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Dokumentenidentifikation DE69010269T2 05.01.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0395979
Titel Verfahren zur Herstellung von UO2 Kernbrennstofftabletten.
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Jentzen, William Richard, Kennewick, Washington 99337, US;
Didway, Johnny Alan, Kennewick, Washington 99336, US
DE-Aktenzeichen 69010269
Vertragsstaaten BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 23.04.1990
EP-Aktenzeichen 901076836
EP-Offenlegungsdatum 07.11.1990
EP date of grant 29.06.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.01.1995
IPC-Hauptklasse G21C 3/62

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Tabletten aus Urandiozid als Kernreaktorbrennstoff, wobei die Herstellung der Tabletten durch Pressen und Sintern erfolgt.

Stand der Technik

Handelsübliche Kernreaktoren zur Erzeugung von elektrischem Stroh werden im allgemeinen mit in einem metallumkleidungsrohr eingeschlossenen Tabletten aus angereichertem Uraniumdioxid betrieben. Die Tabletten werden aus einem höchstsinterfähigen Pulver aus Urandioxid keramischer Qualität zu ungebrannten oder "grunen" Tabletten gepreßt, die anschließend in einem Ofen in einer kontrollierten Normalgasatmosphäre solange gebrannt werden, bis sie die gewunschten Sintereigenschaften annehmen. Die Eigenschaften des Keramikpulvers sowie eine Beschreibung des Preßverfahrens und verschiedener, bei solch einem Verfahren eingesetzter Zusatzstoffe finden sich zum Beispiel in der am 7. Feb. 1984 an Radford et al. ausgegebenen US-PS 4 430 276. Hieraus ist bekannt, daß sich durch Zugabe bestimmter Metalloxide wunschenswerte Änderungen wie z.B. Erhöhung der Korngröße in der Mikrostruktur der Endtablette ergeben konnen.

Beim Pressen des Pulvers zur Grüntablette ist zur Reduzierung der Reibung während des Pressens sowie zur Sicherstellung der schadensfreien Entnahme der Grüntablette aus dem Werkzeug die Zugabe eines Preßwerkzeug- Schmiermittels zum Preßwerkzeug oder zum Keramikpulver selbst oder zu beiden erforderlich. Die Zugabe von Schmiermitteln zum Keramikpulver vor dem Pressen ist eine in der Keramiktechnik im allgemeinen und der Tablettierungstechnik von Urandioxid im besonderen anerkannte Methode. Als für diesem Zweck besonders geeignet werden Metallseifen angesehen. Als für diesen Zweck geeignet sind verschiedene Metallseifenverbindungen bereits bekannt. Unter den möglichen Kandidaten ist Zinkstearat in Form eines Pulvers als mit dem Keramikpulver vermischter Zusatzstoff weit verbreitet.

Beim Brennen der mit einem Schmiermittel aus Zinkstearat gepreßten Grüntabletten werden die aus Stearat bestehenden organischen Bestandteile verdampft und aus dem Ofen als flüchtige Bestandteile entfernt. Der zinkmetallische Bestandteil wird ebenfalls verdampft und aus den Tabletten entfernt. Im Innern des Ofengases bilden sich jedoch Zinkoxide, die sich auf den Ofenwänden und im Abgas niederschlagen. Die gebildeten Niederschläge stellen störende Verunreinigungen dar.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß des neuartigen Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird vor dem Pressen der Grüntabletten ein aus Aluminiumstearat bestehendes trockenes Schmiermittel dem Sinterpulver aus Urandiozid zugegeben und damit trocken vermischt. Das Aluminiumhydroxid-distearat ist ein hochwirksames Preßwerkzeug-Schmiermittel. Des weiteren wird, während der Distearatrest im Verlauf des Sinter- Vorgangs als flüchtiger Bestandteil entfernt wird, der Aluminiumhydroxidbestandteil in Alumininiumoxid oder -teilchen davon umgewandelt, die als Mittel zur Steuerung der Korngröße wirken, indem sie die Bildung größerer Korngrößen unterstützen, die dem Zusammenhalt der Spaltprodukte während eines Abbrandzyklus des Brennstoffes innerhalb der Tabletten forderlich sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Abbildung 1 zeigt perspektivische Ansicht schräg von oben einer erfindungsgemäß hergestellten gesinterten Tablette.

Abbildung 2 stellt ein Flußdiagramm dar, auf dem die Schritte des neuartigen Verfahrens beschrieben sind.

