DE3043761A1 - Herstellung von thorium tragenden carbid-brennstoffen - Google Patents

Description

Herstellung von Thorium tragenden Carbid-Brennstoffen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Thorium-Uran-Carbid-und Thorium-Plutonium-Carbid-Brennstoffen unter Verwendung des carbothermischen Reduktionsverfahrens. Dieses Verfahren gestattet die Herstellung von Kilogramm-Mengen des Brennstoffs mit guter Reproduzierbarkeit der chemischen Zusammensetzung und der Phasenzusammensetzung. Andere Verfahren verwenden Flüssigkeitsverfahren, wobei CarbidmikroSphären ausgebildet werden, oder aber es werden Legierungsverfahren verwendet, die Legierungen aus Thorium-Uran oder Thorium-Plutonium bilden. Die Flüssigkeitsverfahren können infolge kritischer Einschränkungen nicht große Mengen verarbeiten, wohingegen die Legierungsverfahren keine genaue Steuerung der Prozeßbedingungen ermöglichen, was

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M ζ -

zu einem schlecht definierten Produkt führt. Insbesondere ■wurden Thorium-Uran-Carbid (Th₁U)C und Thorium-Plutonium-Carbid (Th,Pu)C durch Vakuumreduktion von Mischungen der Metalloxide und Kohlenstoff bei erhöhten Temperaturen hergestellt. Das Sintern bei 1800⁰C und 2000⁰C erzeugt Brennstoff-Pelletdichten von 87% bzw. > 9h% der theoretischen Dichte aus den Carbiden.

Thorium-Uran-Carbid- und Thorium-Plutonium-Carbid-Brennstoffe sind alternative Brennstoffe für den Uran-Plutonium-Carbid-Brennstoff für schnelle Brüter Reaktoren. Diese Brennstoffe minimieren die Verwendung von Plutonium und erschweren die Weiterlieferung von Plutonium. Eines der Erschwernisse be-

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steht darin, daß das £? ^ Isotop aus ggTh im alternativen Brennstoffzyklus hergestellt wird. Dieses Isotop emittiert große Mengen an Gammastrahlung und macht ferngesteuerte Handhabungsverfahren notwendig. Ein weiteres Erschwernis besteht in der Denaturierung der spaltbaren Isotope, verwendet für die Leistungsversorgung der Reaktoren. D.h., ^₂U ist ^e^-ⁿ sich nicht spontan spaltendes Nuclid und hält eine Kettenreaktion nicht aufrecht. Durch Mischung einer bestimmten Menge an

238 233 235
O₂U mit Q^U oder q«U erreicht man eine Denaturierung,und

komplizierte und/oder teure Isotropentrennverfahren wären notwendig, um Materialien mit Bombenqualität zu erhalten.

Carbidbrennstoffe sind potentiell mit dem Überzug der Brennstoffelemente nicht kompatibel. Infolge der Begrenzungen der derzeitigen Brennstoffsyntheseverfahren kann die Brennstoffzusainmensetzung nicht hinreichend gut gesteuert werden, um ein stabiles Einzelphasenprodukt zu erzeugen. Zuviel vorhandener Kohlenstoff in der Form von beispielsweise dem Dicarbid erzeugt eine Karburierung (Versprödung) des Überzugs, wohingegen zu wenig dazu führt, daß das freie Metall seinen Weg durch das Material findet. Ein trocknes Verfahren zur Herstellung der Monocarbide PuC, UC oder (U,Pu)C mit einem Me-

