DE2501869A1

DE2501869A1 - Kernbrennstoffteilchen zur verwendung bei der herstellung von kernbrennstoff- koerpern

Info

Publication number: DE2501869A1
Application number: DE19752501869
Authority: DE
Inventors: Samuel B Hosegood
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1974-01-25
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1975-07-31
Also published as: NL7500854A; BE824380A; DK6175A; GB1468261A; LU71685A1; FR2259418B1; FR2259418A1; IT1026366B

Description

1 BERUIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68 β MÜNCHEN 22 . WIDENMAYERSTRASSE 49

Europäische Atomgemeinschaft berlin: dipl.-i.ng. r. müller-börner (EURATOM)

MÜNCHEN : DIPL.-ING. HANS-H. WEY

25 733 Berlin, den 15. Januar 1975

Kernbrennstoffteilchen zur Verwendung bei der Herstellung von Kernbrennstoff-Körpern

Die vorliegende Erfindung betrifft Kernbrennstoffteilchen zur Verwendung bei der Herstellung von Kernbrennstoff-Körpern und ihre nachfolgende Behandlung in einer Kernbrennstoff-Aufarbeitungsanlage.

In einem Hochtemperaturreaktor vom Thorium-Zyklus, d,h. in einem Hochtemperaturreaktor (H.T.R.), der sowohl spaltbare (z.B. U₃₃₅) als auch brütbare (z.B. ^T^232^ Materialien verwendet, wird etwas von dem brütbaren Material in gebrütetes spaltbares Material durch Neutronen-absorption umgewandelt, und danach werden die beiden Materialien während der Brennstoffaufarbeitung getrennt. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, das verbrauchte spaltbare Material (U₃₃₅ und U₃₃₆) von dem brütbaren Material . und dem gebrüteten U₃₃₃ am Beginn der Aufarbeitungsphase zu trennen. Dadurch soll eine Entstehung von U₃₃₆ in dem aus dem ■ Aufarbeiten gewonnenen Uran vermieden werden.

Ein bekanntes Verfahren zur Durchführung dieser Trennung besteht darin, Kernbrennstoff-Körper zu bilden, die getrennte Teilchen ' aus "spaltbarem" und "brütbarera" Material enthalten, wobei jedes

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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, einen Kernbrennstoff-Körper zu bilden, der ein Erfordernis für Schwermetalldichte erfüllt, ohne daß eine hohe Packungsdichte erforderlich ist.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Kernbrennstoff teilchen vorgeschlagen, bei dem innerhalb des Teilchens sowohl spaltbaren als auch brütbares Material enthalten ist und die beiden Materialien physikalisch derart angeordnet und um eine innere Schranke angebracht sind, daß sie anschließend an eine Bestrahlung voneinander getrennt werden können.

Ein Kernbrennstoffteilchen zur Verwendung bei der Herstellung von Kernbrennstoff-Körpern kann vorteilhaft einen Kern aus spaltbarem Material enthalten, der mit einer inneren relativ dünnen Beschichtung aus Schrankenmaterial, das eine innere Schranke bildet, mit einer relativ dicken Zwischenschicht aus brütbarem Material und mit einer äußeren relativ dünnen Beschichtung aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material überzogen ist.

Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffteilchens, das die Einverleibung sowohl von spaltbarem als auch von brütbarem Material in das Teilchen umfaßt, indem der Kern aus einem der Materialien gebildet wird und auf diesen Kern eine Beschichtung aus Schrankenmaterial aufgebracht wird, um eine innere Schranke zu bilden und indem nachfolgend der beschichtete Kern mit dem anderen der Materialien beschichtet wird und auf das andere Material eine Beschichtung aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material aufgebracht wird.

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Teilchen seine eigene Beschichtung aus geschichtetem, Spaltprodukt zurückhaltendem Material hat, die z.B. Pyrocarbon oder Pyrocarbon und Siliziumkarbid enthält*

Eine Weiterentwicklung dieses bekannten Verfahrens besteht darin, eine oder mehrere Schichten aus Siliziumkarbid in die Beschichtungen von "spaltbaren" Teilchen aufzunehmen, aber dies im Fall von "brütbaren" Teilchen nicht zu tun. Hierdurch soll eine Trennung durch Verwendung von Chemikalien ermöglicht werden, die die Pyrocarbon-BeSchichtungen der "brütbaren" Teilchen auflösen, während die "spaltbaren" Teilchen durch ihre unlöslichen Siliziumkarbid-Schichten geschützt werden.

