sintrauslämpötilan alapuolella. Huokosia muodostavaa lisäainetta voidaan käyttää tavanomaiseen tapaan tehokas määrä. Yleensä huokosia muodostavan lisäaineen määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 2 paino-% seoksesta, 20 joka koostuu uraanidioksidista, sintrausaineesta ja huokosia muodostavat lisäaineesta.

Lukuisia tavanomaisia tekniikoita voidaan käyttää seoksen muotoilemiseksi tai puristamiseksi tiivisteeksi.

Se voidaan esimerkiksi ruiskuvalaa, muottiinpuristaa tai 25 isostaattisesti puristaa halutun muotoisen tiivisteen tuottamiseksi. Mahdollisilla voiteluaineilla, sideaineilla tai vastaavilla materiaaleilla, joita käytetään auttamaan seoksen muotoilemisessa, ei saa olla merkittävää haitallista vaikutusta tiivisteeseen tai tuloksena ole-30 vaan sintrattuun kappaleeseen. Tällaiset muotoiluapuai-neet ovat edullisesti tyyppiä, joka haihtuu kuumennettaessa suhteellisen matalissa lämpötiloissa, edullisesti alle 500°C:ssa jättämättä mitään merkittävää jäännöstä. Tiivisteen huokoisuus on edullisesti alle n. 60 % ja 35 vielä edullisemmin alle n. 50 % tiivistämisen edistämiseksi sintrauksen aikana.

93591 7

Tiivisteellä voi olla mikä tahansa haluttu konfiguraatio, kuten esimerkiksi rae, sylinteri, levy tai neliö. Tyypillisesti tiiviste on sylinterin ja tavallisesti suoran sylinterin muodossa.

5 Tiiviste sintrataan olosuhteissa, jotka tuottavat kyseisen sintratun kappaleen. Tiiviste sintrataan atmosfäärissä, joka voi vaihdella riippuen suuresti kulloisestakin valmistusprosessista. Edullisesti atmosfääri on ympäristön lämpötilassa tai lähellä sitä tai ilmakehän pai-10 neessa tai lähellä sitä. Tiiviste voidaan sintrata atmosfäärissä, jonka tiedetään olevan hyödyllinen pelkän uraanidioksidin sintraukseen valmistettaessa uraanidiok-sidiydinpolttoainetta. Sintraus tyhjössä ei kuitenkaan olisi hyödyllistä, sillä se pyrkisi haihduttamaan SiC>2:n.

15 Yleensä tiiviste sintrataan atmosfäärissä, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluvat vety, märkä vety, jonka kas-tepiste on edullisesti n. 20°C, hallittu kaasuseoksen atmosfääri, joka tasapainossa tuottaa riittävän hapen osa-paineen uraanidioksidin pitämiseksi halutussa hapen ja 20 uraanin välisessä atomisuhteessa ja näiden yhdistelmä.

Tyypillinen sopiva kaasujen seos, joka tasapainossa tuottaa hapen osapaineen on hiilidioksidi ja hiilimonoksidi, kuten on selostettu US-patentissa 3 927 154, myönnetty nimellä Carter ja jonka oikeudet on myönnetty tämän ha-25 kemuksen oikeuksien omistajalle ja joka liitetään viitteenä tähän esitykseen.

Tiiviste sintrataan lämpötilassa, jossa sintraus-aine muodostaa nestefaasin uraanidioksidin kanssa, mikä tekee mahdolliseksi kyseisen nestefaasissa sintratun 30 kappaleen valmistuksen. Yleensä mitä suurempi sintraus-aineen SiC^-pitoisuus on, sitä matalampi on lämpötila, jossa nestefaasi muodostuu. Kyseinen sintrauslämpötila vaihtelee yli n. 1 500°C:sta lämpötilaan, jossa ei esiinny merkittävää Si02:n haihtumista. Yleensä se vaihtelee 35 yli n. 1 500°C:sta n. 2 000°C:seen, edullisesti n.

8 93591 1 540°C:sta n. 1 750°C:seen ja edullisemmin välillä n.

1 600 - 1 700°C.

