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Dokumentenidentifikation DE3851903T2 23.02.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0277708
Titel Herstellung von Tabletten.
Anmelder British Nuclear Fuels plc, Risley, Warrington, Cheshire, GB
Erfinder Marshall, Alan, Beckermet Cumbria, GB;
Holburt, Geoffrey Alan, Seascale Cumbria, GB;
Lawrence, Anthony Edward, Workington Cumbria, GB
Vertreter Schwabe, H., Dipl.-Ing.; Sandmair, K., Dipl.-Chem. Dr.jur. Dr.rer.nat.; Marx, L., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 81677 München
DE-Aktenzeichen 3851903
Vertragsstaaten BE, DE, FR, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.01.1988
EP-Aktenzeichen 883002156
EP-Offenlegungsdatum 10.08.1988
EP date of grant 26.10.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1995
IPC-Hauptklasse G21C 3/62
IPC-Nebenklasse C04B 35/00   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Pellets, insbesondere nuklearen Treibstoffpellets, die Urandioxid oder eine Mischung aus Uran- und Plutoniumdioxid enthalten.

Die Herstellung von Pellets umfaßt im Grunde das Pressen von Pulver zu Grünpellets, die dann zur erforderlichen Dichte gesintert werden. Die Pulverbeschickung der Pelletisierpressen muß gute Rieselfähigkeitseigenschaften aufweisen, damit sie leicht und gleichmäßig in die Preßformen rieselt. Um solche guten Schütteigenschaften zu erreichen, ist es eine gängige Praxis, das Pulver entweder mit einer Bindemittel- oder einer bindemittelfreien Technik zu granulieren.

Die Bindemitteltechnik umfaßt die Zugabe eines eigentumsrechtlich geschützten organischen Bindemittels zum Pulver. Das Pulver wird mit Lösungs- und Bindemittel aufgeschlämmt und die Aufschlämmung sprühgetrocknet, um das Lösungsmittel auszutreiben. Dann wird das Granulat entnommen und auf Vibrationssieben klassifiziert. Alternativ kann man das Pulver auch in einem Teigmixer mit Binde- und Lösungsmittel mischen, wobei dieser auch dazu verwendet werden kann, während des Mischvorgangs Lösungsmittel auszutreiben.

In der bindemittelfreien Technik wird das Pulver zu Briketts vorverdichtet. Dann werden diese zerkleinert, gesiebt und konditioniert, um Granulat für den anschließenden Pelletisiervorgang herzustellen.

Der erste Schritt sowohl bei der Bindemittel- als auch der bindemittelfreien Technik kann das Pulverisieren der Pulverbeschickung umfassen, am praktischsten durch Mahlen in einer Kugelmühle. Dieser Schritt dient dazu, das Pulver aufzubrechen, und in Fällen, wo die Beschickung eine Mischung aus verschiedenen Pulvern ist, eine Homogenisierung zu erreichen.

Als Ergebnis weiterer Arbeiten und Studien der bindemittelfreien Technik wurde beobachtet, daß anstatt der üblichen eine rieselfähige Beschickung für die Formpressen zur Verfügung gestellt werden kann.

Eine als das "AUC"-Verfahren bekannte Methode für die Herstellung eines gießbaren UO&sub2; oder UO&sub2;/PuO&sub2;-Mischpulvers, das eine rieselfähige Beschickung ist und direkt gepreßt werden kann, ist im "Journal of Nuclear Materials", Band 106, No. 1/3, April 1982, S. 15 - 33, beschrieben. Das in dieser Veröffentlichung beschriebene Verfahren funktioniert nur mit einem spezifischen Pulver, das ideale spezifische Pulvereigenschaften hat, d. h. "einem gießbaren Pulver mit ausreichender Sinteraktivität", welche sich aus der Verwendung spezifischer Verfahrensbedingungen ergeben. In der Veröffentlichung wird zugegeben, daß aus verschiedenen Gründen ein Mahlschritt notwendig sein kann, ehe das Pulver weiterverarbeitet wird, z. B. um die Sinteraktivität des UO&sub2;- Pulvers zu erhöhen, die Pulvereigenschaften zu verändern, die eine unerwünschte Pelletstruktur verursachen, oder um eine homogene Mischung von Additiven, die Pu, Gd etc. enthalten, zu erreichen. Wo es nötig ist zu mahlen, lehrt die Veröffentlichung, daß anschließend entweder eine Granulierung in Form einer Naßgranulierung oder Vorverdichtung und Trockengranulierung erforderlich ist.

