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Dokumentenidentifikation DE19532813A1 06.03.1997
Titel Kernbrennstoffsinterkörper, insbesondere Kernbrennstofftablette, und Verfahren zum Herstellen eines Kernbrennstoffsinterkörpers
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Meinl, Rudolf, Dipl.-Phys., 91325 Adelsdorf, DE;
Müller, Roland, Dr., 91341 Röttenbach, DE;
Gradel, Gerhard, Dipl.-Ing., 91301 Forchheim, DE;
Roppelt, Alfons, Dipl.-Phys., 91301 Forchheim, DE
DE-Anmeldedatum 05.09.1995
DE-Aktenzeichen 19532813
Offenlegungstag 06.03.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.03.1997
IPC-Hauptklasse G21C 3/62
IPC-Nebenklasse G21C 7/04   G21C 21/00   
Zusammenfassung Ein Kernbrennstoffsinterkörper mit einer Matrix aus UO2±0.02 oder (U,Pu)O2±0.02 mit eingelagerten Partikeln aus Seltenerdoxid, die 0 bis 60 Gew.-% UO2 enthalten und einen mittleren äquivalenten Kugeldurchmesser von mindestens 50 µm und höchstens 500 µm haben, und mit einer mittleren Korngröße der Matrix im Bereich von 3,5 µm bis 40 µm zeigt in einem Kernreaktor praktisch kein Ausdiffundieren von Seltenerdoxid und gute Wärmeabfuhr, führt jedoch nicht zu hohen konstanten Neutronenverlusten in einem Kernreaktor.
Seltenerdoxid enthaltende Partikel zum Herstellen des Kernbrennstoffsinterkörpers können durch Beschichten von Seltenerdoxid mit UO2 bzw. (U,Pu)O2, Ausfällen und Vermischen gewonnen werden.

Beschreibung[de]

Aus der deutschen Auslegeschrift 2 006 454 ist gesinterter Urandioxid-Kernbrennstoff bekannt, in dem ein abbrennbarer Neutronenabsorber, z. B. Gd&sub2;O&sub3;, in Form von Mikrokugeln mit einem Durchmesser zwischen 10 und 2000 µm gleichmäßig verteilt ist, die mit einem Schutzbelag beschichtet sind. Dieser Schutzbelag soll eine Reaktion des Neutronenabsorbers mit dem Kernbrennstoff verhindern.

Gd&sub2;O&sub3; stellt einen abbrennbaren Neutronenabsorber für thermische Neutronen in einem Kernreaktor dar. Der Verbrauch dieses Neutronenabsorbers erfolgt verhältnismäßig langsam, da die inneren Teile der Mikrokugeln erst im Laufe der Zeit für thermische Neutronen langsam zugänglich werden, wenn die äußeren Teile der Mikrokugeln verbraucht sind. Der Schutzbelag auf den Mikrokugeln besteht beispielsweise aus Molybdän. Die Menge des Gd&sub2;O&sub3; ist so gering, daß sie die Wärmeleitfähigkeit des Kernbrennstoffs nicht beeinflußt.

Durch die gleichmäßige Verteilung der Mikrokugeln in der Matrix des Kernbrennstoffsinterkörpers erfolgt der Verbrauch des Neutronenabsorbers besonders langsam, da die im Innern des Kernbrennstoffsinterkörpers befindlichen Mikrokugeln erst im Laufe der Zeit im Kernreaktor für thermische Neutronen zugänglich werden, wenn die weiter außen im Kernbrennstoffsinterkörper befindlichen Mikrokugeln verbraucht sind.

Der Schutzbelag auf den Mikrokugeln, z. B. aus Molybdän, ist nicht nur in der Herstellung aufwendig, sondern stellt auch einen Neutronenabsorber dar, der nicht abbrennbar ist und während der gesamten Einsatzzeit des Kernbrennstoffs in einem Kernreaktor zu ständigen Verlusten an thermischen Neutronen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Außenbelag, z. B. aus Molybdän, auf den Mikrokugeln, die abbrennbaren Neutronenabsorber enthalten, zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kernbrennstoffsinterkörper entsprechend Patentanspruch 1 gelöst.