Kun sintrausaine sisältää n. 10 - 40 paino-% MgO, yleensä sintrauslämpötilassa vain kiinteää uraanidioksi-5 dia ja nestefaasi on läsnä. Jäähdytettäessä tämä neste-faasi yleensä tuottaa vain lasimaisen magnesiumsilikaat-tifaasin. Yleensä tällä lasifaasilla on koostumus, joka on sama kuin sintrausaineen koostumus tai joka ei eroa merkittävästi siitä ja sitä on läsnä määrä, joka on sama 10 kuin käytetty sintrausaineen määrä tai joka ei eroa merkittävästi siitä.

Kuitenkin kun sintrausaine sisältää enemmän kuin n. 40 paino-% MgO, se tuottaa sintrattuun kappaleeseen yleensä lasifaasin, joka sisältää n. 35 - 46 paino-% MgO, 15 usein n. 40 paino-% MgO ja loput Si02 ja jonkin verran kiteistä magnesiumsilikaattifaasia. Yleensä keksinnön tässä toteutusmuodossa tuotettujen lasimaisten ja kiteisten magnesiumsilikaattifaasien kokonaismäärä on sama kuin käytetty sintrausaineen määrä tai ei eroa siitä 20 merkittävästi. Tarkemmin sanoen lasimaisten ja kiteisten magnesiumsilikaattifaasien kokonaismäärä vaihtelee yleensä välillä n. 0,1 - 1 paino-% sintratusta kappaleesta ja lasifaasikomponenttia on läsnä vähintään n. 0,05 paino-%:n määrä sintratusta kappaleesta ja kiteisen magnesiumsi-25 likaattifaasin komponenttia on läsnä vähintään todettava määrä, ts. määrä, joka on todettavissa läpäisyelektroni-mikroskoopilla ja valitun alueen elektronidiffraktiolla. Tyypillisesti kun sintrausaineen MgO-sisältö kasvaa, sintratussa kappaleessa olevan kiteisen magnesiumsili-30 kaatin määrä kasvaa.

Kun sintrausaine sisältää enemmän kuin n. 40 paino-% MgO, se voi olla kokonaan nestemäinen sintrauslämpötilassa tai sitten ei. Kun se on kokonaan nestemäinen, nestefaasin jäähdytys yleensä saostaa pois jonkin verran 35 kiteistä magnesiumsilikaattia ja tuottaa sintratun kappaleen, jossa kiteisiä magnesiumsilikaattirakeita on 93591 9 läsnä lasifaasissa päällystettyjen uraanidioksidirakei-den välisissä taskuissa. Kuitenkin alemmissa sintrausläm-pötiloissa ja/tai suuremmilla MgO-pitoisuuksilla sintraus-aine voi tuottaa nestefaasin ja myös jonkin verran kiteis-5 tä magnesiumsilikattia sintrauslämpötilassa, mikä johtaa sintrattuun kappaleeseen, jossa pieniä kiteisen magne-siumsilikaatin rakeita on läsnä lasifaasissa päällystettyjen uraanidioksidirakeiden välisissä taskuissa ja jossa suuret kiteisen magnesiumsilikaatin rakeet työntyvät 10 päällystettyihin uraanidioksidirakeisiin. Kiteisen magnesiumsilikaatin rakeet, jotka työntyvät uraanidioksidirakeisiin, ovat merkittävästi suurempia, tavallisesti vähintään n. 20 % suurempia kuin kiteisen magnesiumsilikaatin rakeet, jotka sijaitsevat lasimaisessa faasissa.

15 Samoin kiteisen magnesiumsilikaatin rakeita, jotka työntyvät uraanidioksidirakeisiin, on yleensä läsnä alle n.

50 tilavuus-%:n määrä sintratussa kappaleessa olevan kiteisen magnesiumsilikaattifaasin kokonaismäärästä. Kiteinen magnesiumsilikaattifaasi on valittu ryhmästä, jo-20 hon kuuluvat MgSiO^, Mg^iO^ ja niiden seos.

