DE1771874A1 - Verfahren zur Herstellung von metallkeramischem Kernbrennstoff - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von metallkeramischem KernbrennstoffInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung von metallkeramischem kernbrennstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer als
kernbrennstoff geeigneten metallkeramik aus Urandioxyd und
Coiumbium besonders großer Dichte.
Bei der Planung schneller kernreaktoren hat sich ein Bedürfnis
nach einem kernbrennstoff hoher Urandichte in Form einer Metallkeramik (Cermet) herausgestellt. Wach bisherigen Vorschlägen
sollen dichte, kugelförmige, mit dlumbium überzogene ÜÖp Teilchen isostatisch heiß gepreßt werden. Das Verfahren ist
jedoch umständlich, teuer und nicht durchweg erfolgreich. Es ist auch bereits versucht worden, nach eimacheren und
wirtschaftlicheren pulvermetallurgischen Verfahren vorzugehen
uiia bei hoher Temperatur, etwa 1700 zu sintexm. Die gewünschte
Verdichtung blieb jedoch aus. i^s ist somit bisher nicht möglifli
gewesen, Metallkeramik aus UOp und Coiumbium mit einem 60 oder 6ar 70 io übersteigenden Anteil der UOo Phase herzustellen.
Die jjösung dieses Problems hat sich die vorliegende Erfindung
zur Aufgabe gestellt.
Sie eriolgt auf dex* Grundlage des Veriahrens, nach dem kugelförmige
UOp Teilchen mit wachs und anschließend mit Columbiumpulver überzogen, unter isostatischem Druck von mindestens
2ö00 kg/cm^ verdichtet, durch Erhitzen auf 9üO° in träger Atmosphäre
entwachst und schließlich bei einer Temperatur von 21üO - 23OO gesintert werden. Erfindungsgemäß wird nun überraschenderweise
eine Metallkeramik mit einem 70 Vol.%>
über-
209809/1324
steigenden-Anteil der UOp Phase dadurch erzielt, daß als
Ausgangsiuaterial kugelförmige UO^ Teilchen mit einer theoretischen
Dicht e von 55 - 74 % und einem Durchmesser von
80 - 250 /U, sowie Columbiumteilchen im Anteil von 19»5 33,5
Gew.70, bezogen aui den UOo Anteil und mit einer unter
10 /U liegenden Teilchengröße verwendet werden. Zum Vergleich zeigt die Figur 1 eine ulikrophotographie einer
nach dem gleichen Verfahren hergestellten UOp - Columbium Metall-
^ keramik, bei dem Jedoch im Gegensatz zum erfindungsfeemäßen
Vorschlag IKu Teilchen mit einer theoretiscnen Dichte von V3 β
als Ausgangsmaterial verwendet wurden. Die dunklen Stellen beweisen die zanlreichen Hohlräume, die bei Verwendung von zu
dichten UOp Teilchen entstehen, während diese in der Figur 2,
die ein Beispiel der Erfindung darstellt, fehlen. Es ist überraschend, daß bei Verwendung besonders dichter UO^
Teilchen, d.h. mit einer etwa 74 70 der theoretischen übersteigenden
Dichte das gewünschte Ergebnis einer besonders dichten Metallkeramik
gerade ausbleibt, zumal da andererseits UOp Teilchen
mit einer Dichte unter 55 # zu brüchig zur Verarbeitung sind.
Nach bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden UOp Teilchen
mit einer Dichte von 60 - 70 % der theoretischen verwendet.
Diese UOp Teilchen können in an sich bekannter und daher nicht
näher beschriebener Weise hergestellt werden. Bevorzugt wird ein Größenbereich von 100 - 150 /U.
Das Wachs dient als Haftmittel für die aufzubringenden Oolumbiumteilchen.
Die verwendete Wachsmenge ist nicht kritisch, da das Wachs alsbaia wieder entfernt wird. I.d.H. genügen
0,15 - 3 70 der UOp Menge, je nach der lorösitat der ÜO? Teilchen.
Die Aufbringung enolgt z.B. durch Lösen in Benzol u. dergl.
und Mischen der UOp Teilchen mit der Lösung, sowie nachfolgende Verdampfung des Benzol oder anderen Lösungsmittels.
Die wachsüberzogenen kugeliörmigen Teilhhen werden z.B. im
Taumelmischer mit Columbium in an sich bekannter, als "sticky ball method of coating" bekannter Weise überzogen.
