NO141616B - Fremgangsmaate for kontinuerlig kutting av en fremoverfoert rekke av loekker, samt anordning for utfoerelse av fremgangsmaaten - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for fremstilling av et keramisk brennstofflegeme for nøytronreaktorer.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av høy-temperaturbestandige keramiske brennstofflegemer for nøytronreaktorer, idet det først fremstilles kornformet keramisk brennstoff, som deretter blandes homogent med beskyttende ildfast material og tildannes til et brennstofflegeme, hvoretter

det på denne måte erholdte brennstofflegeme ved sintring overføres i et kompakt keramisk brennstofflegeme med høy var-meledningsevne. Dette er beskrevet i fransk patenskrift nr. 1 212 233. Det anvendes ved fremgangsmåten i henhold til det franske patentskrift kjernebrennstoff med partik-kelstørrelse på 25 til 100 \ i, men det er ved anvendelse av kjernebrennstoff med denne partikkelstørrelse ikke mulig å oppnå brennstofflegemer som er tilstrekkelig mot-standsdyktige mot vandring av spaltnings-produkter.

Det er ved foreliggende oppfinnelse muliggjort fremstilling av brennstofflegemer for nøytronreaktorer, som er mot-standsdyktige mot vandring av spaltnings-produkter, ved at det i henhold til oppfinnelsen for fremstillingen av brennstoff legemene anvendes brennstoffpartikler med en øket partikkelstørrelse.

Oppfinnelsen går således ut på en

fremgangsmåte for fremstilling av et keramisk brennstofflegeme for anvendelse ved høye temperaturer inne i en kjernereaktor, idet det først fremstilles partikler av keramisk kjernebrennstoff, . hvilke partikler

blandes homogent med et mekanisk beskyttende partikkelformet ildfast material, hvoretter blandingen formes for dannelse av et brennstofflegeme og deretter sintres for å frembringe et kompakt brennstofflegeme med stor styrke, og det særegne ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er at det keramiske brennstoff bringes på partikkelstørrelse på 150 mikron eller mer,

før brennstoffet blandes med ildfast material.

På denne måte oppnås brennstofflegemer som også er egnet for nøytronreaktorer for høye arbeidstemperaturer, hvor på grunn av den høye temperatur vandringen av spaltingsprodukter opptrer i vesentlig forsterket grad. Utover dette har de i henhold til oppfinnelsen fremstilte brennstofflegemer for nøytronreaktorer på grunn av den i og for seg kjente metode for fremstillingen også stor tetthet, er mer mot-standsdyktige mot de påkjenninger som normalt opptrer ved høye temperaturer og kan arbeide innenfor et videre temperaturområde med større vikningsgrad, og de mu-liggjør under driften av reaktoren oppnå-else av både jevn varmeproduksjon og jevn varmeoverføring. Det er også særlig øns-kelig å anordne brennstofflegemer som har jevn brennstoff-fordeling i legemene, slik at såkalte varmeflekker («hot spots») eller lokale soner med høyere temperatur unngås i brennstofflegemene under reaktorens drift.

Vanskeligheter med å oppnå disse egenskaper for brennstofflegemene blir vesentlig forøket i høytemperaturreaktorer da under slike omstendigheter brennstofflegemene også er utsatt for større strekk-og trykk-påkj enninger osv.

Ytterligere hensikter og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende detaljerte beskrivelse.

I sine hovedtrekk, er de forbedrete høy-temperatur brennstofflegemene fremstilt ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse av keramisk na-tur, idet de kombinerer keramisk nukleært brennstoff med. et beskyttende ildfast material. De har én forhøyet evne til å mot-stå trykk og strekk som det normalt må regnes med ved høye temperaturer og er i stand til å arbeide effektivt over et stort temperaturområde med redusert vandring av fisjonsprodukter. Størrelsen av partiklene for det keramiske brennstoff er altså valgt slik at brennstoffmaterialets evne til å tilbakeholde fisjonsprodukter er bedret. På grunn av anvendelsen av keramiske materialer både for brennstoffet og det beskyttende material og fordi brennstoffpar-tiklene kan bli jevnt fordelt inne i brennstofflegemet, kan det oppnås en jevnere varmeproduksjon og varmeoverføring fra brennstofflegemet under reaktorens drift.

