NL8500654A - Werkwijze ter bereiding van nucleaire brandstofkorrels. - Google Patents

Description

N033033 1

Werkwijze ter bereiding van nucleaire brandstofkorreis

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op de bereiding van nucleaire brandstofkorrels, in het bijzonder korrels, die uraniumdioxide bevatten.

De deeltjesstructuur van uraniumdioxidepoeder varieert met de me-5 thode die gebruikt is om het poeder te bereiden en deze structuur heeft een direkt verband met het gemak, waarmee het poeder geperst kan worden onder vorming van initi’éle lichamen met een voldoende samenhang en sterkte om daaropvolgende hanterlngsbewerkingen zonder schade voorafgaande aan de eindsintering, te doorstaan. De structuur van uranium-10 dioxidepoeder, dat op grote schaal bereid is volgens werkwijzen waarbij in de gasfase wordt gewerkt en waarbij uraniumhexafluoride met droge stoom en vervolgens met stoom en/of waterstof bij een hogere temperatuur wordt omgezet, kan uraniumdioxide voortbrengen, dat op prijs wordt gesteld vanwege zijn uniformiteit, zijn vermogen tot zeer hoge dichthe-15 den gesinterd te kunnen worden en zijn gelijkblijvende buitengewone chemische zuiverheid. Het verkregen poeder kan vervolgens met of zonder toevoeging van een organisch bindmiddel verwerkt worden. Bij de bind-middelvrije weg wordt het uit de gasfasereactie verkregen oxidepoeder vooraf geperst onder vorming van briketten, die vervolgens worden ge-20 broken, gezeefd en geconditioneerd om UO2 granules voor daaropvolgende korrelings- en sinteringsbewerkingen voort te brengen. De volgens de bindmiddelvrije weg gevormde initiële korrels hebben een enigszins geringere samenhang en sterkte, maar hebben het voordeel, dat er geen behandeling nodig is om bindmiddel te verwijderen.

25 Waar een organisch bindmiddel (bijv. polymethylmethacrylaat, zoals bijv. verkocht onder de merknaam Cranko) met het poeder, bereid volgens de gasfasereactie verenigd wordt, is het in het algemeen noodzakelijk gebleken het in een hoeveelheid van ten minste 2 gew.Z toe te passen om het mogelijk te maken dat initiële korrels met een grote samenhang en 30 sterkte verkregen worden. Bij dergelijke grote hoeveelheden bindmiddel is een inleidende ovenbehandeling van de initiële korrels noodzakelijk om nagenoeg al het bindmiddel, vöör de eindsintering, te verwijderen.

Volgens het Britse octrooischrift 1.545.747 is ingezien, dat de opname van kleinere hoeveelheden bindmiddel de noodzaak voor een ge-35 scheiden ovenbehandeling ter verwijdering van het bindmiddel kan ondervangen. In dit octrooischrift wordt voorgesteld een verbeterde korrel-samenhang in de initiële toestand te bereiken (in vergelijking met de initiële korrels bereid volgens de bindmiddelvrije weg) met bindmiddel- 6500654 .*» v 2 hoeveelheden van minder dan 1 gew.%.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt uraniumdioxidepoeder, bereid volgens een werkwijze in de gasfase, waarbij uraniumhexafluoride met droge stoom en vervolgens met stoom en/of waterstof bij een hogere 5 temperatuur wordt omgezet, onderworpen aan een intense mechanische wrijving om de stortdichtheid te vergroten, wordt het behandelde poeder gemengd met een beperkte hoeveelheid bindmiddel om vrij stromende deeltjes voort te brengen, worden de deeltjes eventueel aan een tuimelbe-handeling blootgesteld om er een bolvorm aan te verlenen, worden de 10 deeltjes tot korrels gevormd die uraniumdioxide bevatten, en worden tenslotte de korrels gesinterd.

De structuur van de deeltjes in het initiële uraniumdioxidepoeder, afkomstig van de gasfasereactie, blijkt een drie-dimensionaal rooster van verbonden primaire kristallieten te bevatten. Wanneer dit poeder 15 wordt geperst, sluiten de deeltjes in toenemende mate in elkaar naarmate de persdruk toeneemt en beginnen vervolgens te bezwijken, naarmate de druk verder wordt verhoogd. De samenhang van een geperst lichaam verbetert derhalve initieel naarmate de persdruk toeneemt, begint vervolgens achteruit te gaan en in het algemeen zijn relatief grote hoe-20 veelheden bindmiddel (d.w.z. meer dan 2 gew.%) nodig om de samenhang van een geperst lichaam aanzienlijk te verbéteren. Door intense mechanische wrijving van het poeder voorafgaande aan het persen, door bijv. malen in een kogelmolen, wordt het drie-dimensionale rooster van de deeltjes afgebroken tot kleinere eenheden met een verminderd vermogen 25 om in elkaar te sluiten, zodanig dat, wanneer dit poeder direkt tot korrels wordt geperst, de korrels een geringe samenhang hebben. De door het malen voortgebrachte kleine eenheden pakken echter dichter tezamen dan de oorspronkelijke deeltjes uraniumdioxidepoeder. Daarbij wordt een toegenomen aantal contactpunten verschaft, waardoor veel kleinere hoe-30 veelheden bindmiddel nodig zijn voor het verbeteren van de samenhang en de sterkte van geperste lichamen, bijv. minder dan 0,5 gew.% droog bindmiddel betrokken op het poedergwicht in het geperste lichaam. Een ovenbehandeling om het bindmiddel te verwijderen kan vervolgens niet noodzakelijk zijn.