Bei dem Verfahren der Erfindung wird das Pulver aus Aluminiumhydroxid-distearat, d.h. Al(OH)(C&sub1;&sub8;H&sub3;&sub5;O&sub2;)&sub3; in Trockenpulverform mit dem Trockenkeramikpulver aus Uranoxid vermischt. Das Keramikpulver kann neben dem Urandioxid selbst noch geringe Mengen anderer Zusatzstoffe wie brennbare Gifte, Plutonium usw. enthalten, wird hier jedoch aus praktischen Gründen einfach als "Keramikpulver" bezeichnet. Die Menge an zugesetztem Aluminiumhydroxid-distearat beträgt 0,1 bis 0,4 Gewichteprozent bezogen auf die Keramikpulvergrundlage.

Die Aufgabe des Aluminiumhydroxid-distearats ist zweierlei. Zum ersten ist es ein direkter Ersatz für das Zinkstearat als das bei der Tablettenpressung verwendete Schmiermittel. Das Aluminiumhydroxid-distearat wird nach demselben Verfahren und Mischvorgang wie das Zinkstearat zugegeben. Die Schmiereigenschaften des Aluminiumhydroxid-distearats und des Zinkstearats sind im wesentlichen gleichwertig. Zum zweiten ist das Aluminiummetall der Verbindung nicht flüchtig, sondern wird in der gesamten Brennstoffoxid-Matrix als Brennstoffstabilisierungsmittel gebunden, eine Aufgabe, die bisher von dem zugegebenen Aluminiumoxidpulver erfüllt wurde. In diesen Konzentrationen erhöht das Aluminiumoxid die Korngröße in der gesinterten Tablette noch um weitere 2-5 Mikrometer im Vergleich mit der Korngröße bei Fehlen von Aluminiumoxid. Eine kontrollierte Korngröße wird zur Regulierung der Freisetzung von Spaltgasen wahrend des Brennstoffbetriebs benötigt. Bei direktem Vergleich mit der molaren Konzentration an Aluminiumatomen ergeben sich durch Aluminiumstearat und Aluminiumzusatzstoffe gleichwertige Korngrößen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Verwendung von Aluminiumhydroxid-distearat als Ersatz fuhr das Linkstearat und Aluminiumoxid ist der Vorteil daß sich eine Erhöhung der Schwelle für "end capping" an der Tablette erbibt (ECT). Diese Schwelle bezeichnet den zur Erzielung einer annehmbaren Tablettenausbeute höchstmöglichen Preßdruck. Direkte Vergleichstests haben gezeigt, daß durch das Aluminiumhydroxid-distearat ein Tablettenpressen zu höheren Gründichteparametern ermöglicht wird, ohne daß es bei der Entnahme der Grüntablette aus dem Werkzeug zu einer störenden Bildung von sogenannten "end capping"-Abplatzungen in Form von Mikrorissen an der Endfläche kommt. Stattdessen werden stabilere Grüntabletten erhalten und somit eine Erhöhung der Produktausbeute erzielt.

BEISPIEL I

In einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine in Abbildung 1 gezeigte Kernbrennstofftablette 10 nach einem Verfahren hergestellt, dessen allgemeine Grundzüge durch das Flußdiagramm in der Abbildung 2 beschrieben werden. Bei dem Verfahren wird ein Stahlbehälter mit 200 kg höchstsinterfähigem Keramikpulver aus Urandioxid, das zu Teilchen mit einer Größe von weniger als 1,6 mm und einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 2000 ppm H&sub2;O/UO&sub2; vorgepreßt und granuliert wurde, wovon etwa 12% aus U&sub3;O&sub8; bestehen, bei der es sich um eine oxidierte Form von Urandioxid handelt, die aus der Aufarbeitung von Tablettenabfall zur Wiederverwendung entstanden ist, mit 400 Gramm Aluminiumhydroxid-distearat entsprechend 0,2 Gewichtsprozent versetzt. Das Aluminiumhydroxid-distearat ist ein Trockenpulvermaterial "technischer Qualität", das normalerweise etwa 19% Gesamtasche, etwa 4,5% freie Fettsäuren und etwa 0,5% Feuchtigkeit enthalt. Von der Teilchengröße her ist es so beschaffen, daß 98% der Teilchen ein Sieb von 74 Mikrometer, 95% ein Sieb von 44 Mikrometer und alle Teilchen ein Sieb von 210 Mikrometer passieren. Die Pulver werden 5-15 Minuten in einem Taumelmischer homogen vermischt.