Keramisk nukleært brennstoff, dvs. nukleært brennstoff i keramisk form, en-ten i form av oksyd, karbid, silicid e. 1. kombineres med et egnet beskyttende ildfast material. Generelt sett, blir nukleære brennstoffkarbider mest effektivt beskyttet ved hjelp av ildfaste karbider, nukleære brennstoffsilisider med beskyttende ildfaste silisider osv: Følgelig omfatter, i tilfelle av nukleært brennstoff i oksyd-form, det beskyttende ildfaste material fortrinnsvis ett eller flere ildfaste metalloksyder som ut-viser egnede nøytronabsorbsjonstverrsnitt-egenskaper, for fremstilling av et brennstofflegeme, og dette brennstofflegeme blir sintret for å danne det ønskede produkt.

Kombinasjonen av keramisk brennstoff-material med det beskyttende keramiske material kan utføres ved å disper-gere i keramiske brennstoffpartikler i en grunnmatrise av det partikkelformede ildfaste material, hvoretter dispersjonen komprimeres til et kompakt legeme. Dette kan også på overflaten overtrekkes med det ildfaste material. Keramisk nukleært brennstoff, omfattende et eller flere oksyder, karbider, silisider osv. av nukleært brennstoff, dvs. av uran, thorium eller plutonium, dispergeres i adskilt partikkelform med partikkelstørrelse omtrent 150 mikron eller mter, i en matrise av et egnet beskyttende keramisk material, f. eks. det tilsvarende oksyd, karbid, silisid osv. I tilfelle av nukleære brennstoffoksyder, er det beskyttende ildfaste material et egnet keramisk metall-oksyd. Fortrinnsvis er oksydet valgt fra den gruppe som består av aluminiumoksyd, ALA,, berylliumoksyd, BeO, eller en blanding av disse. Særlig er berylliumoksyd å foretrekke. Partiklene av det keramiske brennstoff blir jevnt fordelt inne i matrisen for å danne et brennstofflegeme. Det brukes en fremgangsmåte for fordeling som opprettholder de individuelle partikler i det keramiske brennstoff. Følgelig opprettholdes de angitte fordeler med kontrollert brennstoffpartikkelstørrelse og -fordeling. Etter en slik fordeling blir brennstofflegemet sintret til det ønskede ferdige keramiske brennstofflegeme. Sintringstempe-raturen er avhengig av egenskapene for de findelte materialer. Den kan være så høy som 1750°C, eller så lav som 1400°C, avhengig av størrelsen og arten av partiklene som skal sintres etc

Under utførelsen av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, foreligger det keramiske nukleære brennstoff i form av adskilte partikler av kontrollert størrelse, større enn ca. 150 mikron. Fremstillingen av brennstoffet i partikkelform kan utfø-res på hvilken som helst egnet måte, men en særlig fordelaktig måte for å frembringe brennstoffpartikler av egnet størrelse omfatter fukting av en mengde av pulverformet keramisk brennstoffmaterial med en oppløsning omfattende et egnet utvalgt bindemiddel for brennstoffet og et oppløs-ningsmiddel for bindemidlet, som sam-menblandes til en masse. Den fuktete masse av det keramiske brennstoffpulver blir så tørket, f. eks. i en vakuum-tørreovn ved lav temperatur, f. eks. ca. 38°C, hvoretter den tørkete kake blir smuldret opp og så presset sammen ved et høyt trykk f. eks. fra 700 kg/cm2 til 1400 kg/cm2 i en egnet apparatur, f. eks. en presse, hvoretter den resulterende kompakte masse blir overført til den angitte partikkelstørrelse i henhold til oppfinnelsen ved knusing og utsortering av de knuste partikler etter størrelse ved å la dem passere gjennom sikter eller lignende.

