DE2459445B2

DE2459445B2 - Verfahren zur herstellung von kugelfoermigen brenn- und brutstoffpartikeln

Info

Publication number: DE2459445B2
Application number: DE19742459445
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Chem. Dr. 6450 Hanau; Kadner Martin Dipl.-Chem. 6457 Maintal Huschka
Original assignee: Hobeg Hochtemperaturreaktor Brennelement GmbH
Current assignee: Hobeg Hochtemperaturreaktor Brennelement GmbH
Priority date: 1974-12-16
Filing date: 1974-12-16
Publication date: 1976-10-14
Also published as: JPS6124675B2; GB1525950A; IT1051330B; FR2295534B1; FR2295534A1; US4060497A; JPS5185097A; DE2459445A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von untereinander gleichen, kugelförmigen Brenn- und/oder Brutstoffpartikeln durch Umwandlung eines aus einer oder mehreren Düsen fließenden, in Oszillation versetzten Flüssigkeitsstrahls aus Uran- und/oder Thorium enthaltenden Lösungen, in einer Menge von mehr als 3000 Tropfen pro Minute, wobei diese Tropfen zur Ausfällung von Uran- und/oder Thoriumoxyd in eine Ammoniaklösung fallen und anschließend getrocknet und gesintert werden.

Alle Brennelemente für Hochtemperaturreaktoren enthalten den Brenn- und Brutstoff in Form von beschichteten Partikeln. Diese beschichteten Partikeln bestehen aus uniformen, kugelförmigen Teilchen der Oxide oder Karbide von Uran und/oder Thorium, die zur Zurückhaltung der Spaltprodukte mit Schichten aus pyrolytischem Kohlenstoff und Siliziumkarbid umhüllt sind. Zur Zeit sind im wesentlichen folgende Teilchen- (>o sorlen von Bedeutung: Uranoxid (UO2), Urancarbid (UC2). Thoriumoxid (ThO?) und Uran-Thoriumoxid-Mischkristall (U, Th)Oi. Die Durchmesser der Teilchen liegen je nach Anforderung etwa zwischen 200 und μίτι, die Dichte soll so hoch wie möglich sein. '\s

Im weiteren Verlauf der Brennelementherstellung werden diese Brenn- und Brutstoffkerne mit Schichten aus pyrolytischem Kohlenstoff und Siliziumkarbid versehen, die der Rückhaltung von Spaltprodukten beim Reaktorbetrieb dienen. Dabei müssen von diesen Schichten die im Teilcheninneren auftretenden Spaltgasdrücke, die durch Neutronenstrahlung gebildeten Spannungen und die Temperaturwechselspannungen aufgefangen werden. Das ist am besten möglich, wenn diese Schichten exakte Kugelschalen sind. Aus diesem Grunde werden an die Kugelform der Teilchen extreme Anforderungen gestellt; vor allem dürfen keine Spitzen, wie bei einem Tropfen, keine Einziehungen oder Abflachungen auftreten.

Zur Herstellung solcher Teilchen wurden sowohl Granulationsverfahren eingesetzt als auch sogenannte nasse Verfahren entwickelt. Den letzteren wird aus verschiedenen Gründen der Vorzug gegeben. Diesen nassen Verfahren zur Herstellung von Brenn- und Brutstoffpartikeln aus Uran- und Thoriumoxid ist ein Grundgedanke gemeinsam. Es wird eine Lösung oder ein Sol hergestellt, die Uran und/oder Thorium enthalten. Aus diesen Lösungen werden kugelförmige Tropfen gebildet, die unter Beibehaltung der Kugelform verfestigt werden müssen. Die Verfestigung erfolgt entweder durch Wasserentzug aus den Tropfen, wie beim Sol-Gel-Verfahren (US-PS 32 90 122), durch Reaktion von polymeren Lösungszusätzen mit einem alkalischen Medium (DT-PS 12 12 841) oder durch ammoniakalische Fällung im Tropfen (DT-AS 15 42 346). Zur Tropfenbildung wurden bisher im wesentlichen zwei Wege eingeschlagen. Die einfachste Methode ist es, die Lösung aus einer Kapillare austreten und den Tropfen an der Spitze der Kapillare abreißen zu lassen. Der Tropfen fällt in eine alkalische Lösung, in der die Verfestigung erfolgt (DT-AS 16 71051). Die Ausströmgeschwindigkeit der Lösung aus der Kapillaren und die Geschwindigkeit der Tropfenbildung ist bei dieser Methode allerdings sehr klein. Nach einei anderen Methode läßt man den Lösungsstrahl aus einer Düse direkt in eine flüssige Phase eintreten, mit dei keine Mischbarkeit der Lösung besteht und in der der Lösungsstrahl aufgrund der Oberflächenspannung in einzelne Tropfen aufreißt. So tritt z. B. bei einem Sol-Gel-Verfahren die wäßrige Lösung in Äthylhexanol (US-PS 32 90 122), bei einem anderen Verfahren in Paraffinöi ein (DT-AS 19 60 289). Doch auch bei dieser Methode kommt man aufgrund der schwer zu beherrschenden Strömungsverhältnisse von Flüssigkeit in Flüssigkeit nur zu einer kleinen Zahl von Tropfen bzw. Teilchen pro Zeiteinheit.

