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DE1208743B - Process for the production of a sinterable uranium dioxide - Google Patents

Process for the production of a sinterable uranium dioxide

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Publication number
DE1208743B
DE1208743B DEN18537A DEN0018537A DE1208743B DE 1208743 B DE1208743 B DE 1208743B DE N18537 A DEN18537 A DE N18537A DE N0018537 A DEN0018537 A DE N0018537A DE 1208743 B DE1208743 B DE 1208743B
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
uranium dioxide
uranium
production
temperature
reduction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DEN18537A
Other languages
German (de)
Inventor
Barend Verkerk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philips Gloeilampenfabrieken NV filed Critical Philips Gloeilampenfabrieken NV
Publication of DE1208743B publication Critical patent/DE1208743B/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
    • G21C3/62Ceramic fuel
    • G21C3/623Oxide fuels
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G43/00Compounds of uranium
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
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    • C01P2006/10Solid density
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  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. α.:Int. α .:

COIgCOIg

Deutsche Kl.: 12 η-43/02 German class: 12 η -43/02

Nummer; 1 208 743Number; 1 208 743

Aktenzeichen: N18537IV a/12 ηFile number: N18537IV a / 12 η

Anmeldetag: 27. Juni 1960Filing date: June 27, 1960

Auslegetag: 13. Januar 1966Opened on: January 13, 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines sinterbaren Urandioxyds aus durch Reduktion von Uranverbindungen bei etwa 700 bis 10000C hergestelltem Urandioxyd.The invention relates to a process for preparing a sinterable Urandioxyds from prepared by reduction of uranium compounds at about 700 to 1000 0 C uranium dioxide.

Urandioxyd wird als Rohstoff für Spaltstoffelemente in Kernreaktoren verwendet. Diese Spaltstoffelemente, welche im Zusammenhang mit dem Vorgang im Kernreaktor vorzugsweise aus stöchiometrischem Urandioxyd bestehen, werden durch Sintern von Urandioxydpulver hergestellt. Es ist bereits bekannt, daß zur Erleichterung des Sintervorgangs eine kleine Abweichung von der Stöchiometrie, wobei ein Überschuß von Sauerstoff im Urandioxydgitter vorhanden ist, vorteilhaft ist. Dieser Überschuß an Sauerstoff muß naturgemäß nachher wieder entfernt werden. Der Sintervorgang wird weiterhin dadurch gefördert, daß von einem feinen Pulver ausgegangen wird. Eine dabei auftretende Schwierigkeit besteht darin, daß das Urandioxyd in Form eines fein verteilten Pulvers pyrophor ist, so daß es an der Luft leicht zu einer Verbindung mit einem höheren Sauerstoffgehalt oxydiert. Der dabei auftretende Sauerstoff Überschuß ist größer, als er im Hinblick auf eine gute Sinterbarkeit erwünscht ist, da bei einem solchen Produkt beim Sintern Risse auftreten. Es ist weiterhin bereits bekannt, die Sinterung von stöchiometrischem Urandioxyd in einer Wasserdampfatmosphäre bei 1400 bis 1500cC durchzuführen, wobei überschüssige Sauerstoffatome entstehen. Dabei ist es jedoch erforderlich, das Produkt sowohl beim Aufheizen auf die Behandlungstemperatur als auch beim Abkühlen in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre zu belassen, um dadurch die Bildung höherer Oxyde bei niederen Temperaturen zu vermeiden. Die Empfindlichkeit von Urandioxyd für Sauerstoff kann weiterhin durch Reduktion bei einer Temperatur über lOOOC herabgesetzt werden, wodurch aber die Sinterbarkeit geringer wird. Auch ist es möglich, das Urandioxyd zeitweise in einer Kohlensäureatmosphäre aufzubewahren. Nach dieser Behandlung oxydiert das Urandioxyd, wenn es der Luft ausgesetzt wird, doch langsam weiter, bis die Zusammensetzung UO2j25 erreicht ist.Uranium dioxide is used as a raw material for fissile elements in nuclear reactors. These fissile material elements, which in connection with the process in the nuclear reactor preferably consist of stoichiometric uranium dioxide, are produced by sintering uranium dioxide powder. It is already known that a small deviation from the stoichiometry, with an excess of oxygen in the uranium dioxide lattice, is advantageous in order to facilitate the sintering process. This excess of oxygen naturally has to be removed again afterwards. The sintering process is further promoted by starting from a fine powder. A problem that arises is that the uranium dioxide, in the form of a finely divided powder, is pyrophoric, so that it is easily oxidized in air to a compound with a higher oxygen content. The excess oxygen that occurs is greater than is desirable with regard to good sinterability, since cracks occur in such a product during sintering. It is also already known to carry out the sintering of stoichiometric uranium dioxide in a steam atmosphere at 1400 to 1500 ° C., with excess oxygen atoms being formed. However, it is necessary to leave the product in an inert or reducing atmosphere both during heating to the treatment temperature and during cooling in order to avoid the formation of higher oxides at low temperatures. The sensitivity of uranium dioxide to oxygen can furthermore be reduced by reduction at a temperature above 100 ° C., which, however, reduces the sinterability. It is also possible to temporarily store the uranium dioxide in a carbonic acid atmosphere. After this treatment, when exposed to air, the uranium dioxide continues to oxidize slowly until the composition UO 2j25 is reached.

