SE439854B

SE439854B - SET TO MAKE SINTRADE NUCLEAR FUEL BODIES

Info

Publication number: SE439854B
Application number: SE8307036A
Authority: SE
Inventors: H Widegren
Original assignee: Asea Atom Ab
Priority date: 1983-12-20
Filing date: 1983-12-20
Publication date: 1985-07-01
Also published as: DE3445441A1; SE8307036D0; SE8307036L

Description

3307036-v_ partikelstorlek som understiger 1,5}mL Sådant pulver har dålig flytförmåga och måste förpressas och granuleras, innan det kan pressas till grönkroppar. 3307036-v_particle size of less than 1.5} mL Such a powder has poor flowability and must be pre-compressed and granulated before it can be pressed into green bodies.

Enligt den föreliggande uppfinningen har det visat sig möjligt att åstad- komma väsentligt bättre egenskaper hos sintrade kärnbränslekroppar och _ väsentligt gynnsammare betingelser vid deras framställning genom använd- ning av ett pulver med annan partikelstorleksfördelning än den hos pulver som tidigare använts vid tillverkning av sintrade kroppar av urandioxid.According to the present invention, it has been found possible to obtain substantially better properties of sintered nuclear fuel bodies and - substantially more favorable conditions in their preparation by using a powder with a different particle size distribution than that of powders previously used in the manufacture of sintered bodies of uranium dioxide.

Sålunda uppnås en högre densitet hos de sintrade kropparna vid ett givet presstryck, vilket medför en ökad livslängd hos pressverktygen, eftersom ett lägre presstryck härigenom kan användas i normal produktion. Vidare upp- nås en utjämnande effekt i sintringsaktivitet mellan olika pulversatser, vilket medför att jämnare produktionsparametrar kan användas. Dessutom upp- visar de sintrade kropparna en avsevärt minskad fuktupptagning. Det är möj- ligt att pressa pulvret direkt till grönkroppar, dvs utan att det förpressas och granuleras.Thus, a higher density of the sintered bodies is achieved at a given press pressure, which leads to an increased service life of the press tools, since a lower press pressure can thereby be used in normal production. Furthermore, a smoothing effect is achieved in sintering activity between different powder batches, which means that more even production parameters can be used. In addition, the sintered bodies show a significantly reduced moisture uptake. It is possible to press the powder directly into green bodies, ie without it being pre-pressed and granulated.

De gynnsamma resultaten enligt den föreliggande uppfinningen uppnås genom att vid pressningen av pulvret till en presskropp, som sedan sintras, an- vändes ett pulver av vilket 10-25 viktprocent har en partikelstorlek under- stigande 1,5 Pm och 75-90 viktprocent en partikelstorlek av 1,5-100 fm och vars medelpartíkelstorlek uppgår till 6-41 fm. Detta innebär i jämförelse ' med en normal partikelstorleksfördelning hos pulvret att det innehåller en större fraktion av mycket fina partiklar, medan fraktionerna i övrigt är normala. Det är således inte frågan om en förskjutning av hela fraktions- fördelningen mot lägre partikelstorlek. Bestämningen av partikelstorlekar kan på vedertaget sätt göras genom sedimentationsanalys med sedigraph. I den föreliggande ansökningen lämnade värden på partikelstorlekar hänför sig till nämnda metod för partikelstorleksbestämning.The favorable results of the present invention are obtained by using in the pressing of a powder into a compact, which is then sintered, a powder of which 10-25% by weight has a particle size of less than 1.5 .mu.m and 75-90% by weight of a particle size. of 1.5-100 sqm and whose average particle size amounts to 6-41 sqm. This means in comparison with a normal particle size distribution of the powder that it contains a larger fraction of very fine particles, while the fractions are otherwise normal. It is thus not a question of a shift of the entire fraction distribution towards a lower particle size. The determination of particle sizes can be done in an accepted manner by sedimentation analysis with sedigraph. Particle size values provided in the present application refer to said method for particle size determination.