Tiivistettä pidetään sintrauslämpötilassa aika, joka vaaditaan kyseisen kappaleen tuottamiseen. Aika sintrauslämpötilassa on määritettävissä kokeellisesti riippuen suuresti kulloinkin halutusta sintratusta kap-25 paleesta. Yleensä sintratussa kappaleessa olevan uraani-dioksidin raekoon määräävät sintrauslämpötila, aika sintrauslämpötilassa ja sintrausaine. Tavallisesti mitä korkeampi sintrauslämpötila ja/tai mitä pidempi aika sintrauslämpötilassa, sitä suurempia ovat uraanidioksidira-30 keet. Suuremmat magnesiumoksidipitoisuudet sintrausai-neessa johtavat myös suurempiin uraanidioksidirakeisiin.

Kuumennusnopeutta sintrauslämpötilaan rajoittaa suuresti se, kuinka nopeasti mahdolliset sivutuotekaasut poistetaan ennen sintrausta ja yleensä tämä riippuu kaa-35 sunvirtausnopeudesta uunin läpi ja sen tasaisuudesta siinä sekä materiaalin määrästä uunissa. Yleensä käyte- 10 93591 tään kuumennusnopeutta n. 50 - 300°C/h, kunnes sivutuo-tekaasut on poistettu uunista ja tämä voidaan määrittää kokeellisesti standarditekniikalla. Kuumennusnopeutta voidaan sitten haluttaessa nostaa välille n. 300 - 500°C/h 5 ja jopa 800°C/h, mutta se ei saa olla niin nopea, että se murtaa kappaleet.

Sintrauksen päätyttyä sintrattu tuote jäähdytetään kyseisen sintratun kappaleen tuottamiseksi ja tavallisesti se jäähdytetään ympäristön tai suunnilleen huoneenläm-10 potilaan, yleensä n. 20 - 30°C:seen. Sintratun tuotteen tai kappaleen jäähdytysnopeus ei ole kriittinen, mutta se ei saa olla niin nopea, että se murtaa kappaleen.

Tarkemmin sanoen jäähdytysnopeus voi olla sama kuin jääh-dytysnopeudet, joita normaalisti tai tavallisesti käyte-15 tään sintrausaineissa. Nämä jäähdytysnopeudet voivat vaihdella 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.

20 Eräässä toteutusmuodossa kyseinen sintrattu kappa le koostuu kiteisen uraanidioksidin rakeista ja amorfisesta lasimaisesta magnesiumsilikaattifaasista, joka sisältää n. 10-40 paino-% MgO ja loput Si02· Tässä toteutusmuodossa lasifaasin määrä vaihtelee välillä n.

25 0,1-1 paino-% sintratusta kappaleesta. Usein sen mää rä vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,8 paino-% tai n. 0,2 -0,6 paino-% tai n. 0,25 - 0,5 paino-% tai 0,1 - 0,5 paino-% tai n. 0,1 - tai 0,2 - 0,4 paino-% sintratusta kappaleesta.

30 Toisessa toteutusmuodossa kyseinen sintrattu kap pale koostuu kiteisestä uraanidioksidista, lasimaisesta magnesiumsilikaattifaasista, joka sisältää n. 35-45 paino-% MgO ja usein n. 40 paino-% MgO ja loput Si02 ja kiteisestä magnesiumsilikaattifaasista, jota kiteistä 35 magnesiumsilikaattifaasia on läsnä vähintään todettava määrä ja lasifaasia on läsnä vähintään n. 0,05 paino-%:n n 93591 määrä kappaleesta. Yleensä tässä toteutusmuodossa lasi-maisen ja kiteisen magnesiumsilikaattifaasin kokonaismäärä on sama kuin käytetty sintrausaineen määrä tai ei poikkea olennaisesti siitä. Tarkemmin sanoen lasimaisen 5 ja kiteisen magnesiumsilikaattifaasin kokonaismäärä vaih-telee välillä n. 0,1-1 paino-% tai 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. Usein lasimaisen faasin 10 komponenttia on läsnä määrä, joka on suurempi kuin n.