Durch die Zahl der Tropfen pro Zeiteinheit ist der Durchsatz für ein bestimmtes Verfahren gegeben, der für eine technische Produktion aus Wirtschaftlichkeitsgründen möglichst groß sein muß. Nimmt man für die genannten Gießmethoden die Zahl der Tropfen pro Sekunde etwa in der Größenordnung von 10 an. dann kann man von (U, Ί h)O₂-Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von etwa 400 μΐη und einem mittleren Teilchengewicht von etwa 0,3 mg pro Stunde und Düse etwa 11 g Partikeln herstellen. Bei Teilchen mit einem Durchmesser von ca. 200 μπι kommt man nur zu einem Durchsatz von etwa 1,5 g Partikeln pro Stunde und Düse. Ein Verfahren mit solch geringen Durchsätzen ist für eine Produktion nicht geeignet. Man hat daher versucht, durch Einsatz einer großen Zahl von Düsen und durch verschiedene Düsenkonstruktionen den Durchsatz zu vergrößern, konnte aber durch Erhöhung der Störanfälligkeit und Verringerung der Ausbeute wegen Verbreiterung des Partikelspektrums die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens kaum verbessern.

Der nach einem Gießverfahren mögliche Durchsatz wird durch folgende Gleichung beschrieben:

in der Q die Durchflußmenge, γ die Zahl der pro Sekunde gebildeten Teilchen^,, und d_p deren Dichte und Durchmesser und Cu_g die Konzentration der Gießlösung an Uran und Thorium bedeutet K ist eine Konsvmte.

Geht man von einer vorgegebenen Gießlösung und einem vorgegebenen Endprodukt aus, dann wird Cug, dpQp ebenfalls konstant, und man sieht, daß bei einer Erhöhung des Durchsatzes mit steigendem Q auch γ ,₅ größer werden muß. Diese Überlegung konnte bisher eicht realisiert werden, weil der aus einer Düse unter Druck austretende Strahl in der Gasphase (Luft oder Inertgas) teils zersprühte, teils sich in ungleich große Tropfen aufteilte, die sich an der Oberfläche der zur Verfestigung vorgelegten alkalischen Lösung deformierten oder in Flocken umwandelten. Durch eine Verbesserung der Düsenformen und Schwingsysteme konnte das Zersprühen des Strahles in der Gasphase verhindert und die Bildung einer großen Zahl gleich großer Tropfen pro Sekunde erreicht werden. Die Stabilisierung der exakten Kugelform war jedoch bisher eine Schwierigkeit, die den Einsatz der nassen Verfahren zur Herstellung von Brenn- und Brutstoffen für eine Produktion praktisch unmöglich irr chte; denn _ϊ0 die zunächst gebildeten Kugeln werden entweder beim weiteren freien Fall in der Gasatmosphäre oder beim Auftreffen auf die Oberfläche der alkalischen Lösung wieder deformiert. Versucht man, die Tropfen in einer Aminoniakgasstrecke zu bilden und fallen zu lassen, so ^ erhält man Schwierigkeiten durch Verstopfen der Düse, oder man erhält durch zu frühe Verfestigung keine exakten Kugelformen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu finden, bei dem die Deformierung der zunächst gebildeten exakt kugelförmigen Tropfen aus Uran und/oder Thorium enthaltenden Lösungen sowohl beim Fall durch die Gasphase als auch beim Aufschlagen auf die Oberfläche der alkalischen Ammoniaklösung ausgeschlossen wird.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Tropfen vor dem Eintauchen in die Ammoniaklösung luerst eine ammoniakgasfreie Fallstrecke durchlaufen, die so bemessen ist. daß die Tropfen in ihr gerade ihre kugelförmige Gestalt angenommen haben, und sofort anschließend zur Stabilisierung dieser kugelförmigen Gestalt eine von Ammoniakgas durchströmte Fallstrekke durchlaufen, wobei das Ammoniakgas mittels eines oder mehrerer Einleitungsrohre so in diese Fallstrecke eingeleitet wird, daß neben einer der Tropfenfallrichtung entgegengesetzten Ammoniakgasströmung aus eine horizontale Querströmkomponente des Ammoniakgases durch die Tropfenzwischenräume gewährleistet ist, und diese Fallstrecke so bemessen ist, daß die kugelförmigen Tropfen vor dem Eintauchen in die Ammoniaklösung ausreichend aushärten.