Als nächstes wird das Pulvergemisch in eine mechanische Tablettiermaschine geladen, in der es je nach den besonderen Eigenschaften des Gemischs mit einer Kraft von 27,58 x 10&sup7; Pa (40.000 psi) und 51,71 x 10&sup7; Pa (75.000 psi) zu Grüntabletten gepreßt wird.

Die Grüntabletten werden auf Bleche geladen und einem Brennofen in einer reduzierenden Atmosphäre mit auf einen Taupunkt von 21-35 Grad Celsius einreguliertem Wasserdampf zugeführt und 2-3 Stunden bei 1700-1780 Grad Celsius gebrannt, wonach sie auf Zimmertemperatur abgekühlt werden. Danach ist der Sintervorgang beendet, und die Tabletten können in anderer Hinsicht weiterverarbeitet werden.

BEISPIEL II

In einem anderen Beispiel des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung sind alle Schritte und Mengen mit Ausnahme des zugegebenen Schmiermittels analog Beispiel I oben. Jetzt ist das Schmiermittel Aluminiumhydroxid-tristearat. Dieses wird in einer Menge von 0,28 Gewichtsprozent zugegeben. Das Aluminiumhydroxid-tristearat muß anteilmäßig in einer größeren Menge zugegeben werden als dies beim Aluminiumhydroxid-distearat notwendig war, da für die Stabilisierung der Korngröße des gesinterten Produkte die Menge an elementarem Aluminium in der Verbindung ausschlaggebend ist. Daher sollte unabhhängig von der Art des Stearatrestes die Menge an zugegebenem Aluminiumstearat auf das Aluminiumelement berechnet werden, das in einer Konzentration von 0,025 bis 0,335 Molprozent (30-250 Mikrogramm Al/Gramm U) bezogen auf das Pulvergemisch vorliegen soll.

Das Aluminiumtristearat besitzt für diese Anwendung hervorragende Schmiereigenschaften. Die Art des Herstellungsverfahren für Aluminiumtristearat ist jedoch zur Zeit so, daß das Produkt gegenwärtig normalerweise nicht ohne einen größeren Anteil an übergroßen Teilchen erhältlich ist. Diese übergroßen Teilchen ergeben zu große Poren in den gesinterten Tabletten, wodurch Fehler entstehen. Es ist jedoch vorstellbar, daß sich das Aluminiumhydroxidtristearat für diesen Zweck eignen würde, falls es in geeigneter Pulverform erhältlich wäre. Seine Schmiereigenschaften sind annehmbar, während die des Aluminiumhydroxid-monostearats ungenügend sind. Höhere Anteile an Aluminiumhydroxid-monostearat führen zu für das Schmierverhalten zu hohen Mengen an Aluminium-Dotierungsstoffen im Verhältnis zu den Stearatresten.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung muß von Verfahren unterschieden werden, bei denen Metalle und/oder Schmiermittel in flüssigem Zustand, wie etwa in einer Aufschlämmung, zugegeben werden. Werden für spaltbares Material Naßverfahren verwendet, so muß den Bedingungen möglicher kritischer Zustände für das Gemisch ernsthaft Beachtung geschenkt werden. Außerdem ist es bei nasser Verarbeitung aufgrund der Sedimentierung und anderer Erscheinungen, durch die die Homogenität einer Suspension beeinträchtigt wird, schwierig, die Konzentrationen der Bestandteile zu regulieren. Beim Trockenvermischen der Verbindungen hingegen erübrigen sich solche Überlegungen fast vollständig, und die anteilsmäßigen Mengen der Bestandteile lassen sich genau regulieren.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung einer Kernbrennstofftablette, umfassend die Schritte:

Zugabe eines Aluminiumstearats in Trockenpulverform zum Brennstoffkeramikpulver;

Vermischen des Aluminiumstearats und des keramischen Brennstoffpulvers unter Bildung eines einheitlichen Gemischs;

Pressen des Gemischs zu grunen Brennstofftabletten, sowie

Sintern der Grüntabletten zum Austreiben des Stearats, wobei das Aluminium als Oxid in den Tabletten zurückbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das zugegebene Aluminiumstearat Aluminiumhydroxid-distearat ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin die Menge an Aluminiumhydroxid-stearat 0,1 bis 0,4 Gewichtsprozent, bezogen auf das Brennstoffkeramikpulver, dem es zugegeben wird, beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die Menge an Aluminiumhydroxid-stearat etwa 0,2 Gewichtsprozent, bezogen auf das Brennstoffkeramikpulver, dem es zugegeben wird, beträgt.







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