0,05 paino-% tai suurempi kuin n. 0,1 paino-% tai suurempi kuin n. 0,2 paino-% sintratusta kappaleesta. Usein myös kiteisen magnesiumsilikaattifaasin komponenttia on läsnä määrä, joka on vähintään n. 0,01 paino-% tai vä-15 hintään n. 0,1 paino-% tai vähintään n. 0,2 paino-% sintratusta kappaleesta.

Alle n. 0,1 paino-%:n määrä kyseistä sintrausai-netta ei ehkä tuota kyseistä sintrattua kappaletta. Toisaalta yli n. 1 paino-%:n määrä sintrausainetta tuottaa 20 liian suuren määrän lasimaista ja/tai kiteistä magnesium-silikaattifaasia, mikä ei saa aikaan merkittävää etuja ja joka veisi tilan, jonka uraanidioksidi voisi hyödyllisesti miehittää.

Yleensä sintratussa kappaleessa oleva lasifaasi 25 on vapaa uraanidioksidista. On kuitenkin mahdollista, että joissakin tapauksissa jonkin verran uraanidioksidia saattaisi olla läsnä lasifaasissa pienehkö määrä, joka on todettavissa erikoisanalyysillä, jota ei uskota tällä hetkellä olevan käytettävissä ja tällaisissa tapauksissa 30 uraanidioksidin määrä olisi tavallisesti korkeintaan n.

0,5 paino-% lasifaasista.

Sintratussa kappaleessa oleva lasimainen magne-siumsilikaattifaasi on jatkuva yhdistävä faasi. Lasifaasi peittää jokaista uraanidioksidiraetta jättämättä mer-35 kittävää osaa siitä paljaaksi, vähintään n. 99 tilavuus-%:isesti ja edullisesti yli 99,5 tilavuus-%:isesti 12 93591 sintratussa kappaleessa olevien uraanidioksidirakeiden kokonaistilavuudesta. Kaikkein edullisimmin se peittää jokaista uraanidioksidiraetta jättämättä merkittävää osaa siitä paljaaksi. Lasitaasilla, joka peittää uraanidioksi-5 diraetta jättämättä merkittävää osaa siitä paljaaksi, tarkoitetaan päällystettä, joka peittää ainakin oleellisesti koko rakeen. Tarkemmin sanoen lasifaasi muodostaa ohuen jatkuvan kiinnipysyvän päällysteen jokaiselle uraa-nidioksidirakeelle, jota se peittää, jonka päällysteen 10 paksuus vaihtelee välillä n. 5-20 A. Edullisessa toteutusmuodossa lasifaasi peittää jokaisen uraanidioksi-dirakeen kokonaan, ts. se sulkee kokonaan sisäänsä jokaisen uraanidioksidirakeen vähintään n. 99 tilavuus-%:isesti, edullisesti yli 99,5 tilavuus-%:isesti sintra-15 tussa kappaleessa olevien uraanidioksidirakeiden kokonaistilavuudesta. Edullisemmin lasifaasi peittää jokaisen uraanidioksidirakeen kokonaan. Lasimainen magnesiumsili-kaattifaasi ulottuu jossain määrin myös rakoihin, ts. kolmen rakeen ja neljän rakeen rakoihin päällystettyjen 20 uraanidioksidirakeiden välissä. Se missä määrin lasifaasi täyttää rakoja, riippuu suuresti sintratussa kappaleessa olevan sintrausaineen määrästä. Sintratun kappaleen mikrorakenteen morfologia osoittaa, että lasimainen magne-siumsilikaattifaasi oli nestemäinen sintrauslämpötilassa.

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

Keskimääräinen raekoko voidaan määrittää standarditavalla. Tässä keksinnössä käytettiin standardi viivan-katkaisutekniikkaa. Tarkemmin sanoen piirrettiin viiva 35 sintratun kappaleen kiillotetun ja peitatun poikkileikkauksen mikroskooppivalokuvaan ja raerajat, jotka kätke- 13 93591 sivat pitkin määrättyä viivan pituutta, laskettiin ja jaettiin kyseiselle viivanpituudelle, jolloin saatiin keskimääräinen rakeen katkaisupituus mikroneina. Tämä arvo kerrottiin sitten luvulla 1,5 keskimääräisen raekoon 5 määrittämiseksi.