EP-A-0 036 214, die US-A-4,676,935 entspricht, beschreibt ein Verfahren für die Behandlung gemischter UO&sub2; und PuO&sub2;&submin;Pulver für die Herstellung nuklearer Treibstoffpellets, bei dem die Pulver gemahlen werden. In diesem Fall hat das Verfahren jedoch den Zweck, die Löslichkeit der Pellets in Salpetersäure zu erhöhen und erfordert, daß die Pulver auf 2 um gemahlen werden. Dies würde bei der Anwendung auf Plutoniumoxid wegen der Verbreitung der Kontamination und des Problems, die Anlage so anzuordnen, daß eine ausreichende Begrenzung geschaffen werden kann, größte Schwierigkeiten verursachen. Auch wird nach dem Mahlen granuliert, so daß die Herstellung eines rieselfähigen Materials nicht ohne Granulierung nach dem Mahlen folgt.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Verfahren zur Herstellung nuklearer Treibstoffpellets die Herstellung eines rieselfähigen Pulvers durch ein Verfahren, das das Mahlen eines Uranoxid oder eine Mischung aus Uran- und Plutoniumoxid enthaltenden Pulvers umfaßt und bei dem das rieselfähige Pulver zu Grünpellets der erforderlichen Dichte gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Mahlschritt ohne Vorverdichtung und Granulierung des Produkts aus diesem Schritt durchgeführt wird und daß das Produkt des Mahlschritts durch Walzen konditioniert wird, um die Rieselfähigkeit des Pulvers zu gewährleisten, wobei der Konditionierschritt nach dem Mahlschritt erfolgt.

Bei der Erfindung werden die Stufen Vorverdichtung und Granulierung nach dem Mahlen aus dem bestehenden Verfahren zur bindemittelfreien Herstellung von Pellets weggelassen; deshalb kann man dieses Verfahren praktischerweise als "kurzen bindemittelfreien Weg" bezeichnen. Wir haben beobachtet, daß man aus dem Produkt einer Mahlstufe eine rieselfähige Beschickung für die Formpresse zur Verfügung stellen kann, wenn dies nötig ist. Weglassen kann man dabei jedoch die früher eingesetzten Schritte der Vorverdichtung und Granulierung, wodurch Einsparungen an Anlage und Ausrüstung möglich sind.

Im erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Schmiermittel wie Zinkstearat in die Mühle eingeleitet werden, vorzugsweise vor der Einleitung des Pulvers, um eine Verdichtung in der Mühle zu verhindern.

Nachstehend wird die Erfindung anhand folgender Beispiele näher beschrieben, in denen Urandioxidpulver und eine Mischung aus Urandioxid- und Plutoniumdioxidpulver verwendet werden.

Die Eigenschaften von Urandioxid und bei 600ºC gebranntem Plutoniumdioxid, die als Ausgangsmaterialien verwendet werden, sind wie folgt:

UO&sub2; PuO&sub2;

Schwermetallkonzentration 86,94% U 87,95% Pu

Spezifische Oberfläche m²/g 2,2 9,4

Klopfdichte g/cc 1,79 2,58

Schüttdichte g/cc 0,93

Tests wurden mit UO&sub2;-Pulver allein und mit einer Mischung aus 96% UO&sub2;- und 4% PuO&sub2;-Pulver jeweils mit und ohne die Vorverdichtungs- und Granulierungsstufen durchgeführt.

Die Pulverisierung durch Mahlen in der Kugelmühle kann in einer Polypropylenwalzenmühle unter Verwendung gehärteter Stahlkugeln bei einem Gewichtsverhältnis zwischen Kugeln und Beschickung von 6 zu 1 erfolgen. Die Kugeln hatten einen Durchmesser von 6 bis 19 mm. Vorzugsweise wurde die Mühle in kurzen Zeitspannen von etwa einer Minute betrieben, wobei vor der eigentlichen Beschickung ungefähr 0,1% Zinkstearat eingebracht wurde.

Wenn eine Vorverdichtung erfolgte, geschah dies in einer 25 mm-Form, die auf eine 10 Tonnen-Hydraulikpresse aufgebracht wurde. Der Vorverdichtungsdruck wurde so eingestellt, daß sich eine Vorpreßdichte von etwa 4,5 g/cc ergab. Die vorverdichteten Preßlinge wurden gebrochen und durch ein Sieb aus rostfreiem Stahl granuliert.

Die Konditionierung kann durch Walzen von entweder Pulver oder Granulat in einem Zylinder erreicht werden. Der Einfachheit halber kann man nach dem Konditionieren ungefähr 0,2% Zinkstearat zugeben, das als Schmiermittel für den anschließenden Pelletisiervorgang dient.

Grünpellets wurden hydraulisch in eine Form von 9,9 mm Durchmesser gepreßt. An den bei verschiedenen Drücken im Bereich von 2,36 bis 6,30 Te/cm² gepreßten Pellets wurden die geometrischen Dichten der Grünpellets gemessen.