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tall-zu-Kohlenstoffverhältnis nahe eins wird in US-Patent 3 347 749 beschrieben. Dieses Patent lehrt die Legierung von U oder Pu mit Chrom, um das Metall/Kohlenstoff-Phasendiagramm zu ändern, was die Bildung von UC oder PuC gestattet, und zwar ohne eine genaue Steuerung der Bedingungen. US-PS 3 813 344 lehrt die Herstellung von (U,Pu)C durch ein weiteres trockenes Verfahren, welches im wesentlichen aus den gleichen Gründen arbeitet und dem erfindungsgemäßen' carbothermischen Reduktionsverfahren der Erfindung ähnelt. Es sei bemerkt, daß der analoge Plutoniumbrennstoff nicht ohne weiteres aus dem vorliegenden carbothermischen Reduktionsverfahren synthetisiert werden kann, ohne eine beträchtliche Sauerstoffverunreinigung, wenn man nicht in Kauf nehmen will, daß eine große Menge an Plutoniummetall durch Verdampfung verlorengeht. Die Erfindung lehrt ein neues Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffs zur Verwendung in Kernreaktoren. Obwohl der Brennstoff nicht neu ist, und es auch nicht unmöglich ist, ihn auf andere Weise herzustellen, so ist doch das erfindungsgemäße Verfahren sicherer und wirtschaftlicher.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, die Verwendung von Plutonium zu minimieren und den Diebstahl des Plutoniums und die Möglichkeit von dessen Weiterlieferung zu vermindern, dadurch, daß man eine Alternative für den Uran-Plutonium-Carbid-Brennstoff für schnelle Brüter Reaktoren vorzieht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung von alternativen Brennstoffen mit guter Reproduzierbarkeit der chemischen Zusammensetzung und der Phasenzusammensetzung.

Ferner zeigt die Erfindung,Carbidbrennstoffe mit der richtigen Zusammensetzung herzustellen, um so die Inkompatibilität mit dem Überzugsmaterial der Brennstoffelemente zu vermeiden.

Ferner sieht die Erfindung die Erzeugung von Carbidbrennstof-

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3Q43761

-U-

fen in großen Mengen vor, ohne daß Bedenken hinsichtlich der Kritikalität während des Herstellungsverfahrens bestehen, wie dies gegenwärtig bei Flüssigkeitsverfahren der Fall ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Thorium-Uran-Carbid und Thorium-Plutonium-Carbid-Alternativbrennstoff für schnelle Brüter herzustellen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, Thorium-Uran-Carbid und Thorium-Plutonium-Carbid durch den carbothermischen Reduktionsprozeß herzustellen, und zwar aus einer Mischung geeigneter Metalloxide und reinem Kohlenstoff.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie aus der Zeichnung.

(Th,U)C oder (Th,Pu)C gestattet die Verwendung von Thorium

P55 239

P55 239 in einem Brüterzyklus mit U oder Pu zur Erzeugung von Leistung und zusätzlichem Brennstoff. D.h., daß sich aus dem

272 2

27)2. 23^

fruchtbaren oder brütenden Th Isotop ergebende ^U kann in konventionellen Reaktoren verwendet werden. Das gemischte Monocarbid kann leicht hergestellt werden durch die Reduktion der Mischungen aus Thorium und Uran oder Plutoniumoxiden und Kohlenstoff bei 175O°C oder 2000⁰C unter Verwendung des carbothermischen Reduktionsprozesses. Die Erfindung gestattet die Herstellung von Kilogramm-Mengen an Carbid mit guter Reproduzierbarkeit der chemischen und Phasen-Zusammensetzung. Das erzeugte Material wird sodann zerkleinert und durch eines bestimmten Maschensieb gesiebt. Wenn ein hochdichter Brennstoff gewünscht ist, so wird Nickelpulber (0,2 Gew.-%) hinzugegeben und mit dem Carbidpulver als eine Sinterhilfe vermischt. Die Mischung wird sodann in Pellets unter Verwendung einer Carver-Presse gepreßt. Die eine niedrige Dichte

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besitzenden Pellets werden bei1800⁰C 8 Stunden lang gesintert, und die hochdichten Pellets werden bei 2000⁰C 2 Stunden lang gesintert, wodurch sich Brennstoffpelletdichten von 87% bzw. > 94% der theoretischen Dichte ergeben.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

B'ig. 1 den Gasdruck der Produkte während der

carbothermisehen Reduktion, abhängig von der Zeit;

Fig. 2 das Phasendiagramm für das Uran-Kohlen

stoff -Sy stern;