Kyseisellä sintratulla kappaleella on ulkonäköä, joka osoittaa sen olleen nestefaasissa sintrattaessa. Tarkasteltaessa uraanidioksidirakeiden kulmia kiillotetussa leikkauksessa, ne näyttävät lasifaasitaskujen pyö-10 ristämiltä, jotka taskut sijaitsevat rakeen kulmissa, ts. niillä on nestefaasissa sintratun keraaminen ulkonäkö.

Yleensä uraanidioksidirakeet ovat samanakselisia tai oleellisesti samanakselisia.

Kyseinen sintrattu kappale on yleensä vapaa MgO:n 15 ja SiC^n kiteisistä faaseista.

Kyseinen sintrattu kappale sisältää aina jonkin verran huokoisuutta, joka on yleensä suljettua huokoisuutta, ts. huokosia, jotka eivät ole yhteydessä keskenään. Huokoisuus on jakautunut läpi sintratun kappaleen 20 ja edullisesti se on jakautunut ainakin merkittävän tai oleellisen tasaisesti. Yleensä sintratun kappaleen huokoisuus vaihtelee n. 2 tilavuus-%:sta alle n. 10 tilavuus-%:iin sintratusta kappaleesta riippuen suuresti reaktorin mallista. Usein huokoisuus vaihtelee välillä n. 4 -25 8 tilavuus-%, useammin välillä 4-6 tilavuus-% ja useim miten n. 5 tilavuus-% sintratun kappaleen kokonaistilavuudesta. Edullisesti huokosten koko vaihtelee yli n.

1 mikronista n. 20 mikroniin ja edullisemmin välillä n.

5-20 mikronia.

30 Tavallisesti kyseisen sintratun kappaleen dimensiot eroavat sintraamattoman kappaleen dimensioista kutistumisen, ts. tiivistymisen määrällä, jota tapahtuu sintrauk-sen aikana.

Kyseisen alueen ulkopuolella oleva magnesiumsili-35 kaatti ei toimi sintrausaineena tuottaen kyseistä sint-rattua kappaletta. Yleensä magnesiumsilikaatti, joka 14 93591 sisältää yli n. 90 paino-% Si02, tuottaa sintratun kappaleen, jolla on liian suuri raekoko. Toisaalta magne-siumsilikaatti, joka sisältää MgO yli n. 55 paino-%:n määrän, ei ole yleensä käyttökelpoinen, koska lasifaasin 5 määrä on tavallisesti liian pieni sintrausaineen suurimman osan ollessa kiteisenä magnesiumsilikaattina.

SiC>2 pelkästään ei ole käyttökelpoinen sintraus-aineena, koska se tuottaa sintratun kappaleen, jolla on liian pieni raekoko ja muodostunut lasifaasi ei jakaudu 10 tasaisesti koko sintrattuun kappaleeseen. Niinikään pelkkä MgO jättäisi kiteistä MgO sintrattuun kappaleeseen. Kiteiset faasit eivät anna korkeassa lämpötilassa sintra-tulle uraanidioksidikappaleelle plastisuutta, joka on merkittävästi suurempi kuin pelkällä uraanidioksidilla saa-15 daan.

Kyseinen sintrattu kappale on hyödyllinen ydinpolttoaineena. Se sisältää halkeavaa materiaalia yleensä saman määrän kuin on läsnä uraanidioksidipulverissa. Kyseisen sintratun kappaleen suuren raekoon pitäisi merkittä-20 västi pienentää fissiokaasun vapautumisnopeuksia. Samoin lasifaasi, joka peittää uraanidioksidirakeita, antaa sintratulle kappaleelle plastisuuden tai ryömynopeuden, joka tekee mahdolliseksi polttoaineen toimimisen asettamatta merkittävää jännitystä verhoukseen.

25 Tätä keksintöä kuvataan tarkemmin seuraavalla esi merkillä, jossa suoritustapa oli seuraava, ellei toisin mainita: Käytettiin kooltaan alle mikronin sintrautuvaa uraanidioksidipulveria, joka sisälsi uraanin halkeavaa 30 isotooppia ja jonka hapen ja uraanin välinen atomisuhde oli n. 2,16.