Das Fehlen von Siliziumkarbid-Schichten in den Beschichtungen der "brütbaren" Teilchen hat jedoch einen zerstörerischen Einfluß auf ihre Fähigkeit, Spaltprodukte zurückzuhalten, da bestimmte wichtige Spaltprodukte (vornehmlich Caesium) unter Betriebsbedingungen der H.T.R. ^n denen sie verwendet werden, sehr schnell ebene Pyrocarbon-Beschichtungen durchwandern können.

Außerdem verlangt die entsprechend dem eben beschriebenen bekannten Verfahren verwendete Einverleibung zweier verschiedener Teilchenformen in den Brennstoff-Körper eine sehr sorgfältige Kontrolle während der Herstellung um Homogenität zu erreichen, und erfordert in einigen Typen von H-T.R. eine außerordentliche dichte Teilchenpackung. Dieses Erfordernis der außerordentlich dichten Packung macht es schwierig, die Brennstoff-Körper so zu verdichten, daß sie sich auf der einen Seite unter Strahlung und wenn hohen Abbrennbedingungen und schneller Neutronen-Dosierung unterworfen zufriedenstellend verhalten, und daß auf der anderen Seite ihre Beschichtungen nicht brechen, wenn die Teilchen verdichtet werden.

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Weiterhin umfaßt die Erfindung auch noch ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffteilchens, das zur Bildung einer inneren Schranke in der Aufbringung einer relativ dünnen Beschichtung von Schrankenmaterial auf einen Kern aus spaltbarem Material besteht, wobei auf die Schranke eine relativ dicke Zwischenbeschichtung aus brütbarem Material und dann eine äußere relativ dünne Beschichtung aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material aufgebracht wird.

In der hier verwendeten Weise soll die Bezeichnung "Beschichtung" zum Ausdruck bringen, daß mehr als eine Schicht aus einem Material oder mehreren Materialien vorhanden sein können, und "innere Schranke" bedeutet eine feuerfeste Beschichtung, die zu einem wesentlichen Grad in der Lage ist, mechanischen Belastungen und chemischen Bedingungen in einer Kernbrennstoff aufarbeitenden Anlage zu widerstehen, ohne ihre Wirksamkeit als eine innere Schranke zu verlieren. Selbstverständlich müssen Schrankenmaterialien, die zur Bildung einer inneren Schranke verwendet werden, auch geeignet sein für die Verwendung in einem Kernreaktor, und in dieser Hinsicht werden als Schrankenmaterialien Pyrocarbon und Silizium-Karbid, die zur Bildung von Spaltprodukte zurückhaltenden Beschichtungen auf Kernbrennstoffteilchen verwendet werden, zur Bildung innerer Schranken bevorzugt, obwohl auch andere Schrankenmaterialien verwendet werden können, die geeignete Eigenschaften haben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihre Einbeziehung in einen Kernbrennstoff-Körper werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Diese Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch ein Kernbrennstoffteilchen.

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Ein Kernbrennstoffteilchen 1 von kugeliger Gestalt zur Verwendung bei der Herstellung eines Kernbrennstoff-Körpers hat einen Kern 4 aus spaltbarem Material (U₃₃₅), der mit einer inneren, relativ dünnen Beschichtung 3 aus Schrankenmaterial (Pyrocarbon und Siliziumkarbid), einer relativ dicken Zwischenbeschichtung 5 aus brütbarem Material (Th_ ) und einer äußeren, relativ dünnen Beschichtung 6 aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material beschichtet ist. Es ist klar, daß die Beschichtung 3 aus Schrankenmaterial die innere Schranke bildet, um die herum das spaltbare Material und das brütbare Material angeordnet und angebracht sind.