Fig. 3 das Phasendiagramm für das Thorium-

Kohlenstoff-System;

Fig. 4 das Phasendiagramm für das Plutonium-

Kohlenstoff-System.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde (Th₁U)C mit Kohlenstoff/Metall-Atomverhältnis von 0,90 und 0,95 hergestellt. Das Metall war eine 80/20 Mischung Thorium/Uran. Für die (Th,Pu)C-Brennstoffzusammensetzung wurde das Kohlenstoff/Metall-Atomverhältnis auf 0,95 für zwei unterschiedliche Metallmischungen eingestellt. Das erste war eine 80/20 Mischung aus Thorium/Plutonium und die zweite war eine 45/55 Mischung. Der anfängliche Schritt umfaßt das Abwiegen, Mischen und Brikettieren spezifizierter Oxide und Kohlenstoff Die Charge wurde halbiert, wobei eine Hälfte der Briketts bei 175O°C vakuumreduziert wurde, während die andere Hälfte der Briketts bei 2000⁰C vakuumreduziert wurde. Jede kleinere

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-re

wurde dann zerkleinert und durch einen spezifiziertes Maschensieb gesiebt. Wenn hochdichter Brennstoff angegeben oder spezifiziert war, so wurde Nickelpulver (0,2 Gew.-%) hinzugegeben und mit dem Carbidpulver als Sinterhilfe vermischt. Sodann wurde das Material in Pellets unter Verwendung einer Carver-Presse gepreßt. Die eine niedrige Dichte besitzenden Pellets wurden bei 1800⁰C 8 Stunden lang gesintert, und die hochdichten Pellets wurden bei 2000⁰C 2 Stunden lang gesintert.

Tabelle I gibt die chemischen und physikalischen Daten für die drei erhaltenen Zusammensetzungen von Thorium-Uran-Carbid und einer Zusammensetzung von Thorium-Carbid an. Die erste Thorium-Uran-Carbid-Zusammensetzung wurde für ein Kohlenstoff/Metall-Atomverhältnis von 0,9 hergestellt. Vergleicht man den Gewichtsprozentsatz von Kohlenstoff und Sauerstoff der Brikette aus den zwei Vakuumreduktionszyklen von 1750⁰C und 2000⁰C, so zeigt sich, daß das Material aus der 175O°C Reduktion eine unvollständige Reduktion ist.

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Tabelle I

^U0.2^)C0.95

,(95* TD)

230

^J0.2^5C0.95

• '(87% TD)

^ThC0.9 (95% TD)

Gew.% von Kohlenstoff und Sauerstoff für verschiedene (Th,U)C Brennstoffe und ThC Isolatorpellets