De brennstoffpartikler med størrelse ca. 150 mikron og derover som er dannet på denne måte, blir så ført inn i matrisen av beskyttende ildfast material på en måte som sikrer jevn fordeling mens brennstofflegemet tildannes. For dette øyemed kan det partikkelformete keramiske nukleære brennstoff fordeles jevnt i en våt pasta som omfatter pulverformet ildfast material og et oppløsningsmiddel for bindemid-delet, ved enkel sammenblanding o. 1., her-under kan også hver partikkel av kjerne-brennstoffet overtrekkes ved besprøytning med fint dispergert ildfast materiale.

Deretter blir den pasta som f. eks. ved sammenblanding er bibragt sitt innhold av det nukleære brennstoff tørket og presset sammen ved et egnet trykk av f. eks. 700 kg/cm2 til 2100 kg/cm2 slik at det dannes et tett brennstofflegeme. Brennstofflegemet blir så sintret ved høy temperatur for å frembringe det ønskete tette, varmeledende høy-temperatur keramiske brennstofflegeme som er motstandsdyktig mot vandring av fisjonsprodukter, og som har jevne varmeproduksjons- og varmeoverfø-ringsegenskaper og hvor brennstoffet er fastholdt i form av adskilte partikler.

Under valget av egnete binde-oppløs-ningsmidler for å utføre prosessen, er det viktig å velge slik at brennstoffets bindemiddel er uoppløselig i oppløsningsmidlet for det beskyttende ildfaste materialets bindemiddel. I motsatt fall vil brennstoffpartiklene brytes ned til den ubundete pulverform ,og den ønskete opprettholdelse av adskilte brennstoffpartikler vil ikke opp-nåes.

Således kan, f. eks. polyvinyl-alkohol benyttes som bindemiddel for det keramiske urandioksyd-brennstoff. I så tilfelle bør oppløsningsmidlet for bindemidlet for det beskyttende ildfaste berylliumoksydmate-rial ikke være i stand til å oppløse polyvinylalkoholen, som anvendes som bindemiddel for urandioksydpartiklene. Polyvinyl-alkohol er oppløselig i vann, og vann kan anvendes som oppløsningsmiddel for polyvinylalkoholen i prosessen, idet polyvi-nylalkoholene er uoppløselig i f. eks. karbontetraklorid. Hvis vann benyttes for å oppløse eller fortynne bindemidlet for det ildfaste material, når f. eks. protein-lim anvendes som bindemiddel, ville vannet også oppløse den polyvinylalkohol som holder brennstoffpulveret sammen som adskilte partikler og brennstoffpartiklene ville således brytes ned. Tap av ønsket avstand og gruppering av brennstoffet i det beskyttende ildfaste material ville bli resultatet. Karbontetraklorid kan på den annen side anvendes som oppløsningsmiddel for bindemidlet for det beskyttende ildfaste material uten å påvirke polyvinylalkoholen. Det ildfaste materialets bindemiddel kan, f. eks. være parafinvoks, mikrokrystallinsk voks eller lignende stoffer som er oppløse-lige i karbontetraklorid og er effektivt som bindemiddel for berylliumoksyd.

Alternativt kunne parafinvoks — karbontetraklorid anvendes som bindemiddel-oppløsningsmiddel i forbindelse med brennstoffet, og polyvinylalkohol — vann kunne anvendes som bindemiddel-oppløsnings-middel r forbindelse med det beskyttende ildfaste material da vann ikke oppløser parafinvoks. Hvis imidlertid vannet oppvar-mes til over smeltepunktet for parafinvoksen, vil det oppstå uønsket nedbrytning av brennstoffpartiklene. Temperaturen under prosessen bør således holdes lav nok til å forhindre parafinvoks fra å smelte, dvs. holdes ikke over 60 °C inntil pastaen er tørket og brennstofflegemet skal formes.