Sintrausaine oli muodoltaan hiukkasmainen.

Sintrausaine sekoitettiin uraanidioksidipulveriin standarditavalla hämmentämällä oleellisesti tasaisen 35 seoksen saamiseksi.

Il is 93591

Uraanidioksidipulverin ja sintrausaineen seos puristettiin teräsmuottiin raakakappaleen saamiseksi raemuodossa, ts. tiivisteenä karkeasti samanakselisen sylinterin muodossa, jonka huokoisuus oli n. 50 %.

5 Sintrausatmosfääri oli vety ilmakehän paineessa tai suunnilleen siinä.

Tiheys määritettiin standarditavalla punnitsemalla sintrattu kappale ja mittaamalla sen dimensiot.

Sintratun kappaleen huokoisuus määritettiin tun-10 temalla tai arvioimalla sintratun kappaleen teoreettinen tiheys sen koostumuksen perusteella ja vertaamalla sitä tiheyteen, joka on mitattu käyttäen seuraavaa yhtälöä: huokoisuus = (1 - mitattu tiheys-, χ 10„ % teoreettinen tiheys 15

Sintratun kappaleen keskimääräinen uraanidioksidin raekoko määritettiin edellä selostetulla viivankatkaisu-menetelmällä.

Sintrattu kappale karakterisoitiin lukuisilla 20 standarditekniikoilla.

Muun tutkimuksen perusteella tiedettiin, että sintratun kappaleen hapen ja uraanin välinen atomisuhde oli n. 2,00.

Esimerkki 1 25 Sintrausaine sisälsi 35 paino-% MgO-pulveria ja 65 paino-% SiC^-pulveria.

Sintrausaine sekoitettiin uraanidioksidipulveriin oleellisesti tasaisen seoksen saamiseksi, joka sisälsi 0,1 paino-%:n määrän sintrausainetta koko seoksesta.

30 Seos puristettiin tiivisteeksi. Tiivistettä sint- rattiin n. 1 640°C:ssa seitsemän tuntia ja jäähdytettiin sitten uunissa suunnilleen huoneenlämpötilaan. Sintratun kappaleen poikkileikkaus ohennettiin mekaanisesti, ioni-jauhettiin ja tutkittiin läpäisyelektronimikroskoopilla.

35 Se koostui uraanidioksidirakeista ja ohuesta rakeiden välisestä lasifaasista. Läpäisyelektronimikrografi, joka 1β 93591 esittää ohutta rakeiden välistä lasifaasia, esitetään kuviossa. Muun tutkimuksen perusteella tiedettiin, että lasifaasi oli magnesiumsilikaattia, joka sisälsi n. 35 paino-% MgO ja n. 65 paino-% SiC^ ja että lasifaasin ko-5 konaismäärä sintratussa kappaleessa ei poikennut merkittävästi käytetystä sintrausaineen määrästä. Samoin muun tutkimuksen perusteella tiedettiin, että lasifaasi oli jatkuva, yhteenliittyvä ja peitti jokaista uraanidioksi-diraetta yli 99 tilavuus-%:isesti uraanidioksidirakeista 10 jättämättä merkittävää osaa niistä paljaaksi.

Sintratun kappaleen huokoisuus oli n. 2,6 tila-vuus-%, joka koostui kappaleeseen tasaisesti jakautuneista suljetuista huokosista.

Uraanidioksidirakeet eivät eronneet kooltaan mer-15 kittävästi toisistaan ja niiden keskikoko oli n. 22 mikronia.

Sintrattu kappale on käyttökelpoinen ydinpolttoaineena. Muun tutkimuksen perusteella tiedetään, että tämän sintratun kappaleen ryömynopeuden pitäisi kasvaa 20 nopeasti jännityksen kasvaessa ja sen pitäisi olla oleellisesti suurempi kuin mitä kirjallisuudessa ilmoitetaan vastaaville pelkän uraanidioksidin sintratuille kappaleille, joilla on pienempi keskiraekoko. Kyseisen ydinpolttoaineen suuri deformaationopeus sallii polttoaineen 25 toimia asettamatta merkittävää jatkuvaa jännitystä verhoukseen.