Briketts Briketts
Ge-w. Kohlenstoff Gew. %Sauerstof f

Pellets
Gev/. ?6Kohlenstof f

Vakuumreduktion Vakuumreduktion Sintertemperatur

1750°C 2000^eC 175O^eC 2000^eC 2000^eC 1800"C

5.38

4.94

6.17

4.61

4.69

4.43

0.28

0.094

1.70

0.063

0.025

0.34

4.78

Pellets Gew.^Sauerstoff

Sintertemperatur

2GC0^eC 1800"C

0.16* 0.140

0.270' 0.110

2.50' 0.47

0.29

bei 175O°C vakuumreduziertes Material
"bei 2000⁰C vakuumreduziertes Material

S -

Dies ergibt sich aus der größeren Menge von Kohlenstoff und Sauerstoff in den bei der niedrigeren Temperatur reduzierten Briketts. Wenn das Material aus beiden Reduktionszyklen zerkleinert, gepreßt und bei 2000⁰C gesintert -wird, so ist der Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt der Pellets aus beiden Reduktionszyklen nahezu äquivalent. Daher kann durch Sintern bei einer Temperatur von 2000⁰C das nicht vollständig bei 1750⁰C reduzierte Material weiterschreiten zur gleichen Reaktionsstufe wie das bei 2000⁰C reduzierte Material. Eine Analyse der MikroStruktur bei den (Th₁U)C_{0 gQ} Pellets zeigte, daß eine zweite Phase vorliegt, von der angenommen wird, daß es sich um Oxicarbid handelt. Vorausgegangene Studien zeigten, daß das Oxicarbind dadurch minimiert werden kann, daß man ein Kohlenstoff/Metallverhältnis von 1 nimmt. Infolgedessen wurde eine Charge aus Thorium-Uran-Brennstoff mit einem Kohlenstoff/ Metallverhältnis von 0,95 hergestellt. Die Brikette der (Th,U)Cq nc Zusammensetzung enthielten weniger Kohlenstoff und Sauerstoff als die Brikette der (Th₁U)C₀ g_Q Zusammensetzung, wenn .beide bei 1750⁰C reduziert wurden. Wiederum zeigten beide Zusammensetzungen eine sehr geringe Differenz hinsichtlich des Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalts bei Vakuumreduktion bei 2000⁰C. (Th₁U)_{0 g5} Brennstoff mit 87?6 theoretischer Dichte (TD) wurde unter Verwendung einer 2000⁰C Reduktion hergestellt, aber mit einer ^intertemperatur von 1000⁰C. Wie man infolge der 1800⁰C Sintertemperatur erwarten konnte, enthielt der Brennstoff mehr Sauerstoff als die gleiche, bei 2000⁰C gesinterte Zusammensetzung. Eine Charge aus Thoriumcarbid wurde unter Verwendung der 175O°C und 2000⁰C Vakuumreduktionszyklen hergestellt. Das Kohlenstoff/Metallverhältnis betrug 0,90. Dieses Material verhielt sich nicht wie der Thorium-Uran-Carbidbrennstoff, da er nicht zurgleichen Reaktionsstufe wie das bei 2000⁰C reduzierte und bei 2000⁰C gesinterte Material fortschritt, obwohl die Reduktion bei 1750⁰C und die Sinterung bei 2000⁰C erfolgte. Material aus den beiden 175O⁰C und 2000⁰C Reduktionszyklen zeigte einen

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BAD ORIGINAL

Anstieg des Sauerstoffgehalts des gesinterten Pellets gegenüber dem Brikett. Der Sauerstoff wird höchstwahrscheinlich während des Zerkleinerungsschrittes aufgenommen, dann wenn das Material eine große Oberfläche besitzt, obwohl die maximal zulässigen Betriebsgrenzen für Feuchtigkeit und Sauerstoff in dem eine Argonatmosphäre besitzenden Handschuhkasten jeweils

10 ppm betrugen. Ein weiteres mögliches Gebiet für die Sauerstoffverunreinigung könnte die Probenentnahme für chemische Analysen sein. Es ist bekannt, daß Thoriumcarbide eine große Affinität für Sauerstoff und Wasser besitzen.

Für den Thorium-Plutonium-Brennstoff wurde eine Charge von (Th₀ 3Pu_{0 2})^co 95 hergestellt und für zwei Carboreduktionszyklen halbiert. Der bei 175O⁰C vakuumreduzierte Teil hatte 2,5% Sauerstoffgehalt im Brikett und 2,3% im gesinterten PeI-lett. Der verbleibende, bei 2000°C vakuumreduzierte Teil enthielt 0,54% Sauerstoff im Brikett, 0,63% im gesinterten PeI-lett (vergl. Tabelle II). Wegen des hohen Sauerstoffgehalts im bei 175O⁰C reduzierten Material wurde eine zweite Charge von (Th₀ oPUq p)^co 95 ^urrfcer Verwendung von nur dem 2000⁰C Reduktionszyklus hergestellt. Ein Teil der sich ergebenden Pellets wurde in strömendem Argongas gesintert, und die verbleibenden Pellets wurden in einem Vakuum gesintert. Tabelle

11 zeigt eine signifikante Reduktion des Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalts für die in Vakuum gesinterten Pellets gegenüber den im strömenden Gas gesinterten Pellets.

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Tabelle II Thorium-Plutonium Carbid

Brennstofftype

Temp. Parameter

87% T.D.