Im einzelnen besteht die innere Beschichtung 3 aus einer Beschichtung 3b aus Siliziumkarbid, das zwischen Beschichtungen 3a und 3c liegt. In ähnlicher Weise besteht " die äußere Beschichtung 6 aus einer Beschichtung 6b aus Siliziumkarbid, die zwischen Beschichtungen 6a und 6c liegt.

In einer bestimmten Verwendungsform kann der Kern 4 aus spaltbarem Material einen Durchmesser von 250 ,um haben, die Beschichtungen 3a und 3c aus Pyrocarbon können jeweils 30 ,um dick sein und um eine 40 ,um dicke Schicht 3b aus Siliziumkarbid herum liegen; die dicke Beschichtung 5 aus brütbarem Material kann 150 ,um dick sein und die äußere Beschichtung 6 kann aus einer Beschichtung 6a aus 40

dickem Pyrocarbon bestehen, einer Beschichtung 6b aus 40 Aim dickem Siliziumkarbid und einer Beschichtung 6c aus 70 yam · dicken» Pyrocarbon.

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Unter Verwendung bekannter Verfahren können die Teilchen nach der Herstellung mit einer Mischung aus Graphitpulver und Harzbinder "überschichtet" und in Formen verdichtet werden, um Kernbrennstoff-Körper jeder gewünschten Gestalt, die z.B. zylindrisch, ringförmig oder kugelig sein kann, zu bilden.

Nach Bestrahlung kann das verbrauchte spaltbare Material von dem brütbaren Material nach in bekannter Weise vorgenommener Entdichtung der Teilchen von d^en Kernbrennstoff-Körpern getrennt werden/indem die Teilchen zwischen im Abstand angeordneten Rollen oder Platten hindurchgeführt werden, wobei ihre äußeren Beschichtungen 6 aufgebrochen werden, ohne einen wesentlichen Anteil der inneren Beschichtungen 3 zu beschädigen. Obwohl ein kleiner Teil der inneren Beschich— tungen 3 während der Durchführung durch die Rollen oder Platten aufgebrochen werden kann, kann diese kleine Menge von verbrauchtem spaltbaren Material, das dadurch das frisch gebrütete spaltbare Material verunreinigt, während der chemischen Lösungsbehandlung geduldet werden; dies ist jedoch abhängig von den geplanten Verwendungszwecken des gebrüteten spaltbaren Materials.

Das brütbare Material kann dann durch Chemikalien aufgelöst werden, während die spaltbaren Kerne 4 durch die inneren chemischen Angriffen widerstehenden Siliziumkarbid-Beschichtungen 3b geschützt bleiben.

Die Teilchen 1 werden dadurch hergestellt, daß U_ --Samen in Oxid- oder Karbidform zubereitet werden, die U __g(Oxidoder Karbid)-Pulver vermischt mit einem geringen Gewichtsprozentsatz stearinsaurem Bindemittel enthalten. Die

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Mischung wird dann agglomeriert und in Kugelform gebracht, indem das Pulver in eine schnell kreisende Schale gespeist wird, bis "spaltbare" Kerne mit dem gewünschten Durchmesser erhalten werden.

Nach Wärmebehandlung, um das Bindemittel zu entfernen und die Kerne porös zu machen, werden die Kerne in einen Wirbelbettofen gebracht, um ihre Beschichtungen 3 zu erhalten. Die beschichteten "spaltbaren"Teilchen werden danach aus dem Ofen herausgenommen und als "Samen" für ein weiteres Agglomerationsverfahren verwendet, wobei sie mit einer Mischung aus Th___ in Oxid- oder Karbidform und einem Bindemittel beschichtet werden, um die relativ dicken Beschichtungen 5 zu bilden. Nach weiterer Wärmebehandlung zum Entfernen des Bindemittels und Porösmachen der Beschichtungen 5 werden die Teilchen in den Wirbelbettofen zurückgegeben, wo sie ihre Pyrocarbon/Siliziumkarbid/Pyrocarbon-Beschichtungen 6 erhalten. Es ist klar, daß gebrütetes U₃₃₃* ^^as ^urch Bestrahlung von Th₃₃₂ erhalten wird, statt des U₃₃₅ nach dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung von Teilchen 1 genommen werden kann, wenn die gewünschte Menge an U₃₃₃ verfügbar ist.

