NO153525B - Opprullings- og innspenningsanordning for en stroppspenner. - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til fremstilling av urandioksyd.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til fremstilling av krystallinsk U02, særlig for bruk i brenselelementer for kjenereaktor.

Uranoksyd som er egnet for bruk i brenselelementer skal være fri for forurensninger av slike stoffer som uranmetaller og overskudd av oksygen og nitrogen. Fritt uran er uønsket på grunn av mulig reak-sjon med brenselelementovertrekket eller med kjølemiddelet i tilfelle av brudd i over-trekket. Gasser som er generert når materialet som inneholder overskudd av oksygen eller nitrogen opphetes byr på fare for istykker-rivning av brenselelementovertrekket. Overskudd av oksygen reduserer også materialets termiske ledningsevne.

U02 er det mest termisk stabile av uranets oksyder ved bruk i reaktorer. Den termiske spaltning av andre oksyder gjør dem uaksepterbare for fremstilling av over-trukne brenselelementer på grunn av oksygen som frigjøres eller volumforandringen i materialet eller begge deler, avhengig av hvilke oksyder som inngår. Av disse grun-ner er det ønskelig at forholdet mellom O og U holdes innenfor grenser fra 1,98 til 2,03. Uheldigvis er naturen for urandioksyd slik at små mengder oksygen kan tilføres eller fjernes fra en masse av smeltet materiale uten nødvendig å forandre dens fysi-kalske utseende. Det er derfor vanskelig å fremstille et rent støkiometrisk U02 ved at på en måte følger uranets oksyder ikke loven for bestemte forhold.

U02 er ustabilt i nærvær av oksygen

på grunn av bl. a. følgende reaksjoner:

Tidligere har det vært gjort forsøk på

å fremstille tett krystallinsk urandioksyd ved å smelte uranoksyd i en elektrisk bueovn og tillate den smeltede'masse å størkne.

Det var ventet at en " slik behandling ville resultere i en masse av det stabile ok-syd U02. Resultatene svarte imidlertid ikke til forventningene. Man møtte vanskelig-heter ved at altfor høy reduksjonsgrad under smeltningen resulterte i elementært uranmetall i produktet, og oksydasjon under avkjølingen av produktet resulterte i et produkt med høyt oksygen og nitrogeninn-hold. Omhyggelig kontroll av smeltebetin-gelsene og endog avkjøling i inert atmo-sfære har ikke vært fullstendig heldige.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å skaffe ,'en økonomisk fremgangsmåte for fremstilling av tett grov-krystallinsk støkiometrisk urandioksyd.

Det er en videre hensikt å skaffe en fremgangsmåte til fremstilling av grov-krystallinsk uranoksyd Imed et O/U forhold mellom 1,98 og 2,03, i det vesentlige fri for forurensninger av nitrogen, karbon og elementært uran.

Det er en videre hensikt å fremstille støkiometrisk UOD med stor renhet fra rå-materialer med et O-U forhold på 3,00 eller mindre.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte til fremstilling av støkiometrisk grovkrystallinsk urandioksyd ved å spyle en urandioksydmasse hvor O og U atomforholdet er 3 eller mindre med en inert gass på i og for seg kjent måte og derpå lede hydrogen gjennom massen i tilstrekkelig tid til å omdanne massen til støkiometrisk U02, kjen-netegnet ved at innføringen av hydrogen foretas mens massen befinner seg i smeltet tilstand.

Ifølge læren ifølge foreliggende oppfinnelse, smeltes eventuelle oksyder av uran eller blandete oksyder i en bueovn av den type som det noen ganger refereres til som en buemotstandsovn. Idet det vises til fig. 1, tilveiebringes en vannkjølt digel 11 med kappe. En standard fremgangsmåte for vannkjøling er ved hjelp av et ringfor-met rør 17, som retter vann nedover ut-siden av digelen. Digelen 11 har anordninger til å sende gass gjennom digelinnhol-det. På den viste utførelse omfatter disse anordninger en plate 12, festet nær bunnen av skallet/og et gassinntak 13, som fører fra ladningen 14 til rommet under platen 12. Kraftforbindelsene for elektrodene 18, 19, kontrollanordninger for elektrodene, og klokke over ovnen for oppsamling av støv og gasser er ikke vist på tegningen.