Entgegen der aligemeinen Erwartungen, daß bei den kurzen Verweilzeiten der Tropfen von weniger als 0,5 Sekunden, in der Ammoniakgasstrecke kein Einfluß auf (15 die Tropfenform zu erwarten sei, wurde gemäß der Erfindung gefunden, daß diese kurze Zeit in konzentriertem, gasförmigem Ammoniak genügt, um die Kugelform durch chemische Reaktion zu stabilisieren und eine Verformung der sphärischen Teilchen beim Auftreffen auf die Lösungsoberfläche vollständig auszuschließen. Dadurch können die nassen Verfahren zur Herstellung von Brenn- und BrutstoffDartikeln in Verbindung mit Düsen und Schwingsystemen, die geeignet sind, große Tropfenzahlen pro Sekunde zu erzeugen, für die Produktion dieser kugeiförmigen Teilchen eingesetzt werden. Der Durchsatz pro Stunde und Düse kann von 1,5 g bei 200^m-Partikeln bzw. 11 g bei 400^m-Partikeln bei hohen Frequenzen von 1200 bzw. 200 Hertz beispielsweise auf 180 g bzw. 220 g gesteigert werden. Bei 500^m-ThO2-Partikeln ist es sogar möglich, einen Durchsatz von 1 kg pro Stunde und Düse zu erreichen.

Um solche große Durchsätze zu erzielen, muß ein in Oszillation versetzter Flüssigkeitsstrahl erzeugt werden, der aufgrund seiner harmonischen Schwingung in eine sehr große Zahl uniformer Tropfen pro Sekunde zerfälit. Diese diskreicn Tropfer, oszillieren beim Durchfallen der ammoniakgasfreien Fallstrecke (Luft oder Inertgas) noch Bruchteile von Sekunden, wie mittels Stroboskoplampe nachgewiesen werden kann, bis sie Kugelform annehmen. Wenn man diese Fallstrecke über diesen Punkt hinaus verlängert, wird de- sphärische Tropfen durch die Einwirkung von Reibungswiderständen zum stromlinienförmigen Tropfen deformiert. Ein wesentlicher Bestandteil des Verfahrens gemäß der Erfindung liegt daher darin, daß die fallenden Tropfen gerade in dem Zeitpunkt, in dem sie ihre Kugelgestalt erreicht haben, durch Berührung mit Ammoniakgas fixiert werden, so daß eine Verformung nicht mehr möglich ist, und daß die weitere Fallstrecke im Ammoniakgas so gewählt wird, daß eine ausreichende Verfestigung erzielt wird, die eine Deformation der sphärischen Teilchen beim Aultreffen auf die Oberfläche der Ammoniaklösung verhindert. Dieser kritische Punkt zwischen ammoniakgasfreier und ammoniakgashaltiger Fallstrecke kann strobosko pisch bestimmt und eingeregelt werden.