Nach der Erfindung wird nun zur Herstellung eines sinterbaren Urandioxyds aus durch Reduktion von Uranverbindungen bei etwa 700 bis 1000c C hergestellten! Urandioxyd letzteres unmittelbar nach seiner Herstellung einer Oxidationsbehandlung bei etwa 700 bis 1000 C in einer wasserdampfhaltigen sauerstofffreien Atmosphäre unterzogen, bis ein Produkt der Zusammensetzung zwischen UO2>02 und UO2j0S erhalten wird.According to the invention, a sinterable uranium dioxide is now produced from by reducing uranium compounds at about 700 to 1000 c C! Immediately after its production, uranium dioxide is subjected to an oxidation treatment at about 700 to 1000 C in an oxygen-free atmosphere containing water vapor until a product with a composition between UO 2> 02 and UO 2j0S is obtained.

Dieses Erzeugnis ist nicht pyrophor und gut sinter-Verfahren zur Herstellung eines sinterbaren
Urandioxyds
This product is not pyrophoric and is a good sintering process for making a sinterable one
Uranium dioxide

Anmelder:Applicant:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, EindhovenN.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven

(Niederlande)(Netherlands)

Vertreter:Representative:

Dr. rer. nat. H. Schüler, Patentanwalt,Dr. rer. nat. H. Schüler, patent attorney,

München 12, Ridlerstr. 37Munich 12, Ridlerstr. 37

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Barend Verkerk, Eindhoven (Niederlande)Barend Verkerk, Eindhoven (Netherlands)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Niederlande vom 30. Juni 1959 (240 719)Netherlands of June 30, 1959 (240 719)

bar, und es behält auch bei der Aufbewahrung an der Luft seine Zusammensetzung bei.bar, and it retains its composition even when stored in air.

Außerdem hat sich ergeben, daß beim Trockenpressen zu Pastillen mit dem nach der Erfindung hergestellten Urandioxyd eine höhere Dichte erreicht wird als mit dem in bekannter Weise aus gleichem Rohstoff erzielten Urandioxyd. Weiterhin sei noch bemerkt, daß die Sinterbarkeit des Pulvers durch Änderung der Temperatur beeinflußt werden kann, in dem Sinne, daß bei Anwendung einer niedrigeren Temperatur die Sinterbarkeit des Erzeugnisses größer wird, während bei Anwendung einer höheren Temperatur die Sinterbarkeit des Erzeugnisses infolge einer gewissen Vorsinterung abnimmt.In addition, it has been found that when dry pressing to form lozenges with that produced according to the invention Uranium dioxide has a higher density than with the known way from the same raw material achieved uranium dioxide. It should also be noted that the sinterability of the powder by changing the Temperature can be influenced, in the sense that when a lower temperature is used, the The sinterability of the product becomes greater, while when a higher temperature is used, the sinterability of the product decreases as a result of a certain pre-sintering.