35 Derhalve omvat de werkwijze van de onderhavige uitvinding in te genstelling tot de in het Britse octrooischrift 1.545.747 beschreven voorstellen een intense mechanische wrijving om de stortdichtheid van het poeder te vergroten, zodat de beperkte hoeveelheid bindmiddel werkzamer is krachtens de aanzienlijke toename in contactpunten en derhalve 40 voor het bindmiddel beschikbare grensvlakplaatsen van de deeltjes. Hoe- 8500654 3 wel het Britse octrooischrift 1.545.747 verwijst naar het fluïdiseren van het U0£ poeder als zodanig of als granules na een inleidende com-primering en fijnmaken van het gecomprimeerde deel, resulteren deze werkwijzen (d.w.z. fluïdiseren, comprimeren en fijnmaken) niet in enige 5 wezenlijke structurele verandering van de poederdeeltjes. Het is alleen nadat de deeltjesstructuur radikaal gewijzigd is, dat een grote verbetering in de initi’éle korrelsamenhang bereikbaar is met de beperkte hoeveelheden bindmiddel, beoogd in het Britse octrooischrift 1.545.747 en de onderhavige uitvinding.

10 De trap van de mechanische wrijving, bijv. door malen in een ko- gelmolen, houdt bij voorkeur de volledige afbraak van het drie-dimen-sionale rooster van de poederdeeltjes tot afzonderlijke kristallieten in. De graad van mechanische wrijving, die noodzakelijk is om dit te bereiken, kan voor een bijzonder poeder worden vastgesteld, door een 15 deel van het poeder aan mechanische wrijving gedurende opeenvolgende tijdsperioden te onderwerpen en de toename in bijv. de aftapdichtheid van het poeder, dat tijdens elk interval plaats heeft, te meten. De vereiste mate van organische wrijving is dan die, waarvoorbij geen verdere aanzienlijke toename in aftapdichtheid plaats heeft.

20 Bij de werkwijze van de uitvinding is het eveneens een voordeel, dat na toevoeging van bindmiddel het gemalen poeder zeer gemakkelijk bolletjes vormt door tuimeling onder vorming van een vrij stromend, grotendeels bolvormig produkt met een diameter, die gewoonlijk 0,1 - 0,3 mm is, dat homhogeen is en een zeer geschikt toevoermateriaal 25 voor het persen vormt.

Omdat het tot bolletjes gevormde produkt een zeer grote dichtheid en samenpakkende fractie heeft, hebben de geperste initiële korrels een aanzienlijk hogere dichtheid met een verminderde ponsbeweging tijdens het persen. Dit resulteert in een geperste korrel met een meer constan-30 te dichtheid, die vervolgens onder vorming van een korrel met een nagenoeg constante diameter wordt gesinterd. Dientengevolge is het mogelijk de diameterafschuring tot de afmeting van de gesinterde brandstofkor-rels te verminderen of zelfs te elimineren.

Het bindmiddel is bij voorkeur een plakmiddel met hoge treksterkte 35 en bestandheid tegen afschilferen en van de soort, waarbij rubber, natuurlijk of synthetisch, met een synthetische hars gemengd wordt. Een dergelijk bindmiddel is bruikbaar, omdat de samenhang van een geperste korrel volgens de onderhavige uitvinding meer afkomstig is van deeltje aan deeltje-binding dan door een in elkaar sluitingsmechanisme en de 40 samenhang en de sterkte toeneemt met die van het bindmiddel. Bovendien 8500654 4 gaat dit type binding niet achteruit met toenemende persdruk, waardoor het traject van de persdruk voor de vorming van korrels met grote samenhang vergroot wordt.

Het plakmiddel kan in een geschikt oplosmiddel verdund zijn, bijv.

5 dat, waarin het normaliter wordt geleverd en tezamen met een willekeurig pori'énvormend toevoegsel, aan het mechanisch behandelde poeder wordt toegevoegd onder vorming van een suspensie, die vervolgens onder continu roeren wordt gedroogd onder vorming van een droog, niet klevend, granulair produkt voor het persen.

