NL8203357A - Werkwijze voor het bereiden van een sinterbaar poeder van uraniumdioxide. - Google Patents

Description

It μ* __ 1 -1- 22663/Vk/mb

Korte aanduiding: Werkwijze voor het bereiden van een sinterbaar poeder van uraniumdioxide.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het 5 bereiden van een sinterbaar poeder van uraniumdioxide ora te worden toe-gepast in een preparaat in een kernreactor. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het bereiden van poeder-vormig, sinterbaar uraniumdioxide onder toepassing van microgolfbestraling in een raicrogolf-inductieoven.

10 Uraniumdioxide is de brandstof die gewoonlijk tegenwoordig wordt toegepast in kernreaotoren, In het algeraeen wordt poedervormig uraniumdioxide samengeperst en gesinterd ter vorming van tabletten die worden aangebracht en afgesloten in dunne, holle metalen buizen die worden aangegeven als brandstofstaven. Een aantal van dergelijke brand-15 stofstaven geeft een ophoping van splitsbaar materiaal in een voldoende concentratie om de beoogde splitsingsreaeties te ondersteunen binnen de kern van een kernreactor.

Er is een aantal technieken ontwikkeld voor de bereiding van een sinterbaar, poedervormig uraniumdioxide, in het algemeen het 20 uitgangsmateriaal in een werkwijze voor de bereiding van nucleaire brandstoftabletten, waarbij de raeest algemeen toegepaste werkwijze de ontleding en reductie is van ammoniumdiuranaat of bekend onder de be-naming ADU-methode. ADU wordt verkregen door precipitatie uit een op-lossing van uranylfluoride door toevoeging van ammonia en het op deze 25 manier gevormde ADU heeft een zeer fijne deeltjesgrootte, die worden omgezet tot uraniumdioxide in poedervorm na drogen, ontleden en reductie in een elektrische oven, drogen in een bestralingsoven, droogoven of een combinatie hiervan.

Een andere algemere werkwijze voor het bereiden van poeder-30 vormig uraniumdioxide is de werkwijze met betrekking tot amraoniumuranyl-carbonaat of de AUC-methode. AUC wordt bereid door precipitatie uit een oplossing van uranylfluoride door de gelijktijdige toevoeging van NHg en CO^. Het neergeslagen AUC wordt afgescheiden uit de moederloog door filtreren en wassen en het poedervormige uraniumdioxide wordt gevormd 35 door thermische ontleding van AUC ^gn de daaropvolgende reductie van het verkregen U^Og tot UOg in een reducerende atmosfeer. De thermische ontleding van AUC en de reductie van het oxide tot upaandioxidepoeder in waterstof of een ander reducerend gas wordt normaal uitgevoerd in een 8203357 -2- 22663/Vk/mb η elektrisohe weerstandsoven of in twee dergelijke eenheden zoals de zogenaamde vortex-bed ovens.

Een verdere werkwijze voor het bereiden van poedervorraig uraniumdioxide is de uranylnitraathexahydraat of UNH-methode. De UNH-5 raethode wordt uitgevoerd door uit te gaan van uranylnitraathexahydraat, UO^NQ^^.&^O , dat wordt verwarmd en ontleed in een elektrisohe oven ter vorming van UO^, stikstofoxiden en waterdamp. UO^ wordt ver-volgens verwarmd in een elektrisohe oven in een waterstof-reducerende atmosfeer in de vorm Van uraniumdioxide in poedervorm en waterdamp.

10 De bekende werkwijzen voor de bereiding van poedervormig uraniumdioxide hebben gemeen dat een standaard elektrisohe oven of ovens die worden verwarmd door verbranding worden toegepast voor het ont-leden en de reductie, hetgeen betrekking heeft op de ontleding van UO^ of U^Og, gevolgd door de reduotie tot poedervormig uraniumdioxide. Ander-15 zijds worden uraniumhoudende verbindingen bewerkt onder toepassing van droogovens en die worden verwarmd door stralingswarmte. Een van de doel-stellingen volgens de uitvinding is om de tot nu toe ^oegepaste elektrisohe ovens, droogovens en ovens met stralingswarmte te vervangen door micro-golf -inductieovens .