Samoin kyseisen polttoaineen suuremman raekoon pitäisi johtaa merkittävästi pienempiin fissiokaasun va-pautumisnopeuksiin.

*1

Claims (32)

93591 17

1. Menetelmä sintratun uraanidioksidikappaleen valmistamiseksi, joka on käyttökelpoinen ydinpolttoainee- 5 na ja jossa uraanidioksidirakeiden keskimääräinen raekoko on n. 30 - 80 mikronia ja jossa vähintään n. 99 tila-vuus-% uraanidioksidirakeista on päällystetty lasimaisel-la magnesiumsilikaattifaasilla jättämättä merkittävää osaa siitä paljaaksi, mainitun kappaleen huokoisuuden vaih-10 dellessa n. 2 tilavuus-%:sta alle n. 10 tilavuus-%:iin, tunnettu siitä, että oleellisesti aikaansaadaan uraanidioksidipulveri, joka sisältää halkeavaa ainetta, aikaansaadaan sintrausaine, joka sisältää oleellisesti n. 10 - 55 paino-% MgO ja loput Si02 tai sen edeltäjäainet-15 ta, sekoitetaan mainittu sintrausaine tai sen edeltäjäänne mainittuun uraanidioksidiin, jolloin saadaan mainittu sintrausainekoostumus, jonka määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,8 paino-% sintrautuvasta seoksesta, joka oleellisesti koostuu sintrausainekoostumuksesta ja uraanidioksi-20 dista, muodostetaan saadusta seoksesta tiiviste, sintra-taan mainittu tiiviste lämpötilassa, jossa mainittu sintrausaine muodostaa nestefaasin ja joka vaihtelee yli n. 1 500 °C:sta lämpötilaan, jossa ei esiinny merkittävää mainitun Si02:n höyrystymistä, olosuhteissa, joissa hapen 25 ja uraanin välinen atomisuhde vaihtelee välillä n. 1,7 -2,25, sintratun tuotteen valmistamiseksi, jolla on mainittu keskimääräinen raekoko ja jäähdytetään mainittu tuote mainitun sintratun kappaleen valmistamiseksi, mainitun edeltäjäaineen hajotessa termisesti mainitun sint-30 rauslämpötilan alapuolella.

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, 35 tunnettu siitä, että mainitun sintratun kappaleen 18 93591 mainittu huokoisuus vaihtelee välillä n. 4 - 8 tila-vuus-% mainitusta sintratusta kappaleesta.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainitun sintrausaineen mää- 5 rä vaihtelee välillä n. 0,2 - 0,4 paino-% mainitusta sintrautuvasta seoksesta.

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

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

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

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että mainittu sintrausaine oleel lisesti sisältää n. 10-40 paino-% MgO ja loput Si02.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sintrausaine oleellisesti sisältää n. 40 - 55 paino-% MgO ja loput Si02.

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

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu edeltäjäaine on 30 magnesiumkarbonaatti.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu sintraus suoritetaan märän vedyn muodostamassa kaasuatmosfäärissä.

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 35 tunnettu siitä, että mainittu sintraus suorite- Il i 93591 19 taan kaasumaisessa atmosfäärissä, joka koostuu hiilidioksidin ja hiilimonoksidin seoksesta.

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käytetään luonnollista mine- 5 raalia aikaansaamaan mainittua sintrausainetta ja kun mainittua sintrausainetta kuumennetaan mainitun sintraus-lämpötilan alapuolella sillä on kuumennettu koostumus, joka koostuu oleellisesti mainitusta sintrausaineesta ja epäpuhtauksista, joiden määrä on vähemmän kuin 10 pai- 10 no-% kuumennetusta koostumuksesta.

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

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

17. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että mainittujen uraanidioksidi- rakeiden keskimääräinen koko vaihtelee välillä n. 45 - 60 mikronia.