^(Th0.8%.2^1C0.95 87% T.D.

^CrhQL.4S^Pu0.55^lC0.95

93% T.D.

Teilschmelze

Pellet (Ar-1800), Gew.Ja C 5.21 ■· Pellet I V-1800), Gew.% C

. Pellet (Ar-1800), Gew.% 0 0.63 Pellet ( V-1800}, Gew.# 0

0.2082 0.1912

8.1

2000 1.0 (Ar)

Pu

i^anf- · Th₊Pu
Ii ch

schließ-
lieh ^{Th + Pu}

Plutonium verlust Gew.% Vakuumre dukti on,° c
C/M Atoniverhältnis

5.21

4.94

0.57

Q.3S

0.2030

0.1927

7.4

2Q0Q

1.Q8 (Ar) 1.03 (V)

5.72

1.3
0.5653

0.5496

2.8

1750
1.21 CAr}

0.5673 0.5209

8.2 2000

Ar = gesintert in fließendem Argon ν = gesintert in Vakuum

In einer zweiten Zusammensetzung wurden· zwei Chargen von (Th₀ 45Pu_{0 55})C_{O g5} hergestellt. Die bei 175O⁰C reduzierte Charge zeigte wiederum hohe Werte für Kohlenstoff und Sauerstoff, und daß die carbothermische Reaktion unvollständig ist. Dies zeigt die Notwendigkeit an, die Vakuumreduktion bei einer höheren Temperatur auszuführen. Eine Reduktion bei 2000⁰C erzeugte Briketts, welche Anzeichen für eine partielle Schmelze besaßen. Es ergab sich ein Materialgewichtsverlust von 32 Gew.% gegenüber 19 Gew.% für eine typische carbothermische Reaktion. Dies zeigt an, daß das Material nahezu oder auf einer Fest/Flüssigkeits-Phasengrenze sich befand. Infolge dieses partiellen Schmelzzustands wurde das Material nicht über die Vakuumreduktionsstufe verarbeitet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Verdampfung von Plutonium im Bereich von 7,4 bis 81, Gew.% für die (Th_Q 3Pu_{0 2}) zusammensetzung liegt, und zwar vakuumreduziert bei 2000⁰C, während diese Größe bei 2,8 Gew.% für die (ThQ arPUq ,-=) Zusammensetzung vakuumreduziert bei 1750⁰C liegt!

Während der Vakuumreduktion jeder Materialcharge wurde der Gasdruck der Produkte während des gesamten Zyklus aufgezeichnet. Fig. 1 zeigt, daß die Kurven für die 1750⁰C und 200O⁰C Zyklen nahezu identisch sind mit Ausnahme der letzten 3 Stunden der Vakuumreduktion. Während dieser 3-stündigen Periode zerlegt sich das Oxicarbirl, und der überflüssige Sauerstoff tritt als Kohlenmonoxid auf. Die Kurven stehen mit den chemischen Daten in Korrelation insoferne, als das bei 2000⁰C vakuumreduzierte Material einen niedrigeren Sauerstoff- und Kohlenstoffgehalt besitzt als das bei 175O°C vakuumreduzierte Material.

Obwohl diese Brennstoffe ein niedrigeres Brütverhältnis und eine längere Verdoppelungszeit besitzen, als der Uran-Plutonium-Carbid-Brennstoff, beim Vergleich mit ihren Oxidanalogen, so behalten die (Th,U)C und (Th,Pu)C Brennstoffe einen Vorteil hinsichtlich höherer Metalldichte, thermischer Leit-

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fähigkeit und Brütverhältniseigenschaften. Wegen der höheren Schmelztemperaturkomponente des (Th,U)C Brennstoffs gegenüber dem (U,Pu)C Brennstoff arbeitet das auf Thorium basierende Brennstoffsystem bei höheren Temperaturen und bietet einen Ausgleich für die niedrigere thermische Leitfähigkeit des auf Thorium basierenden Systems.

Aus der vorstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung ergeben sich für den Fachmann auch allgemeine Prinzipien, die insbesondere in den Ansprüchen zum Ausdruck gebracht sind.