20 Tot nu toe is de microgolfinductie toegepast als ver- warmingsraechanisme dat nagenoeg volledig onderhevig is aan watermolekulen die onder invloed van de microgolfbestraling een verwarming geven, waar-bij door het gebruik van raicrogolven de raaterlalen worden verwarmd van binnenuit door de invloed vande microgolven op de watermolekulen. Micro-25 golven geven een snelle verandering in de polarisatie van de watermolekulen, waarbij warmte wordt ontwikkeld. De beschreven uitvinding wordt hierdoor gekenmerkt, dat een uitgangsmateriaal wordt gekozen be-staande uit een verbinding uit de groep uranylnitraathexahydraat, ammonium-diuranaat en ammoniumuranylcarbonaat, het uitgangsmateriaal wordt verwarmd 30 in een miorogolf-inductieoven gedurende een tijd die voldoende is om het uitgangsmateriaal te ontleden, verhitten van de ontlede verbinding in een miorogolf-inductieoven in een reducerende atmosfeer gedurende een periode die voldoende is om de ontlede verbinding te reduceren tot poedervormig uraniumdioxide en het afkoelen van het poedervormige uraniumdioxide in 35 een reducerende atmosfeer. Zodoende kan de oven op basis van een elek-trische weerstand, droogovens met stralingswarmte, zoals boven beschreven, worden vervangen door microgolf-inductieovens tijdens de bereiding van uraniumdioxide via de werkwijze ter bereiding van poedervormig ADU, AUC en UNH.

« 8203357 -3- 22663/Vk/mb

Door het toepassen van de werkwijze volgens de uitvinding worden een aantal nadelen die samenhangen met de bekende stand van de techniek overwonnen, zoals een verlaging van de tijd dat het materiaal moet worden verwarmd, een ruimer gebied van bewerkings-5 temperaturen, het verkorten van de .bewerkingstijd, het verlagen van de fluoride-onzuiverheden, een verbetering bij het bewerken van gelatineuze ADU of AUC filterkoek, het winnen van energie door het ontwikkelen van warmte binnen het materiaal dat wordt verwarmd, een ruimere toepassing bij afgelegen gebieden waar brandstof voor kernreactoren nodig is en 10 het verkrijgen van een keramisch actief, sinterbaar uraniumdioxide als poedervormig produkt.

De onderhavige werkwijze heeft dan ook betrekking op een verbeterde werkwijze voor de bereiding van een sinterbaar, poedervormig uraniumdioxide dat kan worden toegepast bij kernreactoren', waarbij 15 raicrogolfbestraling wordt toegepast in een microgolf-inductieoven.

Met name wordt de uitgangsstof gekozen uit een groep bestaande uit uranylnitraathexahydraat, ammoniumdiuranaat en ammoniumuranylcarbonaat. De gekozen uitgangsverbinding wordt vervolgens verwarmd in een microgolf-inductieoven gedurende een voldoende lange periode om de ver-20 binding te ontleden. De ontlede verbinding wordt daarna verhit in een microgolf-inductieoven in een reducerende atmosfeer gedurende een voldoende lange tijd om de ontlede verbinding te reduceren tot poedervormig uraniumdioxide, waarna het poedervormige uraniumdioxide wordt afgekoeld in een reducerende atmosfeer. Na afkoelen is het poeder geschikt om te 25 worden toegepast in een nucleair brandstofproc£d6.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de volgende beschrijving, waarbij is verwezen naar een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding.