Grünpellets können in einer 4,6%igen H&sub2;-Ar-Atmosphäre bei einem Chargenbetrieb des Ofens bei einer maximalen Temperatur von 1650ºC gesintert werden. Die Heizgeschwindigkeit betrug 200ºC/h und die normale Sinterzeit bei Maximaltemperatur 6 Stunden.

UO&sub2;-Pulver aus der Mahlstufe wurde in zwei Chargen aufgeteilt, von denen die erste durch das normale bindemittelfreie Verfahren mit Vorverdichtung und Granulierung und die zweite durch das kurze bindemittelfreie Verfahren verarbeitet wurde. Einen Vergleich der Dichten der Grünpellets und der gesinterten Pellets zeigt die folgende Tabelle:

Geometrische Dichte der Grünpellets g/cc
Pelletisierdruck Te/cm² Charge 1 Charge 2
Geometrische Dichte gesinterte Pellets g/cc
Pelletisierdruck Te/cm² Charge 1 Charge 2

Ähnliche Vergleiche wurden mit den Chargen 3 bis 6 aus einer Mischung aus 96% UO&sub2;- und 4% PuO&sub2;-Pulver angestellt. Charge 3 und 4 wurden dem vollständigen bindemittelfreien Verfahren und Charge 5 und 6 dem kurzen bindemittelfreien Verfahren unterzogen. Die folgende Tabelle zeigt die Ergebnisse:

Geometrische Dichte Grünpellets g/cc
Pelletisierdruck Te/cm² Charge 3 Charge 4 Charge 5 Charge 6
Geometrische Dichte gesinterte Pellets g/cc
Pelletisierdruck Te/cm² Charge 3 Charge 4 Charge 5 Charge 6

Mit 100% UO&sub2; zeigen die Ergebnisse, daß durch das kurze bindemittelfreie Verfahren Grünpellets und gesinterte Pellets mit etwas höherer Dichte hergestellt werden.

Bei 96% UO&sub2; und 4% PuO&sub2; zeigen die Ergebnisse, daß kein wesentlicher Unterschied zwischen den Dichten der Grünpellets und der gesinterten Pellets besteht, die man durch die zwei Verfahren ohne Bindemittel erhält. Ferner belegen sie die Durchführbarkeit des kurzen bindemittelfreien Verfahrens für die Herstellung von nuklearen Oxidbrennstoffpellets.

Als Alternative zur herkömmlichen Kugelmühle kann auch eine Attritormühle verwendet werden, in der die Kugeln durch einen aufrecht stehenden Zylinder oder eine Trommel mit einem rotierbaren Paddel angetrieben werden. So wurde eine Attritormühle mit einer Beschickung von 18 kg Kugeln aus gehärtetem rostfreiem Stahl bei Geschwindigkeiten von 120 bis 240 upm mit Mahlzeiten zwischen 10 und 30 Minuten betrieben. Die Ergebnisse zeigen, daß 10 Minuten Mahlen in der Attritormühle bei 180 upm ein Pulver mit sehr ähnlicher Klopfdichte und spezifischer Oberfläche wie das ergeben, das durch sechs Stunden Mahlen in der Kugelmühle erhalten wurde.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung nuklearer Treibstoffpellets durch eine bindemittelfreie Technik, bei dem ein rieselfähiges Pulver durch ein das Mahlen eines Uranoxid oder eine Mischung aus Uran- und Plutoniumoxid enthaltenden Pulvers umfassendes Verfahren hergestellt wird und das rieselfähige Pulver zu Grünpellets der erforderlichen Dichte gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Mahlschritt ohne Vorverdichtung und Granulierung des Produkts aus diesem Schritt durchgeführt wird und daß das Produkt des Mahlschritts durch Walzen konditioniert wird, um die Rieselfähigkeit des Pulvers zu gewährleisten, wobei der Konditionierschritt nach dem Mahlschritt erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Mahlschritt in einem Attritor durchgeführt wird, in dem ein Paddel verwendet wird, um die Wirkung der Kugeln zu unterstützen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei der der Mahlschritt in einem Attritor erfolgt, in dem die Kugeln in einem aufrechten Zylinder oder einer Trommel mit einem rotierbaren Paddel angetrieben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Paddel mit einer Geschwindigkeit zwischen 120 und 240 Umdrehungen pro Minute angetrieben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Mahlzeit zwischen 10 und 30 Minuten beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Pulver Uranoxid und Plutoniumoxid umfaßt, die durch Vermischen zusammengegeben werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem während des Mahlschritts ein Schmiermittel verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Schmiermittel Zinkstearat ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Schmiermittel dem Pulver nach dem Konditionierschritt zugesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das nach der Konditionierung zugesetzte Schmiermittel Zinkstearat ist.







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