Das als Ausgangsmaterial verwendete Urandioxyd kann in bekannter Weise durch Reduktion bei etwa 700 bis 1000 C hergestellt werden, indem z.B. von Urantrioxydhydrat, Urantrioxyd (UO3), Uranoxyd (U3O8), Uranperoxyd (UO4) und nichtstöchiometrischem Urandioxyd ausgegangen wird. Vorzugsweise wird das Urandioxyd durch Zersetzung und Reduktion von Ammoniumdiuranat bei etwa 700 bis 1000c C hergestellt, da hierbei ein feines Pulver erzielt wird. Die Reduktion kann in Wasserstoff, in einem wasserstoffhaltigen, im übrigen neutralen Gas oder in Kohlenmonoxyd erfolgen.The uranium dioxide used as the starting material can be produced in a known manner by reduction at about 700 to 1000 C, for example starting from uranium trioxide hydrate, uranium trioxide (UO 3 ), uranium oxide (U 3 O 8 ), uranium peroxide (UO 4 ) and non-stoichiometric uranium dioxide. The uranium dioxide is preferably produced by the decomposition and reduction of ammonium diuranate at about 700 to 1000 ° C., since this results in a fine powder. The reduction can take place in hydrogen, in a hydrogen-containing, otherwise neutral gas or in carbon monoxide.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Oxydationstemperatur gleich der Reduktionstemperatur gewählt, da dies technologisch leicht verwirklichbar ist.According to a further preferred embodiment, the oxidation temperature is equal to the reduction temperature chosen because this is technologically easy to achieve.

509 778/239509 778/239

Die Oxydation wird insbesondere in einer wasserdampfhaltigen, im übrigen sauerstofffreien Argonatmosphäre oder in einer wasserdampfhaltigen, im übrigen sauerstofffreien Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Dazu wird das Argon oder der Stickstoff zunächst von Sauerstoff befreit, indem das Gas durch einen Kupferofen geleitet wird.The oxidation is particularly in a water vapor containing, otherwise oxygen-free argon atmosphere or in a water vapor-containing, im remaining oxygen-free nitrogen atmosphere carried out. For this purpose the argon or the nitrogen is used first deoxygenated by passing the gas through a copper furnace.

Beispiel IExample I.

35 g Ammoniumdiuranat, welches aus einer Lösung von Uranylnitrat durch Niederschlag mit 25%igem NH4OH bei 58 bis 62° C erzielt wurde, wurden in einen Ofen gesetzt und unter Überleiten eines sauerstofffrei gemachten Gemisches von 76 Volumprozent N2 und 24 Volumprozent H2 auf 8000C erhitzt. Nachdem diese Temperatur 1 Stunde lang aufrechterhalten war, wurde die Gasströmung durch eine Strömung von reinem Argon ersetzt, die vor dem Eintreten in den Ofen durch Wasser von etwa 8O0C geleitet wurde und folglich Wasserdampf enthielt. Dieses Gasgemisch wurde 1 Stunde lang über das Pulver geleitet, wobei die Temperatur auf 8000C gehalten wurde. Das erzielte Erzeugnis wurde dann abgekühlt und zeigte sich bei Zimmertemperatur als nicht pyrophor. Die Zusammensetzung des Erzeugnisses war sofort nach der Herstellung UO2>04· Das Erzeugnis wurde 26 Tage an der Luft aufbewahrt und hatte dann gleichfalls die Zusammensetzung UO2(04.35 g of ammonium diuranate, which was obtained from a solution of uranyl nitrate by precipitation with 25% strength e m NH 4 OH at 58 to 62 ° C., were placed in an oven and passed over an oxygen-free mixture of 76 volume percent N 2 and 24 volume percent H 2 heated to 800 0 C. After this temperature was maintained for 1 hour, the gas flow was replaced by a flow of pure argon that has been passed through water of about 8O 0 C prior to entering into the oven and thus containing water vapor. This gas mixture was passed for 1 hour through the powder, while the temperature was maintained at 800 0 C. The resulting product was then cooled and was found to be non-pyrophoric at room temperature. The composition of the product was UO 2> 0 4 immediately after manufacture.The product was stored in the air for 26 days and then also had the composition UO 2 (04 .

B e i s ρ i e 1 IIB e i s ρ i e 1 II

25 g Ammoniumdiuranat wurden auf die im Beispiel I beschriebene Weise behandelt, mit dem Unterschied, daß die Temperatur, bei der die Reduktion und anschließend die Oxydation erfolgte, 9000C betrug. Das Erzeugnis war nicht pyrophor, und die Zusammen-Setzung kurz nach der Herstellung war UO2j05. Es wurde 25 Tage an der Luft aufbewahrt und hatte dann gleichfalls die Zusammensetzung UO2,05.25 g ammonium diuranate were treated in the manner described in Example I, with the difference that the temperature at which the reduction and followed by the oxidation was 900 0 C. The product was not pyrophoric and the composition shortly after manufacture was UO 2j05 . It was kept 25 days in the air and then also had the composition UO 2, 05th