Das bloße Einleiten von gasförmigem Ammoniak in eine NH4OH-Lösung zur Aufrechterhaltung der NHj-Konzentration in der Lösung (DT-AS 12 35 279) ist nicht geeignet, die Kugelform von fallenden Tropfen mn einem Durchmesser von 0,5 bis 2,5 mm zu stabilisieren, weil auf diese Weise nicht genügend Ammoniakgas ziir Verfugung stehe. Es wurde vielmehr gemäß der Erfindung gefunden, daß der Ammoniakgas-Gegenstrom so stark sein und so geführt werden muß, daß alle fallenden Teilchen ständig mit Ammoniakgas umspült werden. Da der Teilchenstrcm Luft oder Inertgas mitreißt, muß durch geeignete Strömungsbedingungen ständig frisches Ammoniakgas vorzugsweise zwischen die einzelnen Tropfen geführt werden, deren Abstand je nach Teilchenfolge höchstens wenige Millimeter beträgt. Da bei Erhöhung des Durchsatzes die Tropfenzahl pro Minute größe, und der Abstand zwischen den Tropfen dadurch kleiner wird, muß das Ammoniakgas so geführt werden, daß es in ausreichender Menge zwischen den einzelnen Tropfen zugegen ist.

Dazu ist es erforderlich, daß neben der aufsteigenden Ammoniakgasströmung entgegen der Tropfenfallrichtung vor allem auch eine horizontale Querströmung durch die Tropfenzwischenräume gewährleistet wird. Diese Strömungen werden insbesondere durch Einblasen von Ammoniakgas in das Fallrohr mittels Düsen oder dünnen Einleitungsrohren erzeugt, die mit feinen Bohrungen von wenigen Millimetern Durchmesser

versehen sind. Wichtig ist dabei, daß auch eine Radialströmung über die gesamte ammoniakgashaltige Fallrohrlänge wirksam ist. Geeignete Ammoniakgasströmungen können auch mit Hilfe von Düsenkränzen oder ringförmig angeordneten, mit feinen Bohrungen versehenen Rohren erzeugt werden.

Als vorteilhaft hat sich eine einfache Vorrichtung erwiesen, wie sie in der Abbildung schematisch dargestellt ist. Sie besteht aus einem Fallrohr (4), in dem eine Ammoniaklösung auf konstantem Niveau (5) gehalten wird, einem Ammoniakgaseinleitungsrohr (6), dessen Querschnitt gegenüber dem Fallrohr (4) sehr klein ist und einer Absaugvorrichtung (7) am Kopf des Fallrohres (4). Der Ammoniakgasabsaugstutzen (7) liegt dem Ammoniakgaseinleitungsrohr (6) diametral gegenüber. Über dem Fallrohr (4) ist die Düse (8) angeordnet, aus der die in Tropfen umzuwandelnde Flüssigkeit ausfließt. Der oszillierende Flüssigkeitsstrahl zerfällt in der Luftfallstrecke (1) in Tropfen (9), welche in der Ammoniakgas-Fallstrecke (2) verfestigt und in der Ammoniaklösung (10) gesammelt werden. Das Ammoniakgas wird durch das Einleitungsrohr (6), das im Abstand (3) von der Oberfläche der Ammoniaklösung endet, eingeleitet und am Kopf des Fallrohres (4) über einen Stutzen (7) abgesaugt. Der Abstand (3) wird vorzugsweise so kurz gehalten (etwa 50 bis 150 mm), daß das Ammoniakgas auf die Oberfläche der Ammoniaklösung bläst und eine leichte, kaum wahrnehmbare Wellenbewegung erzeugt, die das Ammoniakgas diffus reflektiert. Es umströmt so die fallenden jo Tropfen allseitig sowohl von unten nach oben als auch quer zur Fallrichtung und härtet sie aus.

Die erforderliche Turbulenz der Querströmung wird weiterhin verbessert, daß das Gaseinleitungsrohr (6) einen erheblich kleineren Durchmesser hat als das Fallrohr (4), in dem das Ammoniakgas aufwärts strömt. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Gasströmungsgeschwindigkeiten im Einleitungsrohr (6) und Fallrohr(4) 100: Ibis200:1.

Durch entsprechende Wahl des Abstandes (1) werden die fallenden Tropfen zu dem Zeitpunkt in dem sie die genaue Kugelgestalt angenommen haben, im Ammoniakgas abgefangen. Dieser Abstand kann stroboskopisch bestimmt und entsprechend eingestellt werden.

Der Abstand (2) im Fallrohr wird so gewählt, daß die kugelförmigen Teilchen ausreichend aushärten können und ihre Kugelgestalt beim Auftreffen auf die Oberfläche der Ammoniaklösung beibehalten.