Die Körnung in der Matrix aus UO2±0.02 bzw. (U,Pu)UO2±0.02 dieses Sinterkörpers verhindert, daß das Seltenerdoxid aus den eingelagerten Partikeln herausdiffundieren kann, wenn sich der Kernbrennstoffsinterkörper in einem Kernreaktor befindet. Trotzdem sind die Menge und der äquivalente Kugeldurchmesser der in der Matrix aus UO2±0.02 oder (U,Pu)O2±0.02 eingelagerten Partikel aus Seltenerdoxid so groß, daß eine gute Wärmeabfuhr aus dem Kernbrennstoffsinterkörper sichergestellt ist, wenn dieser Kernbrennstoffsinterkörper in einem Kernreaktor angeordnet ist. Der äquivalente Kugeldurchmesser eines Partikels ist der Durchmesser der Kugel, die das gleiche Volumen hat wie das Partikel. Für den mittleren äquivalenten Kugeldurchmesser DK gilt DK = Summe aller äquivalenten Kugeldurchmesser/Anzahl aller äquivalenten Kugeln. Zur "mittleren Korngröße" (lineare Mittelkorngröße) siehe: Werner Schatt "Einführung in die Werkstoffwissenschaft", VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1981, insbesondere Seite 242.

Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4 und 8 bis 10 sind vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Kernbrennstoffsinterkörpers, durch die ein besonders hoher Anfangswert für die Absorption thermischer Neutronen erzielt wird.

Durch die Weiterbildung nach den Patentansprüchen 6, 7, 11 und 12 wird eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit des Kernbrennstoffsinterkörpers erzielt.

Die Weiterbildung nach Patentanspruch 5 bewirkt eine hohe Beständigkeit der Partikel aus Seltenerdoxid in der Matrix des Kernbrennstoffsinterkörpers.

Der erfindungsgemäße Kernbrennstoffsinterkörper wird vorteilhafterweise durch ein Verfahren entsprechend einem der Patentansprüche 13 bis 15 hergestellt.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert:

Partikel aus Gd&sub2;O&sub3; mit mittlerem äquivalenten Kugeldurchmesser von 200 µm bis 250 µm werden mit Propandiol als Adhäsionsmittel besprüht. Sodann werden diese Gd&sub2;O&sub3;-Partikel mit UO&sub2;-Pulver gemischt, dessen UO&sub2;-Partikel einen äquivalenten Kugeldurchmesser von 5 bis 10 µm haben. Diese Mischung wird in einem Drehmischer 10 bis 15 Minuten lang intensiv vermengt. Anschließend wird das nicht an den Gd&sub2;O&sub3;-Partikeln haftende UO&sub2;-Pulver in einem Sieb abgeschüttelt. Die mit UO&sub2;-Partikeln überzogenen Gd&sub2;O&sub3;-Partikel werden sodann in einem Ofen bei einer Temperatur von 1550°C bis 1750°C während drei bis sechs Stunden günstigerweise in einer Argon-, Helium-, Stickstoff-, Kohlendioxid- oder Kohlenmonoxid-Gasatmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck, der höchstens 10-4 atm beträgt, geglüht. Dadurch ergibt sich eine 3 bis 8 µm dicke Oberflächenschicht der Gd&sub2;O&sub3;-Partikel, die zu 50 mol% Gd&sub2;O&sub3; und zu 50 mol% UO&sub2; enthält. Eine Röntgenfeinstrukturanalyse ergibt einen Anteil von monoklinem Gd&sub2;O&sub3; von mindestens 80 Gew.-% in diesen Gd&sub2;O&sub3;-Partikeln.

8 Gew.-% dieser Gd&sub2;O&sub3;-Partikel werden mit 92 Gew.-% UO&sub2;-Pulver gemischt. Dieses UO&sub2;-Pulver kann durch Trockenkonversion hergestellt sein, und seine Partikel haben einen mittleren äquivalenten Kugeldurchmesser von 30 bis 1500 µm. Die Mischung wird zu Preßkörpern gepreßt. Die Preßkörper werden in reduzierender Wasserstoffatmosphäre bei 1750°C fünf Stunden lang gesintert. Die Oberflächenschicht auf den Gd&sub2;O&sub3;-Partikeln verhindert, daß während dieses Sinterns Gadolinium entweicht. Die Wärmeleitfähigkeit der gewonnenen Kernbrennstoffsinterkörper beträgt 0.0275 Watt/cm K bei 600°C. Die mittlere Korngröße der Matrix dieser Kernbrennstoffsinterkörper beträgt 15 µm und der mittlere äquivalente Kugeldurchmesser der in der Matrix eingelagerten Gd&sub2;O&sub3;-Partikel beträgt 230 µm.

