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Dokumentenidentifikation DE19546961C2 07.06.2001
Titel Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform
Anmelder Japan Nuclear Cycle Development Institute, Tokai, Ibaraki, JP
Erfinder Takahashi, Yoshiharu, Hitachinaka, Ibaraki, JP;
Kawase, Keiichi, Ibaraki, JP;
Todokoro, Akio, Ibaraki, JP
Vertreter Weber & Heim Patentanwälte, 81479 München
DE-Anmeldedatum 15.12.1995
DE-Aktenzeichen 19546961
Offenlegungstag 04.07.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.06.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.06.2001
IPC-Hauptklasse G21C 3/62
IPC additional class // H05B 6/64  

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform zur Herstellung der Nitrate von Plutonium, Uran, Americium, Neptunium und Curium in granulärer Form, die für die Verwendung als Rohmaterialpulver zur Herstellung nuklearen Brennstoffes geeignet sind.

Bekannte Verfahren zur Wiederaufbereitung abgereicherten nuklearen Brennstoffes und zur Herstellung von Rohmaterialpulver zur Herstellung nuklearen Brennstoffes aus Nitraten von Plutonium, Uran usw. sind Umwandlungsverfahren wie chemische Fällungsmethoden und direkte Denitrierungsmethoden. Chemische Fällungsmethoden schließen die Ammoniak-Copräzipitationsmethode und die Oxalsäure-Präzipitationsmethode ein. Direkte Denitrierungsmethoden schließen die Mikrowellen- Denitrierungsmethode und die Wirbelschichtmethode ein. Da es jedoch bei der Herstellung nuklearer Brennstoffe unvermeidlich ist, solche Gesichtspunkte wie Nichtweiterverbreitung nuklearen Materials und die Leichtigkeit der Umwandlung zu berücksichtigen, wird gewöhnlich die Mikrowellen- Denitrierungsmethode unter den gemischten Umwandlungsprozessen ausgewählt.

Die in derartigen Umwandlungsverfahren hergestellten Pulver (PuO2, UO2) sind jedoch extrem fein und besitzen eine sehr schlechte Fließfähigkeit, was zu Ineffizienz im Herstellungsverfahren, wie niedrigen Ausbeuten, führt. Genauer gesagt, kann die Bildung von Brücken im Inneren des Behälters oder des Trichters während der Handhabung des Pulvers im Schritt der Herstellung von Brennstoffpellets zu Betriebsstörungen führen. Weil das feine Pulver außerdem dazu neigt, aus dem Behälter herauszustäuben, sind periodische Rückgewinnungen des zerstäubten Pulvers und Reparaturarbeiten notwendig.

Da der durch gewöhnliche Herstellungsverfahren hergestellte nukleare Brennstoff in Pulverform, wie oben erklärt, ein feines Pulver ist, verursacht die Handhabung bei der Herstellung von Pellets Probleme wegen der Schwierigkeiten, die verschiedenen Faktoren, wie Pulvereigenschaften, unter Kontrolle zu halten, und es sind Mittel notwendig, um die Erhöhung von Strahlungsunfällen aufgrund zerstäubten Pulvers zu verhindern.

Um die Handhabungseigenschaften nuklearen Brennstoffes in Pulverform, der durch das Mikrowellen-Denitrierungsverfahren hergestellt wurde, zu verbessern, kann eine Granulierung durchgeführt werden, nachdem die Brennstoffspezifikationen des Pulvers zuerst eingestellt worden sind, wobei die Pelletherstellung erfolgt, nachdem kugelförmige Teilchen von beispielsweise einem Durchmesser von etwa 70 µm hergestellt worden sind. Die Fließfähigkeit des Pulvers kann jedoch, selbst wenn ein solcher Schritt durchgeführt wurde, nicht als sehr gut bezeichnet werden, und die Ausbeuten sind wegen solcher Faktoren, wie der Zunahme der Menge zerstäubten Pulvers, niedrig.

Die DE 38 05 063 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoff-Mischoxiden aus einer Nitratlösung. Bei diesem Verfahren wird Uran mit der Wertigkeitsstufe VI durch teilweise elektrolytische Reduktion auf eine mittlere Wertigkeit von 4,4 ± 0,2 gebracht. Es gelingt also, das Uran nicht im festen Zustand, sondern in einem bereits gelösten Zustand zu reduzieren.

Die US 5,391,347 betrifft die Herstellung gesinterter Pellets aus einer abgesetzten Lösung. Mit dem Verfahren ist es möglich, gesinterte Oxidpellets herzustellen, welche verbesserte Eigenschaften aufweisen, insbesondere im Hinblick auf ihre Dichte.