Andre egnete kombinasjoner av binde-og oppløsningsmidler kan med hell brukes. Valg av slike i overensstemmelse med de retningslinjer som her er anført vil være nærliggende for fagmannen, Således kan, f. eks. kombinasjoner av trikloretylenvinyl-plast eller -harpiks anvendes sammen med protein-vann-kombinasjoner osv. Således kan urandioksydpulver fuktes med kasein-vann-oppløsning, tørkes og formes til partikler på den beskrevne måte. Aluminiumoksyd i pulverform kan fuktes med en opp-løsning av polyvinylacetat og ortodiklor-benzen for å danne en tykk pasta. Den våte pasta blir så tilblandet brennstoffpartiklene på en slik måte at partiklene blir jevnt dispergert.

Det skal bemerkes at brennstoffpartiklene lett blir jevnt fordelt i den våte pasta under prosessen og at deres relative avstand i denne, og partikkelformen lett opprettholdes mens pastaen tørkes og presses, og det resulterende brennstofflegeme sintres.

Forskjellige trekk ved den i det foregående beskrevne utførelsesform er anført i det følgende eksempel:

Eksempel 1.

Urandioksyd i pulverform blandes med en oppløsning omfattende polyvinylalkohol og vann, idet oppløsningen tilsettes i en mengde som er tilstrekkelig til å binde sammen pulveret til en våt pastalignende masse. Massen tørkes så ved 55°C i en va-kuum-tørkeovn. Den tørre kaken blir oppsmulet, og de resulterende partikler føres inn i en herdet stålform og presses sammen, ved omkring 1050 kg/cm2. Det resulterende kompakte legeme blir så knust og de oppdelte fortettete partikler passerer gjennom en sikt på 60 mesh (250 mikron),

idet det tas vare på den fraksjon som er.

over 150 |.i.

Berylliumoksyd i pulverform blandes

med parafinvoks oppløst i karbontetraklo-

rid for å danne en tykk våt pasta. Partik-

lene av sammenpresset urandioksyd føres så inn i den våte pasta ved å blandes med denne, idet brennstoffpartiklene blir jevnt fordelt og suspendert i pastaen. Den re-

sulterende blanding føres gjennom en sikt på 60 mesh (250 mikron) for å sikre, jevn fordeling av partiklene og fjernelse av par-

tikler av uønsket størrelse samt klumper,

og tørkes så i en vakuumovn, ved 38°C, ved lav temperatur under smeltepunktet for parafinvoksen. Den tørkete pasta blir så

oppsmulet og anbragt i en herdet stål-

form hvor den presses til omkring 2100 kg/

cm2 for å danne et brennstofflegeme. Brennstoff legemet fjernes fra formen og

stotres i en hydrogenatmosfære, kjøles så

til omgivelses-temperatur til et ferdig brennstofflegeme som er karakterisert ved at urandioksydet fremdeles er tilstede i form av partikler med den angitte stør-

relse som er jevnt fordelt i berylliumok-sydmatrisen. Brennstofflegemet er i det ve-

sentlige keramisk, høyt varmeledende med jevne varmeproduksjons- og varmeoverfø-rings-egenskaper, tett og motstandsdyktig mot vandring av fisjonsprodukter, og er egnet til bruk over et stort temperaturom-

råde, uten sprekking eller forringelse.

I denne forbindelse frembyr brennstofflegemet når det anvendes i en reaktor-

kjerne vesentlig mindre vandring av fisjonsprodukter enn et identisk brennstoff-

legeme som i motsetning hertil ikke inne-

holder brennstoffet i form av adskilte par-

tikler av den angitte størrelse, men i ste-

det har brennstoffet fordelt i hele matri-

sen som et meget fint pulver. Et slikt brennstofflegeme ville kunne fremkomme hvis det ved foreliggende fremgangsmåte brukes et oppløsningsmiddel for bindemid-

let for det- ildfaste material og dette opp-løsningsmiddel også oppløser brennstoff-bindemidlet.

Det følgende eksempel viser ytterligere

trekk ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Eksempel 2.