Die Seltenerdoxid enthaltenden Partikel können auch erzeugt werden, indem Gd&sub2;O&sub3;-Pulver mit einer Partikelgröße von 1 bis 5 µm mittlerer äquivalenter Kugeldurchmesser mit UO&sub2;-Pulver mit einer Partikelgröße von 15 bis 45 µm mittlerer äquivalenter Kugeldurchmesser in einem Mengenverhältnis von 40 Gew.-% Gd&sub2;O&sub3; zu 60 Gew.-% UO&sub2; in einem Drehmischer innig gemischt werden. Das Gemisch wird sodann in einer Kugelmühle 30 Minuten lang gemahlen und in einem Granulator granuliert. Dieses Granulat wird zu Preßkörpern gepreßt, die bei 1750°C in reduzierender Wasserstoffatmosphäre mit einem Sauerstoffpartialdruck von höchstens 10-6 atm gesintert werden. Die Sinterkörper werden sodann in einem Backenbrecher zerkleinert und in einem 250 µm-Sieb abgesiebt.

Schließlich können die Seltenerdoxid enthaltenden Partikel auch durch Ausfällen aus einer wäßrigen Lösung gewonnen werden. Hierzu werden UO&sub2; und Gd&sub2;O&sub3; getrennt in Salpetersäure gelöst. Die getrennten Lösungen werden miteinander in einem solchen Verhältnis gemischt, daß die Mischlösung 60 Gew.-% Uran und 40 Gew.-% Gadolinium enthält. Der Mischlösung wird sodann Ammoniak oder Ammoniumkarbonat zugeführt. Das ausgefällte Pulver wird abfiltriert, getrocknet, bei 650°C kalziniert und granuliert.

Die nach den beiden letztgenannten Methoden hergestellten, Selteneroxid enthaltenden Partikel enthalten Uran und Gadolinium durchgehend in einem Gewichtsverhältnis, das einem atomaren Verhältnis von 50% zu 50% entspricht. Deshalb sind diese Seltenerdoxid enthaltenden Partikel besonders temperaturstabil. Es wird daher kein Gadolinium freigesetzt, wenn diese Seltenerdoxid enthaltenden Partikel nach Mischen mit UO&sub2;-Pulver und Herstellen von Preßkörpern zu Kernbrennstoffsinterkörpern gesintert werden. Auch geben diese Kernbrennstoffsinterkörper während ihrer Einsatzzeit in einem Kernreaktor kein Gadolinium an die UO&sub2;-Matrix dieser Kernbrennstoffsinterkörper ab. Das bedeutet, daß die durch diese Seltenerdoxid enthaltenden Partikel in den Kernbrennstoffsinterkörpern erzielte gute Wärmeleitfähigkeit auch während des Betriebs im Kernreaktor erhalten bleibt.

Die Kernbrennstoffsinterkörper sind gut zum Einsatz in Leichtwasserreaktoren, also insbesondere Druck- und Siedewasserreaktoren geeignet.


