SE415216B - Forfarande for framstellning av sintrade keramiska kernbrenslekutsar med reglerad porositet - Google Patents

Description

f-.

' H0 7512037-8 2 eller mindre lika stora halvor. Halvorna bildar därvid kärnan av två helt skilda grundämnen. En del av dessa grundämnen befinner sig i gastillståndet vid den temperatur och det tryck som råder i bränslestaven. Under dessa förhållanden av hög temperatur och bild- ning av grundämnen med olika kemiska och fysikaliska egenskaper inom kutsarna är behovet för att bibehålla bränslestavens integritet en extremt svår uppgift.

Den kanske mest betydande källan till svårigheter i detta av- 'seende förorsakas av bränslekutsarnas strukturella instabilitet.

Bränslekutsar visar exempelvis benägenhet att "svälla" eller under- gå ändring i fysikaliska dimensioner under de betingelser de ofta utsätts för i reaktorhärdar. Orsaken eller orsakerna till denna svällning har hittills inte fullt förklarats men dessa fenomen har likväl observerats många gånger. I den vanliga miljön i reaktor- härdar kan även relativt små förändringar i kutsdimensioner föror- saka att kapslingsröret av metall brister eller spricker sönder och radioaktiva klyvningsprodukter frigörs.

Man måste alltså tillåta att den radioaktiva gas som alstras inom kutsarna kan ta sin tillflykt till hålrum inom staven för att hjälpa till med att bevara den enskilda kutsens fysikaliska integri- tet. D Under årens lopp har ett antal förfaranden för framställning av kutsar utvecklats. Dessa metoder speglar olika försök att över- vinna effekterna av bränslekutsarnas svällning. Alla dessa före- slagna lösningar tycks i grund och botten ha varit'riktade mot fram- ställningen av lämpliga bränslekutsar med låg densitet, vilka bräns- lekutsar utmärks av reglerad och likformigt fördelad porositet. _ Dessa bränslekutsar med låg densitet skulle idealt ta hand om bräns- lets svällning under svåra reaktorförhållanden av tryck, temperatur och strålning. Dessa metoder för framställning av kutsar är emel- lertid inte helt tillfredsställande.

I vissa fall blandas ett flyktigt tillsatsämne med det pulve- riserade kärnbränslet. Vid upphettning, för att tillåta det pulve- riserade bränslet att sintra eller sammansmälta till en massa, skul- le det flyktiga materialet avdunsta och på detta sätt ge upphov till en stark men porös kutsstruktur. Detta sätt att förflyktiga lämnar tyvärr ofta en icke önskad rest i porerna eller ger otillfredsstäl- lande små tomrum. r Det finns andra metoder, exempelvis sådana som bygger på bränslepulvergranulering eller på användningen av pulver av blandade _.,,..__. f» ._ _ H0 3 7512037-8 bränslen, i vilka metoder var och en av pulverbeståndsdelarna i blandningen har värmebehandlats vid olika temperaturer före sam- manblandningen och sintrats. Vid granuleringsförfaranden är de er- hållna porerna inte jämnt fördelade i kutsens volym, men brukar uppträda som nâgra få oönskat stora porer. Det värmebehandlade pulvret ger dessutom upphov till stora svårigheter vid reglering av produktionen.

Dessa och andra problem, vilka finnes vid kända förfaranden, 'undanröjs i hög grad genom föreliggande förfarande, som känneteck- nas därav, att keramiskt kärnbränslepulver blandas med en i förväg bestämd mängd urandioxid -gel-sfärer, att blandningen av keramiskt kärnbränsle och gelsfärer pressas till en kuts och att den pressade kutsen sintras så, att åtminstone en del av sfärerna försvinner, varvid en restavsättning från formningen förhindras i kutsen och en selektivt reglerad porositet åstadkommes i kutsen.

Q Speciellt 1 samband med förångningsmetoder blandas sintrerbart . keramiskt pulver av urandioxid (U02) med en mängd U02, i form av "gel"-kulor. Dessa gelkulor består huvudsakligen av små U02-partik- lar, som är omgivna av vatten. En pressform för kutsar fylls med en huvudsakligen likformig blandning av detta utgångsmaterial. Ma- terialet i formen sammanpressas med ett tryck av 69-276 MPa. De förpressade eller "råa" kutsarna avlägsnas därefter från formen och sintras vid temperaturer i intervallet 1200-165000 för framställ- ning av starka kärnbränslekutsar med låg densitet. Under sintringen har man dessutom iakttagit, att vatten från gelen avdunstar och att gelkulorna därvid undergår linjär krympning med en tredjedel av radien, varigenom man erhåller en effektiv porvolym av 70 %.

I detta avseende kan flera andra fördelar erhållas. De sint- rade gelkulorna anpassar fullständigt koncentrationen av de tunga grundämnena, inga föroreningar tillförs till systemet och utmärkt reglering av partikelstorlek erhålles, vilket leder till bättre reglering av porositeten.

Små ihåliga sfärer, vilka har en densitet av ca ÄO % av sin gteoretiska, optimala densitet (benämnda "Eccospheres") uppför sig på liknande sätt med avseende på förgasning. De blandas med kärn- l bränslepulver för att ge en blandning med lämpligt förhållande mellan pulver och "Eccosphere", vilken blandning utmärkes av en huvudsakligen líkformig porositetsfördelning genom hela blandningen.

Kombinationen av pulver och "Eccospheres" sammanpressas till de vanliga kutsarna och bränns för att síntra bränslepulvret och för- 7512037-8 4 gasa “Eccispheres", varvid en ändamålsenligt stark produkt med låg densitet erhålles.