10 Het gebruik van een glijmiddel voor het mondstuk kan vermeden wor-· den, wanneer meer dan de miniumum hoeveelheid bindmiddel aanwezig is. Aangenomen wordt dat met een plakmiddel, dat bij een relatief lage temperatuur smelt, een voorbijgaand smelten plaats heeft als gevolg van wrijving tijdens de persbewerking, zodat zowel het bindmiddel zowel als 15 inwendig glijmiddel, als als glijmiddel voor het mondstuk tijdens het persen, fungeert.

Het uraniumdioxidepoeder kan gedurende de gehele werkwijze van de uitvinding gemengd worden met andere uraniumoxiden en/of met thorium-of plutoniumoxide, eveneens met toevoegsels, die als hulpmiddelen voor 20 het sinteren of als middelen voor het bevorderen van de korrelgroei fungeren.

VOORBEELD

Bij de vervaardiging van uraniumdioxidekorrels uit een gebruike-25 lijk uraniumdioxidepoeder, bereid volgens de hiervoor vermelde gasfase-reactie, zijn de eigenschappen van het uitgangspoeder:

Specifiek oppervlak 2,4 m2/g

Stortdichtheid 1,08 g/cm2

Aftapdichtheid 2,05 g/cm^ 30 Een lading van 7 kg van het poeder wordt in een trommel met een diameter van 30 cm, die 37 kg stalen kogels bevat, gebracht. De trommel wordt gesloten en gedurende een periode van 5 uren geroteerd. De inhoud van de trommel wordt vervolgens gezeefd om het gemalen uraniumdioxidepoeder af te scheiden, dat de volgende eigenschappen heeft: 35 Specifiek oppervlak 3,3 m2/g

Stortdichtheid 2,61 g/cm?

Aftapdichtheid 3,95 g/cm?

Het gemalen poeder wordt vervolgens in 1,75 liter trichlooretheen

R

geroerd, waarin vooraf 87,5 g van het kleefmiddel Evode No. 528 40· (bereid en verkocht door Evode Limited, Stafford, England) is gedisper- 85 0 0 6 5 4 5 geerd. De verkregen suspensie wordt in een ondiepe schotel gegoten, die bij omgevingstemperatuur in een luchtstroom wordt geplaatst tot alle trichlooretheen is verdampt.

De verkregen brosse biscuit wordt vervolgens uit de schotel ver-5 wijderd en voorzichtig door een zeef van 1,2 mm geborsteld. De verkregen granules, die 0,3 gew.% kleefbindmiddel bevatten, worden bij 4 te/cm^ geperst onder vorming van initiële korrels met een grote samenhang en sterkte voorafgaande aan het sinteren in een waterstofatmos-feer.

85 0 0 6 54

Claims (12)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van nucleaire brandstofkorrels, met het kenmerk, dat men uraniumdioxidepoeder, bereid volgens een werk- 5 wijze in de gasfase door reactie van uraniumhexafluoride eerst met droge stoom en vervolgens met stoom en/of waterstof bij een hogere temperatuur, onderwerpt aan een intense mechanische wrijving om de stort-dichtheid te vergroten, het behandelde poeder met een beperkte hoeveelheid bindmiddel mengt onder vorming van vrij stromende deeltjes, die 10 tot uraniumdioxide bevattende korrels worden gevormd, en de korrels sintert.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men het met bindmiddel gemengde poeder aan een bolvorming onderwerpt, door voorafgaande aan de vorming tot korrels, te tuimelen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men de korrels vormt door zonder een glijmiddel voor het mondstuk samen te persen.

4. Werkwijze volgens één of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat men het uraniumdioxidepoeder door malen aan een 20 mechanische wrijving onderwerpt.

5. Werkwijze volgens één of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat men een beperkte hoeveelheid bindmiddel toepast, die minder is dan 0,5 gew.% droog bindmiddel betrokken op het gewicht van het poeder in de korrels.

6. Werkwijze volgens één of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat men als bindmiddel een kleefmiddel met grote sterkte van het rubber/synthetische harstype toepast.

7. Werkwijze volgens één of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat men een korrel vervaardigt, die een poriën vormend 30 toevoegsel bevat.

8. Werkwijze volgens één of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat men plutoniumdioxide met het initiële uraniumdioxidepoeder mengt.

9. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 tot 8, met 35 het kenmerk, dat men de korrels sintert zonder uitvoering van een willekeurige tussenliggende behandeling voor het opheffen van de binding in een oven.

10. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 tot 9, met het kenmerk, dat men na het wrijven de poederdeeltjes met het bindmid- 40 del verenigt onder vorming van een suspensie, die vervolgens wordt ge- 8500654 * 4· - ^ * droogd en gegranuleerd onder vorming van granulaire deeltjes voor het persen tot korrels.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat men de granulaire deeltjes aan een bolvorming onderwerpt door voorafgaande aan 5 het persen tot korrels te tuimelen.

12. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1 tot 11, met het kenmerk, dat men het poeder aan de intense mechanische wrijving onderwerpt gedurende een tijdsinterval, dat voldoende is om de structuur van de poederdeeltjes tot hun samenstellende kristallieten af te bre- 10 ken. 8500654