Era trolig förklaring till de enligt uppfinningen uppnådda gynnsamma resul- 'taten är att de som förhållandevis stor andel i pulvret ingående mycket fina partiklarna går in mellan och fyller ut mellanrum mellan de grövre partik- larna med resultat att kontaktytan mellan partiklarna i en av pulvret pressad kropp ökas starkt och att volymen öppen porositet i den sintrade kroppen .|" blir mindre. En ökad kontaktyta mellan partiklarna skulle i sin tur medföra en ökad sintringsaktivitet, vilket förklarar att erforderlig densitet hos de sintrade kropparna uppnås vid lägre presstryck än för motsvarande pulver utan nämnda andel av fina partiklar, liksom att en sintringsutjämnande effekt mel- lan olika pulver uppnås, En minskad volym öppen porositet förklarar den lägre fuktupptagningen hos sintrade kroppar. 8307036-7 Det vid pressningen enligt den föreliggande uppfinningen använda pulvret kan framställas genom att ett ursprungspulver av U02 med en partikelstorlek av 1,5-1O0}m1hos minst 9H viktprocent av pulvret och med en medelpartikel- storlek av 7-15 fm1tillföres en finfraktion av U02, så att pulvrets inne- håll av partiklar med en partikelstorlek understigande 1,5}m1blir 10-25 viktprocent och av partiklar med en partikelstorlek av 1,5-100 Pm blir 75-90 viktprocent. Pulvret kan också framställas genom att ett ursprungs- pulver av U02 med en partikelstorlek av 1,5-1O0Åpm hos minst 9% viktprocent av pulvret och med en medelpartikelstorlek av 7-15 fm underkastas en mild "malning" i cyklon eller kvarn, företrädesvis genom att ursprungspulvret med en gasström slungas mot en fast yta. Eventuella tillsatser av U3O8 och Gd2O3 eller annat neutronabsorbatormaterial kan göras före eller efter nämnda behandling. Sådana tillsatser har företrädesvis en partikelstorlek av 1,5-100}m1hos minst 9Ä viktprocent av pulvret och en medelpartikelstor- lek av 5-12 flm.Your probable explanation for the favorable results obtained according to the invention is that the very fine particles contained as a relatively large proportion in the powder go in between and fill in gaps between the coarser particles with the result that the contact surface between the particles in one of the powders is pressed. body is greatly increased and that the volume of open porosity in the sintered body. | "becomes smaller. An increased contact area between the particles would in turn lead to an increased sintering activity, which explains that the required density of the sintered bodies is achieved at lower compression pressures than for corresponding powders without a reduced volume of open porosity explains the lower moisture uptake of sintered bodies. The powder used in the pressing according to the present invention can be prepared by U02 with a particle size of 1.5-1O0} m1 at least 9H wt per cent of the powder and having an average particle size of 7-15 .mu.m, a fine fraction of UO2 is added, so that the content of the powder of particles with a particle size of less than 1.5 .mu.m becomes 10-25% by weight and of particles with a particle size of 1.5. -100 Pm becomes 75-90% by weight. The powder can also be prepared by subjecting an original UO2 powder having a particle size of 1.5-110 rpm of at least 9% by weight of the powder and having an average particle size of 7-15 μm to a mild "grinding" in a cyclone or mill, preferably by that the original powder is thrown with a gas stream against a solid surface. Any additions of U3O8 and Gd2O3 or other neutron absorber material can be made before or after said treatment. Such additives preferably have a particle size of 1.5-100 μm at least 9% by weight of the powder and an average particle size of 5-12 μm.

Pressningen och sintringen av pulvret kan utföras på konventionellt sätt.The pressing and sintering of the powder can be performed in a conventional manner.

Pressningen kan lämpligen utföras vid ett tryck av 200-450 MPa och företrä- desvis vid ett tryck av 250-35O MPa. Sintringen kan bl a utföras i en atmo- sfär bestående av fuktad vätgas, vanligen innehållande 1-2 volymprocent H20 vid en temperatur av 1600-1800 °C eller i en atmosfär bestående av en bland- ning av vätgas och koldioxid, i vilken mängden koldioxid kan utgöra upp till volymprocent av sammanlagda mängden vätgas och koldioxid, vid en tempera- tur- av 1600-1800 °c.The pressing can suitably be carried out at a pressure of 200-450 MPa and preferably at a pressure of 250-35O MPa. The sintering can be carried out, inter alia, in an atmosphere consisting of humidified hydrogen gas, usually containing 1-2% by volume of H2 O at a temperature of 1600-1800 ° C or in an atmosphere consisting of a mixture of hydrogen gas and carbon dioxide, in which the amount of carbon dioxide can constitute up to volume percent of the total amount of hydrogen and carbon dioxide, at a temperature of 1600-1800 ° c.