Wegen der bewährten Verarbeitungsparameter sollte die Herstellung der Thorium-Uran: und Thorium-Plutonium-Carbidbrennstoffe eng parallel zur Herstellung von (U,Pu)C Brennstoff erfolgen. In dem (U,Pu)C System scheint die Karbunierung des Überzugssystems für natriumgebundene Brennstoffelement sich durch zusätzlichen Kohlenstoff im Brennstoff zu verschlechtern, wenn das Kohlenstoff/Metall-Atomverhältnis größer als 1 ist. Wenn andererseits Brennstoff mit einem Kohlenstoff/Metallatomverhältnis von wesentlich weniger als 1 hergestellt wird, so ist die Chance groß, daß während des Verbrennens freies Metall erzeugt wird. Das Metall wird sich an den Korngrenzen des Brennstoffs absetzen und erhöht die Rate des Brennstoffanschwellens. AuC dieser Basis ist es vernünftig, (Th,U)C und (Th,Pu)C Brennstoffe mit Kohlenstoff/Metall-Atomverhältnissen herzustellen, die gleich oder etwas kleiner als 1 sind. Die Phasendiagramme von Uran-Kohlenstoff, Thorium-Kohlenstoff und Plutonium-Kohlenstoff stützen diese Verfahrensweise.

Das Uran-Kohlenstoffsystem (Fig. 2) zeigt deutlich die Schwierigkeit beim Erhalt von Uran-Monocarbid. Das C/U Atomverhältnis für das Einzelphasenmaterial verengt sich zur Einheitsgröße (1) hin, und zwar bei Temperaturen unterhalb 800⁰C. Alles, was größer ist als 1 erzeugt einige höhere Carbidphasen,

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ν -

und weniger als 1 erzeugt etwas freies Metall.

Das Phasendiagramm des Thorium-Kohlenstoffsystems (Fig. 3) zeigt, daß Thorium-Monocarbid in dem C/Th Atomverhältnisbereich von 0/675-1.0 existiert. Mit diesem breiten Zusammensetzungsbereich und hohem Schmelzpunkt von 2600⁰C wird die Sorge hinsichtlich des Erhalts der Dicarbidphase oder freien Metalls im wesentlichen eliminiert, und die gegenwärtige Mischungsroute zum Erhalt der Monocarbidphase in dem Brennstoffelementen wird vorgeschlagen.

Während der Herstellung der Thorium-Uran-Carbid- und Thorium-Plutonium-Carbid-Brennstoffe wurde festgestellt, daß Reaktionstemperaturen von mehr als 175O°C verwendet werden müssen, um den Sauerstoffgehalt des Brennstoffs auf einem Minimum zu halten. Es ist wahrscheinlich, daß ein Teil des Sauerstoffs in der Form einer Oxicarbidphase vorliegt, und zwar ergibt sich dies aus der Untersuchung der chemischen Daten und der Durchführung von Mikrostrukturanalysen. Es wurde ferner beobachtet, daß der Vakuumsintervorgang den Kohlenstoff- und Sauerstoffgehalt im Brennstoff verminderte, verglichen mit identischem Material, welches in strömendem Gas gesintert v/urde.

In dem Plutonium-Kohlenstoffsystem (Fig. 4) beträgt der C/Pu Atomverhältnisbereich für Plutonium-Monocarbid 0,8 bis 0,9. Dieser Bereich ist nicht so breit wie für Thorium-Monocarbid, und der Schmelzpunkt für die feste Lösung aus Plutonium-Monocarbidmaterial tritt bei der niedrigeren Temperatur von 16OO°C auf. Die Herstellung von Thorium-Plutoniumcarbiden ergibt sodann die Verdampfung einer großen Menge an Plutonium, wenn die Vakuumreduktion und Sinterung bei Temperaturen oberhalb 175O⁰C versucht wird, um den Sauerstoffgehalt des Brennstoffs zu verringern. Dies erfolgt jedoch nicht bei den Uran-Plutonium- Carbiden, wo eine Vakuumreduktionstemperatur von