Eftersom "Eccospheres" vanligen framställs av glas, kera- miskt eller epoximaterial, finns en möjlig nackdel i att kvarva- rande föroreningar finns kvar i den brända kutsen. Följaktligen tycks "Eccospheres" av epoxidharts vara bäst lämpade för denna tillämpning, eftersom, vid dessa höga temperaturer epoxidhartset förângas till kolmonoxid (CO) och koldioxid (C02) och kvarlämnar endast kol som en möjlig förorening i bränslekutsen.

Dessutom har man funnit, att man inte endast erhåller en mera likformig porositet i bränslekutsarna, utan även att den sintrade produktens densitet kan regleras genom ett lämpligt val av sfär- storlek.

-De nya egenskaperna, som kännetecknar föreliggande uppfinning, poängteras med tydlighet i de efterföljande kraven, vilka utgör en del av föreliggande ansökning. För bättre förståelse av föreliggan- de uppfinning, dess driftfördelar och speciella fördelar vid dess tillämpning, hänvisas till den efterföljande beskrivande delen, i vilken en lämplig utföringsform av föreliggande uppfinning åskåd- gliggörs och beskrivs.

Keramiskt UO2-pulver, Grace-Davison, blandas med en i förväg bestämd mängd UO2-gelkulor. De använda gelkulorna hade vid ett grupp- försök en diameter av cirka 800 um och en diameter av cirka 30 um vid ett annat gruppförsök. Kutsarna sammanpressades vid ett tryck av 69-276 MPa före sintringen. Kutsarna sintrades därefter och, som en del av sintringsförloppet, förångas eller försvinner cirka 30 % av gelsubstansen, som omger UO2, varvid en porös struktur uppstår i de sintrade kutsarna. Försöksresultat från dessa kutsar samman- fattas i den efterföljande tabellen. 7512037-8 Tabell 1 Kutsë Vikt- Sfär- Samman- Grön Sintrad num- proc. stor- pressn.- densi- densitet mer sfärer lek tryck tet (um) MP6) 3 TD) <8 TD) 0 20 800 69 01,3 - 20 800 69 00,0 - 6 20 800 69 39,7 - 7 20 800 69 58,8 - 8 20 800 69 57,6 - 9 20 800 69 39,1 - 20 800 69 00,2 - 11 20 800 69 03,5 - 16 20 800 69 36,0 70,3 17 20 800 69 39,8 70,5 18 20 800 158 02,8 83,5 19 20 800 158 00,0 85,3 20 30 138 02,0 81,7 21 20 30 158 01,8 80,0 22 20 30 207 07,0 80,8 12 10 800 138 00,3 76,5 10 800 158 00,5 85,2 10 800 207 08,3 86,6 10 800 207 07,2 85,2 20 800 276 07,2 - 2» 0 - 158 - -' 1 0 - 158 07,0 - Där TD är teoretisk densitet.

De framställda, i det föregående beskrivna, kutsarna visade att kutsar med lång densitet kan framställas med denna metod och att mängden och storleken av-gelkulorna, liksom sammanpressningstrycket, kan användas för att variera kutsarnas densitet. De gelkulor, som är lämpliga för användning i föreliggande förfarande, beskrivs mera fullständigt i Sol-Gel Processes fm~Ceramic Nuclear Fuels, Inter- national Atomíc Energy Agency, Wien, 1968.

En slipad, men inte polerad, keramografisk provbit av kuts nr 5 visade vid lšx förstoring, att fördelningen av sfärerna inte tycks vara líkformig. Denna synbara brist på likformighet till- skrevs emellertid att man misslyckades med att likformigt fördela sfärerna i UO2-pulvret. Samma kuts, polerad, visade vid lO0x för- storing en hel del korntillväxt i en sfär med hög densitet, vilken vsnozv-s 6 sfär var inbäddad i UO2-kutsmatrisen. Denna stora kornstruktur är inte vanlig för normala sol-gel-sfärer av H02. Man antar emeller- tid, att detta förekom på grund av den höga sintringstemperaturen för kuts 5 (1650°C), vilken temperatur var mycket högre än den '5 som normalt används för sol-gel-förfaranden (^J1200°C).

" Vid användning av "Eccóspheres" i stället för gelsfärer bör man observera, att dessa ihåliga sfärer av glas, keramiskt mate- rial eller epoxidharts framställs av Emerson & Cuming, Inc., i 3 Canton, Massachusetts. Dessutom är dessa "Eccospheres" fullstän- digt ihåliga och uppvisar densiteter av cirka 40 % av den teore- tiska densiteten. - Sfärerna av epoxidharts tycks vara mest lämpliga för förelig- gande uppfinning, eftersom epoxidharts vid förhöjd temperatur bör brytas ned och ge flyktig kolmonoxid och koldioxid, och lämnar endast kol som en möjlig förorening i den porösa strukturen. Om dessutom kvävgas används och en hög kolhalt finns i kutsstrukturen, är vid sintringsprocessen även nitridbildning möjlig.

Claims (2)

751203?-e 7 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av síntrade keramiska kärn-i bränslekutsar med reglerad porositet, k ä n n e t e c k n a t därav, att keramiskt kärnbränslepulver blandas med en i förväg bestämd mängd urandioxid-gel-sfärer, att blandningen av kera- miskt kärnbränsle och gelsfärer pressas till en kuts och att den pressade kutsen sintras så, att åtminstone en del av sfärerna försvinner, varvid en restavsättning från formningen förhindras i kutsen och en selektivt reglerad porositet åstadkommas i kut- sen.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t där- av, att blandningssteget vidare innebär att keramiskt kärnbräns- lepulver av urandioxid blandas med en i förväg bestämd mängd urandíoxid-gel-sfärer. ANFÖRDA PUBLIKATIONER; us 3 114 689 (264-0.5), a 540 884 (75_211), 3 812 oso (2s2-so1.1), 3 846 520 (264-0.5)