Beispiel IIIExample III

24 g Uranoxyd U3O8 wurden bei einer Temperatur von 8000C auf die im Beispiel I beschriebene Weise behandelt. Das Erzeugnis war nicht pyrophor und hatte die Zusammensetzung UO2,04.24 g of uranium oxide U 3 O 8 were treated at a temperature of 800 0 C in the manner described in Example I. The product was not pyrophoric and had the composition UO 2, 04th

Beispiel IVExample IV

Urandioxyd wurde durch Reduktion in Wasserstoff bei 9000C hergestellt und anschließend 2 Tage der Luft ausgesetzt. Die Zusammensetzung war dann UO2#12. Von diesem mit einem organischen Bindemittel gemischten Pulver wurden in einer Matrize mit einem Durchmesser von 12 mm unter einem Druck vonUranium dioxide was produced by reduction in hydrogen at 900 ° C. and then exposed to air for 2 days. The composition was then UO 2 # 12 . This powder mixed with an organic binder was placed in a die with a diameter of 12 mm under a pressure of

S 2 t/cm2 Pastillen gepreßt. Die Dichte der gepreßten Erzeugnisse, gemessen nach Entfernung des Bindemittels, betrug im Durchschnitt 4,57 g/cm3. Auf gleiche Weise wurden Pastillen von Urandioxyd gepreßt, welches aus dem gleichen Rohstoff wie das obenerwähnte Oxyd hergestellt worden war, wobei aber gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren das Urandioxyd durch Reduktion bei 800° C in Wasserstoff gebildet und anschließend bei 800° C in einer Atmosphäre von gereinigtem Argon und Wasserdampf oxydiert worden war. Die Zusammensetzung dieses Oxyds war UO2j04. Die Dichten der gepreßten Körper nach der Entfernung des Bindemittels betrugen 5,22 bis 5,33 g/cm3.S 2 t / cm 2 pressed pastilles. The density of the pressed products, measured after removal of the binder, averaged 4.57 g / cm 3 . In the same way pastilles of uranium dioxide were pressed, which had been made from the same raw material as the above-mentioned oxide, but according to the method according to the invention, the uranium dioxide is formed by reduction at 800 ° C in hydrogen and then at 800 ° C in an atmosphere of purified Argon and water vapor had been oxidized. The composition of this oxide was UO 2j04 . The densities of the pressed bodies after removal of the binder were 5.22 to 5.33 g / cm 3 .

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung eines sinterbaren Urandioxyds aus durch Reduktion von Uranverbindungen bei etwa 700 bis 1000°C hergestelltem Urandioxyd, dadurch gekennzeichnet, daß das Urandioxyd unmittelbar nach der Herstellung einer Oxydationsbehandlung bei etwa 700 bis 10000C in einer wasserdampfhaltigen sauerstofffreien Atmosphäre unterzogen wird, bis ein Produkt der Zusammensetzung zwischen UO2,02 und UO2i08 erhalten wird.1. A process for the production of a sinterable uranium dioxide from uranium dioxide produced by reducing uranium compounds at about 700 to 1000 ° C, characterized in that the uranium dioxide is subjected to an oxidation treatment at about 700 to 1000 0 C in an oxygen-free atmosphere containing water vapor immediately after production, until a product of the composition between UO 2, UO 2, and 0 is obtained 2i08. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxydationsbehandlung ein durch Zersetzung und Reduktion von Ammoniumdiuranat bei etwa 700 bis 1000° C erhaltenes Urandioxyd unterzogen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the oxidation treatment by a Decomposition and reduction of ammonium diuranate at about 700 to 1000 ° C obtained uranium dioxide is subjected. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Oxydationstemperatur gleich der Reduktionstemperatur gearbeitet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at an oxidation temperature is worked equal to the reduction temperature. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydation in einer wasserdampfhaltigen Argon- oder Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.4. Process according to claims 1 to 3, characterized in that the oxidation in one steam containing argon or nitrogen atmosphere is carried out. In Betracht gezogene Druckschriften:
Nuclear Engineering, August 1958, S. 327, 328.
Considered publications:
Nuclear Engineering, August 1958, pp. 327, 328.
DEN18537A 1959-06-30 1960-06-27 Process for the production of a sinterable uranium dioxide Pending DE1208743B (en)

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Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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