DE1960289A1 - Verfahren zum Herstellen von sphaerischen Brennstoff- und/oder Brutelemente fuer Kernreaktoren und Brutreaktoren - Google Patents

Description

Kornforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Verfahren zum Herstellen von sphärischen Brennstoff- und/oder Brutstoffteilchen aus Urandioxid für Brenn- und/oder Brutelemente für Kernreaktoren und Brutreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herfitellen von sphärischen Brennstoff- und/oder Brutstoffteilchen aus Urandioxid mit einem Durchmesser von einigen loo ,um für Brenn- und/oder Brutelemente für Kern- und Brutreaktoren, wobei kugelförmige Tropfen einer uranhaltigen wäßrigen Lösung durch eine chemische Reaktion ausgehärtet werden.

Bai einer Reihe von Reaktortypen wird der Kernbrennstoff und/oder der Brutstoff bei den zu verwendenden Brenn- und/oder Brutelementen in Form sphärischer Teilchen mit einem Durchmesser von einigen loo,um verwendet. Dabei werden diese Teilchen entweder mit verschiedenen Werkstoffen wie beispielsweise pyrolytischem Kohlenstoff, Siliziumcarbid oder dergleichen beschichtet, um die während des Cpaltprozesses gebildeten Spaltprodukte zurückzuhalten' oder auch unbeschichtet eingesetzt. Wegen der vielfältigen Anwendungsmüglichkeiten besteht daher ein großes Interesse an der Schaffung eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Herstellung solcher sphärischer Kernbrennstoff- und /oder Brutstoffteilchen.

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Ks ist bereits bekannt, daß sphärische Brennstoff- und/oder Brutstoffteilchen, bei denen als Brennstoff , und/oder Urututoff Oxide von Uran, Thorium, Plutonium oder Mischungen dieser Elemente verwendet werden, aus wäßrigen Losungen des Brennstoffs oder Brutstoffs hergestellt werden können. Die bekannten Verfahren beruhen darauf, daß eine geeignete wäßrige Lösung des Kernbrennstoffs und/oder des Brutstoffs in eine mit Wasser nicht oder nur begrenzt mischbare organische Flüssigkeit eingetropft wird und daß im Anschluß daran die dabei entstehenden kugelförmigen Tropfen durch eine chemische Reaktion verfestigt werden. Werden diese Teilchen in einer anschließenden Verfahrensstufe getrocknet und gesintert, so erhält man sphärische Kernbrenndoff-

und/oder Brut s to ff teilchen- ^-Es—gehört—b- ■

zum Stande der Technik, UO₂-Teilchen aus kolloidalen Lösungen des 4-wertiß.en Urans durch Gelieren zu gewinnen. Durch dieses Sol-Gel-Verfahren erhält man zwar sehr dichte UCL-Teilchen, wobei bis zu 99^P& der theoretischen Dichte erreichbar sind. Nachteilig ist dabei jedoch, daß die Solherstellung sehr kompliziert ist und die VerfahrensGchritte wagen der Sauerstoffempfindlichkeit der Lösungen unter Luftausschluß durchgeführt werden müssen.

Man hat auch schon vorgeschlagen, an Luft stabile Lösungen des G-wertigen Urans direkt zu kugelförmigen Teilchen zu verarbeiten. Durch anschließendes Sintern in reduzierender Atmosphäre werden diese kugelförmigen Teilchen 4ⁿ UO₂-TeUChCn Überführt. Vorteilhaft ist bei den bekannten Verfahren zwar, daß sie an Luft durchgeführt werden können, doch besteht der Nachteil in der im Vergleich zum Sol-Gel-Verfahren geringeren Urankonzentration der eingetropften Lösung und der dadurch verursachten stärkereη

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Schrumpfung tier Tcilelien beim Trocknen. Kin weiterer Nachteil besteht darin, daß große Mengen organischer '/•inw'ltze erforderlich wind, deren Kntfernung eine komplizierte Nachbehandlung bedingen. Insbesondere führt diefj dazu, daß die nach diesen Verfahren hergestellten UO₂-Tcilc]ien porös aind. .