Obwohl die Erfindung in der bevorzugten Anordnung beschrieben worden ist, in der das spaltbare Material den Kern 4 bildet, kann die Lage des spaltbaren und des brütbaren Materials vertauscht werden, wenn dies für bestimmte Verwendungsarten erforderlich ist.

Kernbrennstoff-Körper können durch "Überschichtung" der Teilchen 1 durch Agglomeration gebildet werden, wobei eine Mischung aus Graphitpulver und Harzbinder verwendet wird und die Teitehen dann unter massigem Druck in einer Form verdichtet

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werden, wobei die weichen Beschichtungen sich verformen.

Die "Überschichtung" kann Bindemittel wie z.B. Siliziumkarbid enthalten.

Die Erfindung liefert zusammengesetzte Kernbrennstoffteilchen, die spaltbare und brütbare Materialien enthalten, wobei innere Schranken (die Beschichtungen 3) die Materialien voneinander getrennt halten. Die Erfindung liefert weiterhin solche Teilchen, in denen die Verwendung von Siliziumkarbid-Beschichtungen (3b, 6b) ein gutes Zurückhalten von Spaltprodukten gewährleistet, obwohl die Beschichtung 3b nicht den gleichen Grad an Undurchdrxngbarkeit für Spaltproduktdurchquerung verlangt, wie dies für die äußere Beschichtung 6b erforderlich ist.

Die Erfindung ermöglicht außerdem das Erreichen von "Schwer"-Metalldichten bei der Herstellung von Kernbrennstoff-Körpern und zwar mit einer relativ bescheidenen Packungsdichte. Grund hierfür ist, daß die Zahl der getrennten und zu packenden Teilchen verringert wird, während die Dicke der erforderlichen Beschichtungen 3 und 6 ohne Rücksicht auf den Teilchendurchmesser im wesentlichen konstant bleibt. Das Raumvolumen, das im beschichteten Teilchen von dem Schichtmaterial eingenommen

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wird, ist proportional zu 'r' , wobei 'r' der Radius der Brennstoffteilchen ist.

Andererseits ist das Schwermetallvolumen in dem Teilchen proportional zu 'r' .Je größer daher der Gesamtradius des Teilchens ist, umso größer ist auch das Verhältnis des vom Metall (in Oxid- oder Karbidform) eingenommenen Volumens. Da die Menge des Schwermetalls, das in einem Brennstoffkörper erforderlich ist, durch die physikalischen Gegebenheiten des Kernreaktors, in dem er verwendet wird, bestimmt wird, ist

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klar,daß für die größeren Teilchen, die durch die Erfindung hergestellt werden können, ein geringeres Volumen an Schichtmaterial und eine geringere Anzahl von Teilchen für einen bestimmten Betrag an Schwermetall erforderlich ist, als dies bei einem Kernbrennstoff-Körper der Fall wäre, der vollständig aus beschichteten Teilchen besteht, die spaltbares oder brütbares Material getrennt enthalten, wodurch infolgedessen ein größeres Volumen für gepreßtes "Überschichtungs"- Material zur Verfügung steht, um die Teilchen während der Verdichtung des Kernbrennstoff-Körpers zu trennen und zu schützen. Eine die Größe des Teilchens begrenzende Überlegung, ist das Temperaturdifferential, das während der Bestrahlung zwischen der inneren Schranke und der äußeren Beschichtung des Spaltprodukte zurückhaltenden Materials erzeugt wird; aber dies kann in Betracht gezogen werden, wenn spezifische Kernbrennstoffteilchen in Übereinstimmung mit der Erfindung konstruiert werden.

Die spaltbaren und brütbaren Bereiche der Kernbrennstoffteilchen der Erfindung können auch nach anderen Verfahren hergestellt werden, die zur Herstellung von Kernbrennstoffteilchen-Kernen verwendet werden, z.B. nach Sol-Gel-Verfahren.

Es kann auch ein anderes spaltbares Material z.B. P^u ₂39 wie ein anderes brütbares Material z.B. U₃₃₈ verwendet werden.

Natürlich kann eine Vielzahl von inneren Schranken gebildet werden, die spaltbare und brütbare Materialien innerhalb eines Kernbrennstoffteilchens trennen.