Die dem Teilchenstrom entgegengerichtete Ammoniakgasströmung im Fallrohr kann in weiten Grenzen variiert werden, jedoch muß sichergestellt sein, daß die Ammoniakgaskonzentration in der Umgebung der Tropfen zur Verfestigung ausreicht Es wurde gefunden, daß dafür je cm² neu gebildeter Tropfenoberfläche pro Minute eine Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeit im Fallrohr zwischen 0,05 und 2 cm/min erforderlich ist Die besten Resultate wurden bei 0,1 bis 1 cm/min erzielt. Der Abstand (1) beträgt je nach Tropfengröße und -zahl 50 bis 150 mm. Der Abstand (2) hängt ebenfalls von der Tropfengröße und -zahl, aber auch von der chemischen Zusammensetzung der Gießlösung ab. Bei Verwendung von Lösungen, die mit Ammoniak sehr schnell reagieren (z. B. über Ionenreaktionen), genügt ein Fallweg von etwa 150 bis 300 mm, bei Solen, Emulsionen oder Suspensionen kann der Fallweg wegen der verringerten Reaktionsgeschwindigkeit, z. B. über elektrische Umladung oder Diffusion, auch einen bis mehrere Meter betragen.

Im Fallrohr (4) können auch mehrere Düsen (8) parallel nebeneinander angeordnet werden. Solange diese Düsen genügend weit voneinander angeordnet sind (5 bis 10 mm), daß sich ihre Teilchenströme nicht gegenseitig beeinflussen, ist der angegebene Wert der Ammoniakgasgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der gebildeten Tropfenoberfläche pro Minute unabhängig von der Anzahl der eingesetzten Düsen.

Als Gießlösungen können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Partikelherstellung in bekannter Weise echte Lösungen, Emulsionen oder Sole verwendet werden. Falls karbidische Partikeln erzeugt werden sollen, müssen Ruß oder andere feindisperse Kohlenstoffpulver in Suspension in der Gießlö>ung enthalten sein. Auch können der Gießlösung eine oder mehrere organische Substanzen zugemischt werden, die als Füller, Binder und Tropfen-Stabilisator dienen.

In den folgenden vier Beispiel ist die Herstellung von drei Teilchensorten gtmäß der Erfindung näher beschrieben:

Beispiel 1

1 1 einer wäßrigen Lösung, die 120 g Thorium als Thoriumnitrat und 40 g Polyvinylalkohol (PVA) enthielt. wurde durch eine Düse vom Durchmesser 1,2 mm gedrückt. Durch Einwirkung eines Oszillators auf die Flüssigkeit quer zur Strömungsrichtung wandelte sich der auslaufende Strahl infolge erzwungener harmonischer Schwingungen in der Luftfallstrecke (1) in diskrete, uniforme Tropfen um. Die Tropfen wurden, nachdem sie nach 120 mm Fallwcg genaue Kugclform angenommen hatten, in der Fallstrecke (2) mit Ammoniakgas abgefangen und nach weiteren 220 mm Fallweg in Ammoniaklösung als sphärische Teilchen gesammelt. Der Abstand (3) des Ammoniakgaseinleitungsrohres zur Ammoniakoberfläche betrug 100 mm und das Verhältnis der Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeiten im Einleitungsrohr (6) und Fallrohr (4) 100 :1.

Der Durchfluß betrug 53,8 cm³ Gieiilösung pro Minute, dabei wurden pro Minute 59J6 uniforme Tropfen mit einer Gesamtoberfläche von 1255cm^: erzeugt. Die Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeii im Fallrohr (4) betrug 318 cm/min, entsprechenc 0,25 cm/min pro 1 cm²/min neu gebildeter Tropfenober fläche.

Die sphärischen Teilchen wurden gewaschen, ge trocknet und durch thermische Behandlung zu ThO₂ Kügelchen gesintert. Aus der Thorium-Konzentratior der Gießlösung, dem Durchfluß und der Teilchenzah pro Minute berechnet sich der zu erwartend« ThOi-Kerndurchmesser bei 100% theoretischer Dicht« zu 616 μου und das Gewicht pro Teilchen zu 1,223 mg Die entsprechenden Meßwerte stimmten mit der berechneten Werten gut überein:

	Gemessen	Berechne
Eingestellte Durchfluß
menge (cmVmin)	53,8	—
Th -Gehalt der
Flüssigkeit (g/l)	120	—
Tropfenzahl/min	593t>	6000
ThOr Kerndichte
(% th. Dichte)	99	100
Mittlerer ThOj-Kern-
durchmesser^m)	617	616
Mittleres ThOrKern-
gewicht (mg)	1.215	1.223

In Übereinstimmung mit diesen Meßwerten ergab die Siebanalyse eine Ausbeute von 97,2% im Bereich 595—630 μΐη bzw. von 99,1% im Bereich 580—630 μπι; der Rest bestand aus Über- und Unterkorn.