Det anvendes f. eks. en 108 l's digel av den generelle type som vist på tegningen, hvori anbringes et 15 cm's lag 15 av uran-iumoksyd klumper over den perforerte plate 12. Det dannes deretter en karbonbro ved å anbringe klumper av grafitt 16 i en fordypning i den opprinnelige charge (ca. 90 kg uranoksyd). Broen danner en led-ningsforbindelse mellom elektrodene 18, 19 nåir disse til å toegynne med senkes og kraften settes på. På denne måte dannes en bue, og ettersom grafittbroen brenner ut, begynner uraniumoksydet å smelte fra bue-varmen, men det isolerende lag som sees på fig. 2, mellom platen (12) og det smeltede materiale vil naturligvis opprettholdes. Grafitten i broen og i elektrodene skal være av høyest mulig renhet. Etterat buen er påbegynt, kan det være ønskelig å fjerne den resterende grafitt fra broen for å unngå for stor reduksjon.

Etterat buen er tent og det smeltede uranoksyd blir ledende, tilsettes charge. Elektrodene heves langsomt ettersom den smeltede charge bygger seg opp, slik som ved vanlig drift av buemotstandsovnen. Den normale måte til å oppnå dette på er automatisk å regulere stillingen for elektrodene ifølge den forbrukte kraft. Ved hjelp av automatisk utstyr som er vel kjent på området fører fluktuasjoner i kraften til at elektrodene beveger seg opp eller ned for å opprettholde et i det vesentlige kon-stant kraftinntak i ovnen. Som et resultat av denne automatiske kontroll heves elektrodene gradvis ettersom nivået for smeltet charge stiger. I en ovn med 108 l's kapasitet vil kraften holdes mellom 150 og 250 kW. Matningshastigheten for uranoksyd holdes mellom 0,36 og 0,9 kg/kWh, og i løpet av ca. 5 timer er således ovnen fra 3/4—4/5 full. På dette tidspunt slås kraften av.

Den fremgangsmåte som er beskrevet i det foregående, dvs. fremstilling av en smeltet masse av uranoksyd, er av vanlig praksis og danner ingen del jav foreliggende oppfinnelse.

Istedetfor bare å tillate den smeltede masse å avkjøle i ovnen på normal måte, blir ved å følge utførelsen ifølge foreliggende oppfinnelse argon tilført gjennom ledningen 14 til bunnen av ovnen eller digelen for å rense ovnen for atmosfæriske gasser og gasser fra reaksjonen kort tid før kraften til ovnen slås av. Gode resultater oppnås når strømhastigheten og varigheten av spylingen reguleres således at volum av spylegass med standard betingelser er lik ovnsvolumet. Det er klart at 108 1 argon ved ca. atmosfærisk temperatur og trykk utvider seg betydelig når det opphetes av ovnsinnholdet og volumet blir lik flere ganger volumet av ovnen.

Så snart kraften er slått av, heves ovnen og elektroden tilstrekkelig til å tillate kappen å trekkes klar fra ovnsklok-ken, og et vannkjølet lokk klemmes fast på ovnen. Som vist på fig. 2, sikrer en pakning 21, som kan være gummi, at det oppnås en gasstett lukning mellom ovnen og lokket 22. En vakuumpumpe forbundet til ventilut-taket 23 på lokket ble deretter satt igang og argonstrømmen til ovnen stoppes. Vakuumpumpen tillates deretter å uttømme gasser fra ovnen ned til et vakuum på ca. 575 mm kvikksølv, som vist ved trykkmåle-ren 24 på lokket 22. Argon ble deretter inn-ført på ny i digelen gjennom ledningen 14 for å spyle eventuelt resterende oksygen og nitrogen fra ovnen. Så snart argonspylin-gen er fullstendig, innføres hydrogen sam-men med argon. Argonstrømmen avtar, men slås ikke helt av, for å sikre et positivt trykk inne i skallet. En tennanordning an-bragt ved gassuttaket 23 på ovnslokket sikrer antennelse av eventuelt ureagert hydrogen som kommer ut fra ovnen for å hindre at det oppbygges eventuelt eksplosive blan-dinger i atmosfæren. Etter at hydrogenet er strømmet i flere timer og brenner ved uttaket 23, slås hydrogenstrømmen av og argonstrømmen økes for å spyle ut eventuelt tilstedeværende hydrogen. Så snart flammen forsvinner, hvilket indikerer at alt hydrogen er blitt fjernet fra ovnen, luk-kes uttaket 23 på lokket og trykk tillates å bygge seg opp til 125 mm kvikksølv overtrykk. Argonstrømmen kontrolleres for å holde denne på et svakt positivt trykk og ovnen avkjøles under disse betingelser. Når chargen har nådd romtemperatur, kan ovnen åpnes og innholdet tømmes ut.