18. Ydinpolttoainekappale, tunnettu siitä, että se oleellisesti koostuu kiteisen uraanidioksidin ra- 25 keistä ja magnesiumsilikaatin amorfisesta, lasimaisesta faasista, mainittujen uraanidioksidirakeiden keskimääräinen koko on välillä n. 30 - 80 mikronia, mainittu lasi-faasi on jatkuva ja yhteenliittyvä, vähintään n. 99 ti-lavuus-% mainituista uraanidioksidirakeista on päällys- 30 tetty mainitulla lasifaasilla jättämättä merkittävää osaa niistä paljaaksi, mainitun lasifaasin määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - 0,8 paino-% mainitusta kappaleesta ja mainitun kappaleen huokoisuus vaihtelee välillä n. 2 - alle n. 10 tilavuus-% mainitusta kappaleesta.

19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen ydinpolttoai nekappale, tunnettu siitä, että mainittu lasi- 93591 20 faasi oleellisesti sisältää n. 10-40 paino-% MgO ja loput Si02.

20. Patenttivaatimuksen 18 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittu huokoi- 5 suus vaihtelee välillä n. 4 - 8 tilavuus-% mainitusta kappaleesta.

21. Patenttivaatimuksen 18 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittujen uraanidioksidirakeiden keskikoko vaihtelee välillä n. 10 40 - 70 mikronia.

22. Patenttivaatimuksen 18 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittujen uraanidioksidirakeiden keskimääräinen koko vaihtelee välillä n. 45 - 60 mikronia.

23. Patenttivaatimuksen 18 mukainen ydinpolttoai- nekappale, tunnettu siitä, että mainitun lasimai-sen magnesiumsilikaattifaasin määrä vaihtelee välillä n. 0,1 - alle n. 0,5 paino-% mainitusta kappaleesta.

24. Patenttivaatimuksen 18 mukainen ydinpolttoai-20 nekappale, tunnettu siitä, että mainittua lasi- faasia on läsnä vähintään n. 0,05 paino-%:n määrä mainitusta kappaleesta, mainittua kiteistä magnesiumsilikaat-tifaasia on läsnä vähintään todettavissa oleva määrä.

25. Patenttivaatimuksen 24 mukainen ydinpolttoai- 25 nekappale, tunnettu siitä, että mainittua ki teistä magnesiumsilikaattifaasia on läsnä mainitussa la-sifaasissa mainittujen päällystettyjen uraanidioksidirakeiden välisissä taskuissa.

26. Patenttivaatimuksen 24 mukainen ydinpolttoai- 30 nekappale, tunnettu siitä, että mainittua ki teistä magnesiumsilikaattifaasia on läsnä mainitussa la-sifaasissa mainittujen päällystettyjen uraanidioksidirakeiden välisissä taskuissa ja sitä tunkeutuu myös mainittuihin päällystettyihin uraanidioksidirakeisiin.

27. Patenttivaatimuksen 24 mukainen ydinpolttoai- nekappale, tunnettu siitä, että mainittu lasi- tl 21 93591 faasi oleellisesti sisältää n. 35 - 45 paino-% MgO ja loput Si02.

28. Patenttivaatimuksen 24 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittu kiteinen 5 magnesiumsilikaatti on valittu ryhmästä, johon kuuluvat MgSi03, Mg2Si04 ja näiden seokset.

29. Patenttivaatimuksen 24 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittu huokoisuus vaihtelee välillä n. 4 - 8 tilavuus-% mainitusta 10 kappaleesta.

30. Patenttivaatimuksen 24 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittujen uraa-nidioksidirakeiden mainittu keskikoko vaihtelee välillä n. 40-70 mikronia.

31. Patenttivaatimuksen 24 mukainen ydinpolttoai- nekappale, tunnettu siitä, että mainittua lasi-maista magnesiumsilikaattifaasia on läsnä yli n. 0,05 paino-% mainitusta kappaleesta ja mainittua kiteistä magnesiumsilikaattifaasia on läsnä vähintään n. 0,01 pai- 20 no-% mainitusta kappaleesta.

32. Patenttivaatimuksen 24 mukainen ydinpolttoai-nekappale, tunnettu siitä, että mainittujen uraa-nidioksidirakeiden keskimääräinen koko vaihtelee välillä n. 45 - 60 mikronia. „ 93591 22