Urandioxiden i det pulver som skall sintras kan ha en sammansättning av från U021° till U02,25. mansättning av från U2 Det färdiga sintrade materialet har företrädesvis en sam- till U02,01.The uranium dioxide in the powder to be sintered may have a composition of from U021 ° to U02,25. assembly of from U2 The finished sintered material preferably has a co- to U02.01.

Urandioxiden kan på konventionellt sätt vid pressningen innehålla upp till viktprocent tillförd U308 för att åstadkomma en eftersträvad densitet hos den sintrade produkten och en eftersträvad stabilitet hos denna då den utsättes för påkänningar under drift i en reaktor. Urandioxiden kan vidare innehålla upp till 10 viktprocent Gd203 eller annat brännbart neutronabsor- batormaterial, såsom BZO3 eller Sm2O3.The uranium dioxide may, in a conventional manner, contain up to a percentage by weight of U308 fed to the compression in order to achieve a desired density of the sintered product and a desired stability thereof when it is subjected to stresses during operation in a reactor. The uranium dioxide may further contain up to 10% by weight of Gd 2 O 3 or other combustible neutron absorber material, such as B 2 O 3 or Sm 2 O 3.

Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritning, i vilken fig 1 schematiskt visar en anordning i vilken ett vid pressningen använt pulver kan framställan för användning vid tillverkning av sintrade kärnhränslekroppar enligt den föreliggande uppfi nningen . i 300m QUALITY" 83107036 - '7 Ett ursprungspulver i form av U02, som framställts med den inledningsvis be- skrivna AUC-processen och som på känt sätt stabiliserats med avseende på O-innehåll genom växelvis behandling i kvävgas och syrgas till en samman- behandlas i den i fig 1 visade anordningen för att 2,10-2,15 förändra partikelstorleksfördelningen i ursprungspulvret. Denna anordning sättning av UO består av en behållare 10 i vilken en platta 11 av keramiskt material, t ex ALZO3, är anordnad. Plattan är vridbar kring en icke visad horisontell axel och tillsammans med axeln förskjutbar i horisontell riktning. Behållaren är upptill försedd med ett utlopp 12 för gas med cyklonavskiljare 13 och nedtill med ett utlopp 14 för pulver. Till behållaren är vidare ansluten en ejektor bestående av en dysa 15 och ett gasrör 16. Vid gasrörets mynning intill dysan är en tillförselanordning 17 för ursprungspulver 18 ansluten till ett rör 19 som omger gasröret och dysan.The invention will be further elucidated by describing exemplary embodiments with reference to the accompanying drawing, in which Fig. 1 schematically shows an apparatus in which a powder used in the pressing can produce for use in the manufacture of sintered nuclear fuel bodies according to the present invention. in 300m QUALITY "83107036 - '7 An original powder in the form of U02, prepared by the AUC process initially described and stabilized in a known manner with respect to O content by alternating treatment in nitrogen and oxygen to a co-treated in the device shown in Fig. 1 for changing the particle size distribution of the original powder by 2.10-2.15 This device setting of UO consists of a container 10 in which a plate 11 of ceramic material, eg ALZO3, is arranged. The container is provided at the top with a outlet 12 for gas with cyclone separator 13 and at the bottom with an outlet 14 for powder. To the container is further connected an ejector consisting of a nozzle 15 and a gas pipe 16. At the mouth of the gas pipe next to the nozzle, a supply device 17 for original powder 18 is connected to a pipe 19 which surrounds the gas pipe and the nozzle.

Det nämnda ursprungspulvret 18 kan bestå av U02, av vilket 96 viktprocent har en partikelstorlek av 1,5-100)pm och H viktprocent en partikelstorlek under- stigande 1,5)m1och vars medelpartikelstorlek är 13}mL Pulvret tillföras ejektorn mellan mynningen på gasröret 16 och dysan 15 från anordningen 17.The said original powder 18 may consist of UO 2, of which 96% by weight has a particle size of 1.5-100 .mu.m and H% by weight a particle size of less than 1.5 .mu.m and whose average particle size is 13 .mu.m. The powder is fed to the ejector between the mouth of the gas pipe 16 and the nozzle 15 from the device 17.