Es wurde die Kugelform der Teilchen mikroskopisch untersucht und ermittelt, daß das Verhältnis von größtem zu kleinstem Durchmesser bei 80% aller Teilchen kleiner als 1,05, bei den restlichen 20% kleiner als 1,10 war,

Beispiel 2 "°

Eine Lösung mit einem Gehalt von 100 g/l Thorium als Thoriumnitrat. 20 g/l Uran als Uranylnitrat und 40 g/l PVA wurde über 6 Strömungsmesser 6 Düsen vom Durchmesser 0,8 mm zudosiert. Die ausfließenden 6 Flüssigkeitsstrahlen zerfielen in je 12 000 Tropfen pro Minute, die wie in Beispiel 1 in Ammoniakgas verfestigt, in Ammoniaklösung aufgefangen und dann in ThO₂ ■ UOj-Mischoxid-Kügelchen umgewandelt wurden. Die Luftfallstrecke (t) betrug 130 mm, die Ammoniakgasfallstrecke (2) 160 mm und der Abstand (3) des Ammoniakgaseinleitungsrohres zur Ammoniaklösungs-Oberfläche 50 mm.

Die Durchflußmenge je Düse wurde auf 32,0±0,8 cmVmin eingeregelt, dies entspricht bei 12 000 Tropfen einer Oberfläche von 1115 cm² pro Minute und Düse an neu gebildeten Tropfen, welche durch den eingestellten Ammoniakgasstrom von 318 cm/min im Fallrohr verfestigt wurden. Die Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeit je 1 cmVmin neu gebildeter Tropfenoberfläche pro Düse lag somit bei 0,29 cm/min, wobei allerdings sichergestellt sein muß, daß sich die Düsen bzw. Teilchenströme in der Fallstrecke nicht gegenseitig beeinflussen.

Nach vorstehender Gleichung berechnet sich der zu erwartende ThO₂ · UO2-Kerndurchmesser aus den genannten Werten zu 411±3μΐτι bei 100% der theoretischen Dichte und das Kerngewjcht zu 0,363 ± 0,008 mg. Die statistische Auswertung anhand von 300 gesinterten Kernen ergab einen mittleren Durchmesser von 410 μΐη und eine Standardabweichung von 7,5 μιτι. Das (Th. U)O2-Kerngewicht wurde zu 0,3594 mg und die Dichte zu 9,96 g/cm³ bestimmt, das sind 98% der theoretischen Dichte. Die Ausbeute der Siebfraktion 354 — 425 μηι lag bei 98,9%, der Rest von 1,1 % war Über- und Unterkorn.

Die Teilchen wurden mit Pyrokohlenstoff beschichtet und als Kernbrennstoff eingesetzt.

B e i s ρ i e I 3 _so

Eine wäßrige Lösung, die 180 g/l Thorium als Thoriumnitrat und 25 g/l PVA enthielt, wurde über 5 Strömungsmesser 5 Düsen vom Durchmesser 1,0 mm iudosiert Die 5 ausfließenden, gleichmäßig oszillierenden Flüssigkeitsstrahlen bildeten in Luft je 24 000 ss Tropfen pro Minute, die wie in Beispiel 1 in Ammoniakgas abgefangen und in Ammoniaklösung als sphärische Teilchen gesammelt wurden. Die Luftfallstrecke (1) betrug 80 mm, die Ammoniakgasfallstrecke (2) 150 mm, der Abstand des Anmoniakgaseinleitungsrohres zur Ammoniakoberfläche (3) 30 mm und das Ammoniakgasströmungsverhältnis von Einleitungs- zu Fallrohr 120:1. Der Durchfluß je Düse betrug 76,8 cmVmin, entsprechend einer Tropfenoberfläche von 2525 cm²/min. Die Ammoniakgasgegenströmung wurde auf 255 cm/min eingestellt, daraus resultierte eine Ammoniakgasströmungsgeschwindigkeit von

0,1 cm/min je cm²/min neu gebildeter Tropfenoberfläche pro Düse.