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η -

155O°C verwendet wird, um Brennstoff herzustellen, in dem die Plutoniumverdampfung niedriger ist um einen Faktor von ungefähr 5, und die Sauerstoffkonzentration niedriger ist als 300 ppm. Es ist daher zweifelhaft, daß einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweisender (Th_Q 45Pu₀ -5) C_Q g₅ Brennstoff hergestellt werden kann unter Verwendung des carbothermischen Reduktionsverfahrens, ohne daß sich signifikanter Plutoniummetallverlust aus der Probe ergibt.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit die Herstellung von Thorium-Uran-Carbid- und Thorium-Plutonium-Carbid-Brennstoffpellets vor, und zwar durch das carbothermische Reduktionsverfahren. Temperaturen von 175O°C und 2000⁰C werden während des Reduktionszyklus verwendet. Die Sintertemperaturen von 800⁰C und 2000⁰C wurden verwendet, um Brennstoffpelletsdichten von 87% bzw. ^* 9k% der theoretischen Dichte herzustellen. Das Verfahren gestattet die Herstellung von Kilogramm-Mengen des Brennstoffs mit guter Reproduzierbarkeit der chemischen Zusammensetzung und der Phasenzusammensetzung. Verfahren, welche Flüssigkeitsverfahren zur Herstellung von Carbidmikrokügelchen verwenden, oder aber Verfahren aufgrund der Legierungstechnik, die Legierungen aus Thorium-Uran oder Thorium-Plutonium benutzen, leiden an der Einschränkung hinsichtlich der zu verarbeitenden Mengen, wegen der auftretenden kritischen Größen und wegen des Fehlens einer genauen Steuerung der Prozeßbedingungen.

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Leerseite

Claims (9)

1. Patentansprüche

   ί 1/ Verfahren zur Herstellung von Thorium-Uran-Carbid- und . Thorium-Plutonium-Carbid-Brennstoffpellets durch carbothermische Reduktion,
   gekennzeichnet durch:

   (a) Abwiegen, Mischen und Brikettieren bestimmter spezifizierter Oxide von Thorium, Uran und Plutonium und reinem Kohlenstoff,

   (b) Vakuumreduktion der Briketts bei erhöhten Temperaturen,

   (c) Zerkleinerung und Sieben des reduzierten Produkts,

   (d) Pressen des Carbidpulvers in Pellets und

   (e) Sintern der Pellets bei erhöhten Temperaturen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Thorium-Uran-Carbid hergestellt v/ird mit Kohlenstoff/Metall-Atomverhältnis von 0,90 und 0,95, wobei das Metall eine Mischung von 80/20 Thorium/Uran ist.
3. 5, Vorführen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daiJ die» Briketts bei 1750⁰C oder 2000⁰C vakuumreduziert v/erden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallcarbid gemischt wird mit 0,2 Gew.% Nickelpulver, und zwar gepreßt in Pellets und gesintert bei 2000⁰C über 2 Stunden hinweg, wenn ein Brennstoff mit hoher Dichte spezifiziert ist.

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5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pietallcarbid in Pellets gepreßt und gesintert wird bei

   1800⁰C über 8 Stunden hinweg, wenn ein Brennstoff mit niedriger Dichte spezifiziert ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Thorium-Plutonium-Carbid hergestellt wird mit einem Kohlenstoff/Metall-Atomverhältnis von 0,95, wobei das Metall

   eine Mischung von entweder 80/20 oder 45/55 Thorium/
   Plutonium ist.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Briketts bei 175O°C oder 2000⁰C vakuumreduziert werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallcarbid gemischt wird mit 0,2 Gew.% Nickelpulver, und zwar gepreßt in Pellets und gesintert bei 2000⁰C über

   2 Stunden hinweg, wenn ein Brennstoff mit hoher Dichte spezifiziert ist.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallcarbid in Pellets gepreßt wird und gesintert bei
   1800⁰C über 8 Stunden hinweg, wenn ein Brennstoff mit niedriger Dichte spezifiziert ist.

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