Aufgabe der tr find urin ist es, ein Verfahren zu schaffen, durch das auf einfache und somit wirtschaftliche Weise aus Lösungen dca 6-wcrtigcn Urans dichte und kugelförmige Urandioxid-Teilchen mit Durchmessern von einigen loo.um herstellbar sind. Zur Lösung dieser Ay f-__.__.. p.abe wird bei einem Verfahren der oben genannten Art zunüchst eine Lösunp, aus. Uranylnitrat, Harnstoff und-Wasser hergestellt. ^weckiru'lßitf entlialt die Lösung 5oo-7oo p, Uran/1. In diese Lösunp, viird eine vom Gewichtsverhültnis Harnstoff zu Uranylnitrat abhängige Menge festen Hexamethylcntetramins eingerührt. Diese Menge kann beispielsweise, wenn das Gewichtsverhältnis Harnstoff zu Uranylnitrat 1'Λ beträp,t, etwa die Hälfte des Gewichts dieser Mischung betragen. Ks hat sich als zweckmäßig ergeben, wenn das Hexamethylentetramin bei einer Temperatur zwischen 0 und lo°C zugep,eben wird. Nach vollständiger Auflösung des Hexamethylentetramins wird die Lösung aus einer gekühlten Düse in bekannter Weise in eine Wasser nicht lösende organische Flüssigkeit wie Paraffinöl von höherer, jedoch unterhalb loo°C liep.ender Temperatur eingetropft. Dabei entstehen nach kurzer Verweilzeit in dem heißen Ul kugelförmige Teil-'chen. Die Teilchen werden zunächst mit einem leicht flüchtigen Lösungsmittel wie Petroläther paraffinfrei und anschließend zur Entfernung von Harnstoff und Nitrat mit einer» Ammoniaklösung gewaschen. Darauf werden die

Teilchen an Luft soweit vorgetrocknet, bis sie frei rollen.

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Sic werden dann in einem Argon-Wasserstoff-Strom languütii aufgeheizt und einige Stunden bei einer Temperatur zwischen 12oo und l'ioo°C zu dichten UO^-Teilchen gesintert.

Au s f uhr u η g sbc is pi e 1_:

Ih einem Glasgefilß wurxlen Hoo g L^iNO, } ₂ · ^V^ ^un<^ loo ρ, (MH«)«CO (Harnstoff) in IGo ml Wasser unter Rühren

^ gelöst. Zu dieser Lösungwarde bei 5 C unter ständigem Rühren in kleinen Anteilen insgesamt 21ο β festes Hexamethylentetramin p,c flehen ,.und so lanp^ gerührt, bis alles vollstündip, gelöst war. Die so erhaltene Lösung wurde mittels einer auf 5 C gekühlten Düse tropferweise in eine 2 m lange Glacsüuicr; in der aut ab C erlutztet: Paraffinöl enthalten war, gegeben. Die dabei entstellenden orangegelben und völlig durchsichtigen Teilchen wurden am unteren Ende der Säule gesammelt und anschließend auf einer Glasfritte zunächst mit Petroläther paraffin frei p.cwtischcn. Die mehrere Stunden in Ammoniaklösung aufbewahrten Teilchen wurden dann an Luft soweit vorgetrocknet, bis sie frei rollten. Sie wurden anschließend in

* Aluminiumoxid-Schif fellen gefüllt und in einem Rohr ο fen in strömendem Argon-Wasserstoff langsam bis 5oo°C aufgeheizt und schließlich bei 13oo°C gesintert. Die gesinterten UO₂-TeUChGn hatten nahezu theoretische Dichte und Durchmesser bis 9oo/um.

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Claims (1)

1. Pa t c η t a η s pr (1 c nc

   Verfahren zum Herstellen von sphärischen Brennstoff- und/oder Brutstoffteilchen aus Urandioxid mit einem Durchmesser von einigen loo ,um für Brenn- und/oder Brutelemente für Kern- und Brutreaktoren, wobei kugelförmige Tropfen einer uranhaltigen wäßrigen Lösung durch eine chemische. Reaktion ausgehärtet werden, dadurch gekennzeichnet , daß eine wäßrige Lösung von Uranylnitrat, Harnstoff und Hexamethylentetramin durch Zugabo von festem Hexamethylentetramin zu einer wäßrigen Lösung, von Uranylnitrat und Harnstoff mit einem Urangehalt von mehr als 5oo g Uran/1 hergestellt wird und in eine Wasser nicht lösende Flüssigkeit wie Paraffinöl von höherer, jedoch unterhalb loo°C liegender Temperatur eingetropft wird, worauf nach kurzer Verwcilzeit die dadurch entstandenen sphärischen, Teilchen in an sich bekannter Weise abgezogen, zur Entfernung der Wasser nicht lösenden Flüssigkeit mit einem leicht flüchtigen Lösungsmittel wie Petroläther und zur Entfernung von Nitrat und Harnstoff mit Ammoniaklösung gewaschen, an Luft vorgetrocknet und anschließend, einige Stunden in· reduzierender.------Atmosphäre bei 12oo-l^lloo°C gesintert werden.

   ?.) Vorfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k.c n"n zeichnet ,~ daß die Herstellung der wäßrigen Lösung aus -Uranylnitrat, Harnstoff und Hexamethylentetramin bei einer Temperatur zwischen 0 und Io C vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 5⁰C erfolgt.

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