Anspruch[de]
  1. 1. Kernbrennstoffsinterkörper, insbesondere gesinterte Kernbrennstofftablette, mit einer Matrix aus UO2±0.02 oder (U,Pu)O2±0.02 mit eingelagerten Partikeln aus Seltenerdoxid, die 0 bis 60 Gew.-% UO&sub2; enthalten und deren mittlerer äquivalenter Kugeldurchmesser mindestens 50 µm und höchstens 500 µm beträgt, während die mittlere Korngröße der Matrix einen Wert im Bereich von 3.5 µm bis 40 µm hat.
  2. 2. Kernbrennstoffsinterkörper nach Anspruch 1 mit eingelagerten Partikeln, die mindestens 96 Gew.-% Seltenerdoxid enthalten.
  3. 3. Kernbrennstoffsinterkörper nach Anspruch 2 mit eingelagerten Partikeln, die mindestens 99 Gew.-% Seltenerdoxid enthalten.
  4. 4. Kernbrennstoffsinterkörper nach Anspruch 3 mit eingelagerten Partikeln, die mindestens 99.9 Gew.-% Seltenerdoxid enthalten.
  5. 5. Kernbrennstoffsinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit eingelagerten Partikeln, deren Seltenerdoxid zu mindestens 50 Gew.-% monokline Kristallform hat.
  6. 6. Kernbrennstoffsinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit eingelagerten Partikeln aus Seltenerdoxid, deren mittlerer äquivalenter Kugeldurchmesser mindestens 150 µm und höchstens 400 µm beträgt.
  7. 7. Kernbrennstoffsinterkörper nach Anspruch 6 mit eingelagerten Partikeln, deren mittlerer äquivalenter Kugeldurchmesser mindestens 200 µm und höchstens 300 µm beträgt.
  8. 8. Kernbrennstoffsinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Gesamtgehalt an Seltenerdoxid im Bereich von 2 bis 15 Gew.-%.
  9. 9. Kernbrennstoffsinterkörper nach Anspruch 8 mit einem Gesamtgehalt an Seltenerdoxid im Bereich von 2 bis 9 Gew.-%.
  10. 10. Kernbrennstoffsinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit mindestens einem Seltenerdoxid aus der Gruppe Gd&sub2;O&sub3;, Dy&sub2;O&sub3;, Er&sub2;O&sub3; und Eu&sub2;O&sub3;.
  11. 11. Kernbrennstoffsinterkörper nach Anspruch 1 mit einem Wert der mittleren Korngröße der Matrix im Bereich von 12 µm bis 18 µm.
  12. 12. Kernbrennstoffsinterkörper nach Anspruch 1 mit einem Verhältnis vom mittleren äquivalenten Kugeldurchmesser der eingelagerten Partikel zur mittleren Korngröße der Matrix im Bereich von 8 bis 20.
  13. 13. Verfahren zum Herstellen eines Kernbrennstoffsinterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durch Mischen eines UO&sub2;- oder (U, Pu)O&sub2;-Ausgangspulvers mit Seltenerdoxid, insbesondere mindestens einen Seltenerdoxid aus der Gruppe Gadoliniumoxid, Dysprosiumoxid, Erbiumoxid, Europiumoxid und Samariumoxid, enthaltenden Partikeln, durch Pressen der Mischung zu Preßkörpern und anschließendes Sintern dieser Preßkörper dadurch gekennzeichnet, daß die Seltenerdoxid enthaltenden Partikel durch Beschichten von Seltenerdoxid mit mindestens einem Stoff aus der Gruppe UO&sub2; und (U, Pu)O&sub2; gewonnen werden.
  14. 14. Verfahren zum Herstellen eines Kernbrennstoffsinterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durch Mischen eines UO&sub2;- oder (U, Pu)O&sub2;-Ausgangspulvers mit Seltenerdoxid, insbesondere mindestens einen Seltenerdoxid aus der Gruppe Gadoliniumoxid, Dysprosiumoxid, Erbiumoxid, Europiumoxid und Samariumoxid, enthaltenden Partikeln, durch Pressen der Mischung zu Preßkörpern und anschließendes Sintern dieser Preßkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltenerdoxid enthaltenden Partikel durch Mischen von Seltenerdoxid mit mindestens einem Pulver aus der Gruppe UO&sub2;-Pulver und (U, Pu)O&sub2;-Pulver, Mahlen dieser Mischung, Kompaktieren des Mahlguts zu einem Preßkörper, Sintern des Preßkörpers zu einem Sinterkörper und Zerkleinern des Sinterkörpers zu den Seltenerdoxid enthaltenden Partikeln gewonnen werden.
  15. 15. Verfahren zum Herstellen eines Kernbrennstoffsinterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durch Mischen eines UO&sub2;- oder (U, Pu)O&sub2;-Ausgangspulvers mit Seltenerdoxid, insbesondere mindestens ein Seltenerdoxid aus der Gruppe Gadoliniumoxid, Dysprosiumoxid, Erbiumoxid, Europiumoxid und Samariumoxid, enthaltenden Partikeln, durch Pressen der Mischung zu Preßkörpern und anschließendes Sintern dieser Preßkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltenerdoxid enthaltenden Partikel durch Ausfällen eines aus einer wäßrigen Mischlösung eines Seltenerdoxidsalzes und mindestens eines Salzes der Gruppe Uranyl- und Uranyl-Plutonyl-Salz durch Zusetzen mindestens eines der Stoffe Ammoniak und Ammoniumkarbonat, Absondern und Trocknen des Niederschlags, Kalzinieren des getrockneten Niederschlags und Granulieren des Kalzinierungsproduktes gewonnen werden.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Seltenerdoxids vor dem Beschichten mit einem Adhäsionsfilm überzogen wird.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Adhäsionsfilm aus mindestens einem der Stoffe Äthylcellulose, Methylcellulose, Propandiol, Glykol und Glycerin gebildet wird.






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