Pulvret transporteras genom dysan genom att luft med ett tryck av 0,05-0,2 MPa tillföres gasröret samt slungas mot plattan 11. Vid denna behandling ändras partikelstórleksfördelningen i pulvret så att det behandlade pulvret innehåller 80 viktprocent partiklar med en partikelstorlek av 1,5-100/pm 'och 20 viktprocent partiklar med en partikelstorlek understigande 1,5lpm och så att det behandlade pulvret har en medelpartikelstorlek av 7'Pm. Detta pulver tillvaratages vid behållarens utlopp 14. Efter siktning av pulvret för att avlägsna eventuella klumpar pressas pulvret till grönkroppar med ett tryck av 250 MPa. Grönkropparna som har en densitet av 5,R 3/cmß sintras 'därefter i en ugn med en atmosfär av fuktad vätgas vid 1760 OC. Efter sint- ringen har kropparna en densitet av 10,52 g/cmß och en sammansättning av UO2,0. För att åstadkomma samma densitet hos kroppar som framställts av samma ursprungspulver, men som inte behandlats i anordningen enligt fig 1 för att ändra partikelstorleksfördelningen måste ett presstryck av mer än H00 MPa användas. Fuktupptagningen hos de sintrade kropparna framställda av enligt uppfinningen behandlat pulver är mindre än hälften av den hos sintrade krop- par framställda av obehandlat ursprungspulver.The powder is transported through the nozzle by supplying air with a pressure of 0.05-0.2 MPa to the gas pipe and throwing it towards the plate 11. In this treatment the particle size distribution in the powder is changed so that the treated powder contains 80% by weight of particles with a particle size of 1.5 -100 / pm 'and 20% by weight of particles with a particle size of less than 1.5lpm and so that the treated powder has an average particle size of 7'Pm. This powder is collected at the outlet 14 of the container. After sieving the powder to remove any lumps, the powder is pressed into green bodies with a pressure of 250 MPa. The green bodies having a density of 5, R 3 / cm 2 are then sintered in an oven with an atmosphere of humidified hydrogen gas at 1760 ° C. After sintering, the bodies have a density of 10.52 g / cm 3 and a composition of UO2.0. In order to achieve the same density of bodies produced from the same source powder, but not treated in the device according to Fig. 1 to change the particle size distribution, a compression pressure of more than H00 MPa must be used. The moisture uptake of the sintered bodies made from powder treated according to the invention is less than half that of sintered bodies made of untreated original powder.

Analoga resultat erhålles vid tillsats av U308 till det ovan beskrivna ejek- torbehandlade UO?~pulvret, t ex så att pulvret innehåller 6 viktprneent U308.Analogous results are obtained by adding U308 to the above-described ejector-treated UO? Powder, for example so that the powder contains 6% by weight of U308.

U3O8-pulvret består av partiklar med en partikelstorlek av 1,8-100 Pm och hur n vThe U3O8 powder consists of particles with a particle size of 1.8-100 Pm and how n v

Claims

Sintering of the pressed body, average particle size of 9 microns. The addition of U308 can advantageously be done after the previously mentioned screening. Even in this case, a press iron more than 100 MPa lower can be used than when pressing the corresponding original powder added to the same amount of U308 to reach the desired density. An equally large reduction in moisture uptake is also obtained as in the case of UO2 without U308 addition is pressed and sintered. The invention has been exemplified in detail for powders consisting of UO2 with or without U3O8 additive. It is also applicable to powders which in addition to UO2 and possibly U308 also contain Gd2O3 or other neutron absorber material. PATENT REQUIREMENTS

A method of preparing sintered nuclear fuel bodies by pressing a powder of UO2, optionally containing up to 10% by weight of added U308 and optionally containing up to 10% by weight of added Gd2O3 or other combustible neutron absorber material, into a pressed body and known nuclear core therefor of a powder, of which 10-25% by weight has a particle size of less than 1.5 .mu.m and 75-90% by weight, a particle size of 1.5-100 .mu.m and whose average particle size is 6-11 .mu.m.

2. A method according to claim 1, characterized in that the powder from which the nuclear fuel bodies are produced is made from an original powder (18) in which at least 94% by weight has a particle size of 1.5-100 .mu.m and whose average particle size is 9-. 16 .mu.m by throwing the powder with a gas stream against a solid surface (11).