Die Teilchen wurden gewaschen, getrocknet und zu ThOj-Kügelchen gesintert. Der Durchsatz betrug 943 g ThO₂ pro Stunde und Düse. Nach vorstehender Gleichung wurde der Durchmesser der Sinterkerne zu 500 μηι bei 100% theoretischer Dichte berechnet. Anhand der statistischen Auswertung von 1507 Teilchen wurde der mittlere Durchmesser zu 503 μηι bei 14 μιη Siandardabweichung bestimmt, die gemessene Dichte lag bei 99,5% der theoretisch möglichen. Bei mehr als 98% der Teilchen war das Verhältnis von größtem /u kleinstem Durchmesser kleiner als 1,1.

e 1 s ρ 1 e I

Line wäßrige Suspension, die 120gl I'ran als Uranylnitrat. 20 g/l I¹VA. 180 g/l Harnstoff und 24g'l Ruß enthielt, wurde über 2 Strömungsmesser μ.· einer Düse vom Durchmesser 0.25 mm zudosiert. Ähnlich wie in Beispiel 1 wandelten sieh die beiden oszillierenden Hüssigkcitsstrahlen in Luft in uniforme Tropfen mn. die in Ammoniakgas abgefangen wurden und sich soweit verfestigten, daß sie in Ammoniaklösung gesammelt werden konnten. Die l.uftfallsirecke (1) betrug 80 mm. Die Ammoniakgasfallsirecke (2) 280 mm. der Abstand des Ammoniakgascinleiumgsrohres zur Ammoniakobcrflächc (3) 150 mm und das Ammoniakgasströmungsverhältnis von 1 inleitungs /u l'allrohr 120 : 1.

Aus jeder Düse flössen pro Minute Γ3.0 cm' Gießsuspension, die sich in 72 000 1 ropieivmin umwandelten und eine Tropfenoherflaehe \on Ib35cm^:/'min bildeten, für die eine Ammoniakgasgegenströmung von 255 cm/min eingestellt wurde. I inccrcchnei ergibt dies eine Aminoniakgassirömungsgeschwindigkeit von 0.1b cm min für jeden cm·' nei gebildeter Tropfenoberl'lache pro Minute und Düse. Die sphärischen Teilchen wurden gewaschen, getrocknci und durch thermische Behandlung in lK.YK.erm umgewandelt. Bei der zu erwartenden Dichte vor 10.2 g/cm' (WVii der theoretischen Dichte) sollte dci Durchmesser bei 200 um liegen. In Übereinstimmunj damit wurde die Kerndichte von 10.4 g/cm' gemesset und der mittlere Kerndurchmesser anhand eine repräsentativen Probe von 100 Teilchen statistisch zi 198 μηι nut der Standardabweichung 7 um bestimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von untereinander gleichen, kugelförmigen Brenn- und/oder Brutstoff- s partikeln durch Umwandlung eines aus einer oder mehreren Düsen fließenden, in Oszillation versetzten Flüssigkeitsstrahls aus Uran- und/oder Thorium enthaltenden Lösungen, in einer Menge von mehr als 3000 Tropfen pro Minute, wobei diese Tropfen zur Ausfällung von Uran- und/oder Thoriumoxyd in eine Ammoniaklösung fallen und anschließend getrocknet und gesintert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Tropfen vor dem Eintauchen in die Ammoniaklösung zuerst eine ainmoniakgasfreie Fallstrecke durchlaufen, die so bemessen ist, daß die Tropfen in ihr gerade ihre kugelförmige Gestalt angenommen haben, und sofort anschließend zur Stabilisierung dieser kugelförmigen Gestalt eine von Ammoniakgas durchströmte Fallstrecke durchlaufen, wobei das Ammoniakgas mittels eines oder mehrerer Einleitungsrohe so in diese Fallstrecke eingeleitet wird, daß neben einv.· der Tropfenfallrichtung entgegengesetzten Ammoniakgasströmung auch eine horizontale Quer-Strömungskomponente des Ammoniakgases durch die Tropfenzwischenräume gewährleistet ist, und diese Fallstrecke so bemessen ist, daß die kugelförmigen Tropfen vor demEintauchen in die Ammoniaklösung ausreichend aushärten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ammoniakgasstrom entgegen der Tropfenfallrichtung bei Tropfendurchmesser zwischen 0,5 und 2,5 mm eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,05 bis 2 cm/min je cm²/min neu gebildeter Tropfenoberfläche und Düse aufweist.