209809/13 2 Λ
BAD ORIGINAL
Die Menge des Goluiobiumüberzugs liegt zwischen 19»5 - 3315 Gew.$>
bezogen auf das Gesamtgewicht des UOo» entsprechend einem
Blasenanteil des UO2 von 80 bzw. 70 v/o.
Die mit Columbium überzogenen Teilchen können nunmehr zu einem
metallkeraischen Brennelement geformt werden, z.B. vermittels
2 eines isostati eschen Drucks von über 2800 kg/cm . Dadurch
werden unter Ausschaltung von Hohlräumen feste, grüne Iresslinge
erhalten, die zur ibrzielung aes -lundprodukts großer Dichte
beitragen.
Die Verwendung von Wachs als Bindemittel erfotgt eine l/värmebehandlung
vor dem Sintern zwecks Austreibung des wachsüberzugs.
Die Erhitzung erfolgt zweckmäßig in träger Atmosphäre, z.B.
Ar^on oder im Vakuum bei einer unter 900° liegenden Temperatur,
bis der gesamte Wachsgehalt entfernt ist.
Die entwachsten tresilinge werden nunmehr bei einer Temperatur
von etwa 2100 - 2500 in träger Atmosphäre, z.B. Helium, gesintert. Bevorzugt wird eine Sinterungstemperatur von
An Hand des folgenden Beispiels, das nicht beschränken soll,
sei die .crxindung weiter erläutert.
BMSirIaL
3b,4-1 g poröse, kugeliormige UOo Teilchen mit einer Größe
von 1u5 - 147 /U und einer theoretischen Dichte von 67 %
/ 4t
wurden mit einer Lösung von 1,03 g Ijrai'fin in 7 *&1 Benzol gemischt
Das Benzol wurde verdampft und die„Wachs überzogenen U0?
Teilchen vermittels eines Siebes mit einer Maschenweite von ϋ,ίίί? mm (bO mesh) von ülumpen befreit.
Die wachsüberzogenen, kugelförmigen Teilchen wurden dann
mit 706 g (7»0fc>
g) Columbiumteilchen mit einem Durchmesser von weniger als 10 /U im Taumelmischer durchmischt, bis
praktisch das geeamte Golumbiumpulver einen bleic.hmässigen
Überzug auf den ÜO2 Teilchen bildete.
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Die mit Columbium überzogenen Teilchen wurden sodann zu
zylindrischen Presslingen mit einem Durchmesser von 12,55 mm
unter einem Druck von etwa 280 kg/cm vorgeformt und anschließend
in einer Gummiform unter einem isostatischen
ρ
Druck von 4200 kg/cm zu zylindrischen Blöcken mit einem Durchmesser von 11,28 mm, einer Länge von 6,35 cm und einem Gewicht von 44,2 g isostatisch gepreßt.
Druck von 4200 kg/cm zu zylindrischen Blöcken mit einem Durchmesser von 11,28 mm, einer Länge von 6,35 cm und einem Gewicht von 44,2 g isostatisch gepreßt.
Die verdichteten, grünen Formstücke wurden anschließend durch Erhitzen aul 500 im Vakuum entwachst, und nach
Entfernen des gesamten Wachses bei 2200° in einer Helium- ψ atmosphäre 6 Stunden lang gesintert.
Die gesinterten, hochverdichteten, zylindrischen Stücke
besaßen einen Durchmesser von 9»98 mm, eine Länge von
5,b9 cm, ein Gewicht von 43,3 g und eine theoretische Dichte
von 91,3 °/o.
Die Figur 2 zeigt eine Mikrophotographie der nach diesem
Beispiel hergestellten Metallkeramik.
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Claims (1)
- Patentanspruch.Verfahren zur Herstellung dichter Urandioxyd - Columbium Metallkeramik zur Verwendung als Kernbrennstoff, in dem kugelförmige UOp Teilchen mit Wachs und anschließend mit Columbiumpulver überzogen, unter isostatischem Druck von mindestens 2800 kg/cm verdichtet, durch Erhitzen auf 900° in träger Atmosphäre entwachst und schließlich bei einer Temperatur von 2100 - 2300° gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial kugelförmige UOp Teilchen mit einer theoretischen Dichte von 55 - 7$ % und einem Durchmesser von 80 - 250 /U, sowie Columbiumteilchen im Anteil von 19 j 5 - 33 ? 5 Gew.^, bezogen auf den UOp Anteil, und mit einer unter 10 /U liegenden Teilchengröße verwendet werden.209809/1324Leerseite
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