Een sinterbaar poedervormig uraniumdioxide dat wordt 30 toegepast bij een werkwijze voor de bereiding van nucleaire brandstof wordt bereid door het kiezen van een in de handel verkrijgbare uitgangsstof uit een groep van verbindingen bestaande uit uranylnitraathexahydraat, ammoniumdiuranaat en ammoniumuranylcarbonaat. De gekozen uitgangsstof of uitgangsverbinding wordt vervolgens verwarmd in een micro-35 golf-inductieoven gedurende een tijdsduur die voldoende lang is om het materiaal te ontleden, waarbij de verbinding een uraniumoxide stoechio-metrische verhouding k an hebben vari'Srende van UO^ totU^Og. Het bij voorkeur verkregen ontledings-eindprodukt is U^Og en de ontleding kan % 8203357 -Λ .*« ι -4- 22663/Vk/mb worden uitgevoerd in een oxiderende atraosfeer, lucht, of een gemengde lucht-stooraatmosfeer of een inerte atmosfeer. De ontleding wordt uitgevoerd bij een temperatuur die is gelegen tussen ongeveer 400 en 600 °C wanneer uranylnitraathexahydraat wordt gebruikt ala uitgangsstof. De 5 ontleding wordt uitgevoerd Mj een temperatuur van ongeveer 350 tot 450 °C wanneer ammoniumdiuranaat of ammoniumuranylcarbonaat wordt toege-past als uitgangsstof. De ontlede verbinding wordt vervolgens verhit in een microgolf-induotieoven in een reducerenae atraosfeer die in hoofd-zaak bestaat uit een gasmengsel van waterstof en stikstof of dergelijke 10 gedurende een voldoende lange periode ora de ontlede verbinding te redu-ceren tot poedervormig uraniumdioxide. De redudtie wordt uitgevoerd bij een temperatuur die gelegen is tussen ongeveer 450 en 550 °C, onafhan-kelijk van het gekozen uitgangsraateriaal uit de bovenverraelde groep van verbindingen. Het poedervormige uraniumdioxide wordt vervolgens 15 afgekoeld in een reducerende atmosfeer tot ongeveer omgevingsteraperatuur. Na afkoelen is het poeder gereed om te worden toegepast in een werkwijze voor het bereidenvan nuoleaire brandstof.

Uranylnitraathexahydraat, ammoniumdiuranaat en ammoniumuranylcarbonaat worden elk onderworpen aan bestraling met microgolven 20 in een microgolf-induotieoven bij ongeveer 2450 MHz hetgeen de fnequentie is van de standaard microgolfoven zoals toegepast in een keuken, ter bepaling van de gevoeligheid van elke verbinding voor de microgolfbestraling. Hierbij zal het duidelijk zijn dat hoewel een con-ventionele microgolfoven kan worden gebruikt omdat deze makkelijk be-25 schikbaaris, ockandere microgolf-inductieovens kunnen worden toegepast bij verschillende frequenties. Verder kan men een oven of meerdere ovens toepassen voor de ontleding en de reductie.Elke uraniumverbinding kan makkelijk en snel worden verhit. Andere stoffen zoals bijvoorbeeld niobiumoxide, aluminiumoxide, siliciumoxide en grafiet zullen, wanneer 30 ze worden blootgesteld aan microgolfbestraling niet snel worden verhit, hetgeen karakteristiek is voor de bovenvermelde uraniumverbindingen.

Wanneer uranylnitraathexahydraatkristallen worden onderworpen aan microgolfbestraling in een microgolf-induotieoven in een oxiderende atmosfeer wordt eerst een vloeistof gevormd doordat de gehy-35 drateerde watermolekulen vrijkomen,, waarna bij een ontledingstemperatuur van 400 tot 600 °C een droging in de loop van de tijd plaatsheeft, stik-stofoxiden vrijkomen als gas en waterdamp en uraniumtrioxide (UO^) wordt gevormd. Dit UO^ wordt vervolgens verhit tot een temperatuur tussen 450 8203357 - -5- 22663/Vk/mb Τ» «*’ k en 500 °C in een microgolf-inductieoven in een reducerende atmosfeer waarbij waterdamp wordt vrijgemaakt en UQg wordt gereduceerd tot poedervormig uraniumdioxide, dat daarna wordt afgekoeld in de reducerende atmosfeer tot ongeveer omgevingstemperatuur.