Ovenstående beskrivelse av fremgangs-måten er naturligvis for klarhets skyld mere spesielt detaljert enn nødvendig for oppfinnelsen. I det vesentlige består oppfinnelsen av: 1) Spyling av oksygen og nitrogen fra en masse av smeltet uranoksyd, 2) intim behandling av massen av uranoksyd med hydrogengass, og 3) avkjøling av massen til romtemperatur i nærvær av en ikke forurensende gass. Selvom argon anvendes, etter hydro-genbehandllngen, for å spyle systemet for hydrogen, gjøres dette for å eliminere fare for eksplosjon. Hvis ønskes, kunne hele av-kjølingstiden utføres i nærvær av hydrogen. Andre selvfølgelige modifikasjoner av ovenstående fremgangsmåte ville være klart for en fagmann på området.

Et spesielt forsøk som viser fremstilling av smeltet støkiometrisk UOa fra usmeltet uranoksyd vil beskrives i det følgende.

Ovn: Ståldigel, ovalt tverrsnitt 108 l's kapasitet.

Elektroder: Grafitt av høy renhet, 10 cm's diameter i sirkulært tverrsnitt, 150 cm lang.

Charge: 815 kg uranoksyd med følgen-de analyse:

Ovnen ble startet på den måte som er beskrevet ovenfor og kraften ble holdt ved 230 kW ± 50 kW, mens det ble matet en rå blanding med en hastighet somi varierte mellom 0,57 og 0,74 kg/kWh. Transforma-torspenningen ble variert fra 112—131 volt under forsøket som varte i 5 timer. 10 min. før elektrodene ble fjernet ble argonstrømmen påbegynt med en hastighet på 540 liter pr. time. Ved normalt trykk og temperatur. Etter fastgjøring av lokket på ovnen ble vakuumpumpen startet og holdt igang i 3 min. for å nå et vakuum på 575 mm kvikksølv. Ventilen ved uttaket ble lukket og argon ble deretter innført på ny i ovnen med en hastighet på 540 liter/time (Ved n.t.p.). Når trykket i ovnen var steget til atmosfæretrykk, ble utløpsventilen åp-net og argon ble tillatt å unnslippe i en periode på 15 min. Ved slutten av dette tidsrom ble hydrogen innført med en hastighet på 273 liter pr. time (ved n.p.t.) og argonstrømmen ble senket til 95 liter pr. time (ved n.p.t.) Denne gass-strøm ble holdt i 7y2 time, på hvilket tidsrom argon-strømmen ble øket tilbake til 540 liter pr. time (ved n.p.t.) og hydrogenstrømmen ble slått av. Så snart flammen ved uttaket slukket, ble utløpsventilen lukket, argon-strømmen ble fortsatt inntil det var byg-get opp et overtrykk på 125 mm kvikksølv. Ovnen ble deretter avkjølt i 30 timer, mens det svake overtrykk ble opprettholdt ved hjelp av en liten argonstrøm inn i ovns-skallet. Etter 30 timer ble innholdet tømt ut. Produktet som veiet 455 kg ga følgende analyse: 10 mesh kornene av det knuste produkt på 12 mesh silen, var mer enn 85 % mono-krystallinsk og produktets spesifikke vekt var høyere enn 98,5 % av det teoretiske.

Det er ikke bestemt noen nøyaktige grenser for den mengde hydrogen som kreves for foreliggende fremgangsmåte. Det viser seg imidlertid at hvis tilstrekkelig hydrogen sendes gjennom massen før den er avkjølt usedvanlig meget, i en mengde som er minst' tilstrekkelig til å redusere forurensningene som ellers kunne ventes på basis av det teoretiske og tidligere resultater uten slik behandling), oppnås opti-mum resultater. Som det kan ses fra det ovenfor beskrevne eksempel, kreves toåre en forholdsvis liten mengde hydrogen for å gi utmerkete resultater ved foreliggende fremgangsmåte, og det ville oppnås lite ved eventuelt forsøk på å bestemme det ab-solutte minimum hydrogen som kreves. I praksis er det da normalt å fortsette hydro-

genbehandlingen i tilstrekkelig tid til å

sikre at all jmulig nytte av hydrogenet oppnås, dvs. at i det vesentlige alle fjernbare

forurensninger er blitt eliminert under be-handlingsbetingelsene.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av støkiometrisk grov-krystallinsk urandioksyd ved å spyle en urandioksydmasse hvor O til U atomforholdet er 3 eller mindre

med en inert gass på i og for seg kjent måte og derpå lede hydrogen gjennom massen i tilstrekkelig tid itil å omdanne massen til støkiometrisk U02, karakterisertved at innføringen av hydrogen foretas mens massen befinner seg i smeltet tilstand.

2. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisert ved at den inerte gass er argon.