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Claims

Patentansprüche

1.)Kernbrennstoffteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Teilchens (1) sowohl spaltbares als auch brütbares Material enthalten ist und das die beiden Materialien um eine innere Schranke (3) physikalisch derart angeordnet und angebracht sind, daß sie anschließend an eine Bestrahlung voneinander getrennt werden können.

2. Kernbrennstoffteilchen nach Anspruch 1 zur Verwendung bei der Herstellung von Kernbrennstoff-Körpern, gekennzeichnet durch einen Kern (4) aus spaltbarem Material, der zur Bildung einer inneren Schranke von einer inneren relativ dünnen Beschichtung (3) aus Schrankenmaterial, von einer relativ dicken Zwischenbeschichtung (5) aus brütbarem Material und von einer äußeren, relativ dünnen Beschichtung (6) aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material überzogen ist.

3. Kernbrennstoffteilchen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schrankenmaterial aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material besteht.

4. Kernbrennstoffteilchen nach einem, der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das spaltbare Material aus U₃₃₅ oder gebrütetem U2₃₃besteht und daß das brütbare Material aus Th₂₃, besteht.

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5. Kernbrennstoffteilchen nach Anspruch 3, dadurch' gekennzeichnet, daß das Spaltprodukte zurückhaltende Material (3) aus einer Beschichtung (3b) aus Siliziumkarbid besteht, die zwischen PyrocarbonbeSchichtungen (3a,3c) liegt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffteilchens nach Anspruch 1. oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Teilchens sowohl spaltbares als auch brütbares Material enthalten ist, indem der Kern (4) aus einem der Materialien gebildet wird> und daß auf ihn zur Bildung einer inneren Schranke eine Beschichtung (3) aus Schrankenmaterial aufgebracht wird, daß nachfolgend der beschichtete Kern mit dem anderen der Materialien (5) beschichtet wird und daß danach auf das andere Material eine Beschichtung (6) aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material aufgebracht wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffteilchens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zur Bildung einer inneren Schranke eine innere relativ dünne Beschichtung (3) aus Schrankenmaterial auf einen Kern (4) aus spaltbarem Material aufgebracht wird, daß dann eine relativ dicke Zwischenbeschichtung (5) aus brütbarem Material aufgebracht wird,.auf die eine äußere relativ dünne Beschichtung (6) aus Spaltprodukte zurückhaltendem Material folgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Schranke aus SpaItprodukte zurückhaltendem Material gebildet wird.

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h gekennzeichnet, daß U₃₃₅ oder gebrütete U₉₃₃-Samen in oxidischer Form mit einem kleinen Gewichtsprozentsatz stearinsaurem Bindemittel vermischt werden, daß die Mischung dann agglomeriert und in Kugelform gebracht wird, indem die Mischung zur Bildung spaltbarer Kerne in eine schnell kreisende Schale gefüllt wird, nach Wärmebehandlung zur Entfernung des Bindemittels und zum Porösmachen des Kerns der Kern in einen Wirbelbettofen gegeben wird, wo er zur Bildung einer inneren Schranke eine relativ dünne Beschichtung aus Pyrocarbon und Siliziumkarbid enthält, daß die beschichteten Kerne dann mit Th«_2 und Stearinsäure als Bindemittel agglomeriert werden, wodurch eine relativ dicke Umhüllung um den beschichteten Kern geschaffen wird und daß dann nach der Wärmebehandlung zur Entfernung des Bindemittels und zum Porösmachen der Beschichtung die Kerne mit Pyrocarbon und Siliziumkarbid beschichtet werden.

10. Kernbrennstoff-Körper gekennzeichnet durch Kernbrennstoffteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in dicht gepackter Beziehung innerhalb einer Graphitmatrix.

11. Verfahren zum Trennen spaltbaren und brütbaren Materials von Kernbrennstoffteilchen, die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 10 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen zwischen im Abstand angeordnete Rollen oder Platten hindurchgeführt werden, wobei ihre äußeren SpaItprodukte hemmenden Beschichtungen aufgebrochen werden, ohne einen wesentlichen Anteil der inneren Schranken in den Teilchen zu beschädigen

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