Urandioksydpartikler med partikkel-

størrelse omkring 60 mesh (250 mikron)

nedsenkes i en velling omfattende 25 vekt-

prosent aluminiumoksyd i pulverform, dis-

pergert i diklorbenzen inneholdende om-

kring 3 vektprosent polyvinylacetat — harpiks-bindemiddel oppløst deri. Vellingen dreneres fra brennstoffpartiklene som så

tørkes i en vakuumovn og bringes ved ned-

senking i berøring med vellingen en gang til. Partiklene dreneres på ny, tørkes på ny i en vakuumovn og viser seg å være jevnt overtrukket med et tett klebende lag av pulverformet aluminiumoksyd. Aluminium-

oksydet er bundet til overflaten av urandioksydpartiklene ved hjelp av polyvinyl-

acetat. De overtrukkete urandioksydpartik-

ler innføres så i en stålform med form til-

svarende brennstofflegemets form og blir der underkastet et trykk på ca. 1400 kg/

cm2. Deretter fjernes det resulterende brennstofflegeme fra pressen og sintres i 6 timer i en hydrogenatmosfære for å frem-

bringe et ferdig keramisk brennstofflegeme,

omfattende et kompakt brennstofflegeme,

hvis overflate er fullstendig overtrukket med godt fastsittende beskyttende alumi-

niumoksyd. Brennstofflegemet oppviser høy temperatur-stabilitet, termisk . led-

ningsevne og motstand mot utsendelse av fisjonsprodukter.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av et keramisk brennstofflegeme for anven-

delse ved høye temperaturer inne i en kjernereaktor, idet det først fremstilles partikler av keramisk kjernebrennstoff, hvilke partikler blandes homogent med et mekanisk beskyttende partikkelformet ildfast material, hvoretter blandingen formes for dannelse av et brennstofflegeme og deretter sintres for å frembringe et kompakt brennstofflegeme med stor styrke, karakterisert ved at det keramiske brennstoff bringes på partikkelstørrelse omtrent 150 mikron eller mer, før det blandes med det ildfaste material.

2. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, karakterisert ved at de keramiske kjernebrennstoff partikler dispergeres jevnt i en beskyttende grunnmatrise av det partikkelformete ildfaste material, hvoretter dispersjonen komprimeres til et kompakt legeme.

3. Fremgangsmåte som angitt i påstand 2, karakterisert ved at det som grunnmatrise anvendes en våt pasta-for-met blanding av det partikkelformete ildfaste material, et bindemiddel for dette, samt et oppløsningsmiddel for bindemidlet, og at pastaen tørkes før komprimeringen.

4. Fremgangsmåte som angitt i påstand 3, karakterisert ved at kjeme-brennstoffet, før dispergeringen i grunn-matrisen,- foreligger i pulverform, og formes til en våt masse med et bindemiddel for kjernebrennstoff et og et oppløsnings-middel for bindemidlet, hvoretter det tør-kes, smules opp, komprimeres og overføres til partikkelform, idet oppløsningsmidlet for bindemidlet for det ildfaste partikkelformede material er ikke-oppløsende for bindemidlet for kjernebrennstoff et.

5. Fremgangsmåte som angitt i påstand 4, karakterisert ved at det som bindemiddel for kjernebrennstoff et anvendes polyvinylalkohol ,og at det som oppløs-ningsmiddel for denne anvendes vann, at det som bindemiddel for det ildfaste material anvendes parafinvoks, og at det som oppløsningsmiddel for denne voks anvendes karbontetraklorid.

6. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, karakterisert ved at hver partikkel av kjernebrennstoff et, før dette komprimeres, overtrekkes med det beskyttende ildfaste material, f. eks. ved å be-sprøyte brennstoffet med det ildfaste material i fint, dispergert form.

7. Fremgangsmåte som angitt i påstand 1, karakterisert ved at brennstofflegemet også på overflaten av dette overtrekkes med det ildfaste material.

8. Fremgangsmåte som angitt i hvilken som helst av de foregående påstander, karakterisert ved at det som kjernebrennstoff anvendes uranoksyd.