5 Ammoniumdiuranaat dat beschikbaar is als filtreerkoek, is onderhevig aan microgolfbestraling in een microgolf-inductieoven in een oxiderendd atmosfeer waarbij eerst water vrijkomt en een droging plaatsheeft in het veld van microgolven en vervolgens heeft een ont-leding plaats bij een temperatuur van 350 tot 450 °C, waarbij ammoniak-10 gas οιwaterdamp vrijkomen en U^Og wordt gevormd. Dit U^Og wordt vervolgens verhit tot een temperatuur van 450 tot 550 °G in een microgolf-inductieoven in een reducerende atmosfeer, waarbij waterdamp wordt afgegeven en U^Og wordt gereduceerd tot uraniumdioxide in poedervorm, dat vervolgens wordt afgekoeld in de reducerende atmosfeer tot ongeveer 15 omgevingstemperatuur.

Ammoniumuranylcarbonaat, dat wordt onderworpen aan de-zelfde omstandigheden zoals beschreven voor ammoniumdiuranaat, ontleedt op eeisoortgelijke wijze als ammoniumdiuranaat, waarbij ammoniakgas en waterdamp worden afgegeven met een additionele vrijmaking van kool-20 dioxidegas en vorming van U^Og. De reductie van UgOg tot poedervormig uraniumdioxide, gevolgd door afkoeling, heeft plaats op dezelfde wijze als de reductie en afkoeling van ammoniumdiuranaat.

Uranylnitraathexahydraat, ammoniumdiuranaat en ammoniura-uranylcarbonaat worden ontleed en gereduceerd in een microgolf-induetie-25 oven of in meerdere ovens gedurende bewerkingstijden die gelegen zijn nabij enkele minuten in plaats van uren zoals tot nu toe nodig was bij het gebruik van conventionele elektrische-weerstandsovens. Verder zal de bewerking van een glanzendeof gelatineuze filterkoek geen belemmering geven bij het uitvoeren van de ontleding-reductie, waarbij 30 de aanwezigheid van deze koek de bewerkingstijd niet verlengd zoals bij conventionele ovens en dit uitgangsmateriaal is niet van in^oed op de uiteindelijke produktkwaliteit. Uranylnitraathexahydraat, ammoniumdiuranaat en ammoniumuranylcarbonaat zoals verwerkt bij de onderhavige werkwijze onder toepassing van een microgolfveld geven een eindprodukt 35 van een sinterbaar poedervormig uraandioxide dat geschikt is om te worden toegepast in een werkwijze ter bereiding van nucleaire brandstof.

Het zal binnen het kader van de bovenverraelde beschrijving mogelijk zijn om veranderingen en modificaties aan te brengen, die begre-pen moeten worden binnen het kader van de uitvinding.

8203357

Claims (9)

1. Werkwijze voor het bereiden van sinterbaar poeder van uraniumdioxide om te worden toegepast in een preparaat voor een 5 kernreactor, met het kenmerk, dat een uitgangsmateriaal wordt gekozen uit de groep bestaande uit uranylnitraathexahydraat, ammoniumdiuranaat en ammoniumuranylcarbonaat, het uitgangsmateriaal wordt verwarmd in een a microgolf-induotieoven gedurende een tijd die voldoende is om het uitgangsmateriaal te ontleden, verhitten van de ontlede verbinding in een 10 microgolf-induotieoven in een reducerende atmosfeer gedurende een periode van voldoende tijd om de ontlede verbinding te reduceren tot poedervormig uraniumdioxide en afkoelen van het poedervormige uranium-dioxide in een redticerende atmosfeer.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 15 de eerst vermelde verwarming wordt uitgevoerd in eeioxiderende atmosfeer.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerst genoemde verwarming wordt uitgevoerd in een gemengde atmosfeer van lucht en stoom,

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 20 de eerst genoemde verwarming wordt uitgevoerd in een inerte atmosfeer.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de uitgangsverbinding wordt ontleed tot een verUnding van UO^ tot UgOg.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerst genoemde verwarming wordt uitgevoerd bij een temperatuur tussen 25 400 en 600 °C.

7. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerst genoemde verwarming wordt uitgevoerd bij een temperatuur tussen 350 en 450 °C.

8. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de 30 tweede genoemde verhitting wordt uitgevoerd bij een temperatuur tussen 450 en 550 °C.

9. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat poedervormig uraniumdioxide wordt afgekoeld tot ongeveer omgevingstempera-tuur. Eindhoven, augustus 1982 8203357