Aus der DE 29 09 858 C2 ist es bekannt, durch das Aufbringen einer Mikrowellenenergie auf eine Nitratlösung die Nitrate direkt in Oxide zu überführen.

Die DE 33 33 652 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Mischoxidpulvern aus entsprechenden Nitratsalzlösungen. Bei dem Verfahren wird eine Nitratsalzlösung bis zu einer Konzentration von 1000 bis 1250 g Schwermetall/l eingedampft und daraufhin auf Keramikkugeln eines Rührbettreaktors aufgesprüht. Anschließend wird das entstehende Pulver zu den herzustellenden Mischoxiden reduziert.

Die DE 24 36 485 A1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von Partikeln für Kernbrennstoffe, bei welchem eine Flüssigkeit in kugelförmige Tröpfchen überführt wird und die Tröpfchen in Partikel umgewandelt werden.

Unter Berücksichtigung der genannten Probleme war es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur effektiven Herstellung eins Granulats zu schaffen, das geeignet ist zur Herstellung eines nuklearen Brennstoffes in Pulverform.

Um die obengenannten Probleme zu lösen, wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines nuklearen Brennstoffes in Pulverform angegeben, welches gekennzeichnet ist durch die Verwendung einer Vorrichtung zum Erzeugen von Flüssigkeitstropfen, welche den Durchmesser der Flüssigkeitstropfen steuert und die Flüssigkeit oder Suspension des nuklearen Brennstoffs in einer erhitzten Atmosphäre atomisiert und die Denitrierung der Flüssigkeit oder der Suspension im atomisierten Stadium durchgeführt wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines nuklearen Brennstoffes in Pulverform dadurch gekennzeichnet, daß die obenbeschriebene Vorrichtung zum Erzeugen von Flüssigkeitstropfen eine Vorrichtung zum Erzeugen monodisperser Flüssigkeitstropfen ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform dadurch gekennzeichnet, daß die obengenannte Vorrichtung zum Erzeugen monodisperser Flüssigkeitstropfen eine Vorrichtung zum Zuführen von Flüssigkeit umfaßt, die flüssigen und suspendierten nuklearen Brennstoff zuführt, eine Vibrationsdruckvorrichtung, die bei einer bestimmten Frequenz einen externen Druck auf die Flüssigkeit oder Suspension, die durch die Flüssigkeitszufuhrvorrichtung zugeführt wurde, ausübt, und eine Öffnung zum Ausstoßen der Flüssigkeit oder Suspension, die dem Vibrationsdruck von der Vibrationsdruckvorrichtung ausgesetzt war, und dadurch, daß durch Einwirken eines externen Druckes bei einer bestimmten Frequenz auf die Flüssigkeit oder Suspension, die durch die genannte Vorrichtung zur Flüssigkeitszufuhr zugeführt wird, der aus der Öffnung ausgestoßene laminare Fluß in einheitliche flüssige Tropfen gebrochen wird, wodurch monodisperse Flüssigkeitstropfen erzeugt werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform, welches einen Aufbau wie den oben beschriebenen Aufbau besitzt, erfolgen Trocknen und Denitrieren mit einer Lösung nuklearen Brennstoffes, die zu Flüssigkeitstropfen umgewandelt wurde. Da die Teilchengröße des so gebildeten nuklearen Brennstoffpulvers von der Größe der flüssigen Tropfen der atomisierten Lösung nuklearen Brennstoffes abhängt, ist es möglich, durch Steuerung des Durchmessers der Flüssigkeitstropfen aus nuklearer Brennstofflösung, die getrocknet und denitriert werden sollen, ein granuläres Pulver zu erzeugen.

In diesem Fall gestattet es die Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Flüssigkeitstropfen, um die Flüssigkeitstropfen zu erzeugen, die Herstellung eines Pulvers mit ausgezeichneten Eigenschaften.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm der bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 2 ist ein Fließdiagramm eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 3 ist ein Vergleich eines Mikrophotos eines nach konventionellen Verfahren erhaltenen Pulvers und eines Mikrophotos eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Pulvers. Dabei ist Fig. 3(A) ein Mikrophoto eines nach einem konventionellen Verfahren erhaltenen Pulvers. Fig. 3(B) ist ein Mikrophoto eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Pulvers.

Fig. 4 ist eine Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren verwirklicht. Das Blockdiagramm zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur Pulverherstellung, die eine Zweistrahldüse verwendet.

Fig. 5 ist ein Graph, der die Verteilung des Teilchendurchmessers von nuklearem Brennstoffpulver zeigt, das unter Verwendung einer Herstellungsvorrichtung mit einer Zweistrahldüse hergestellt wurde.

Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer Vorrichtung zur Herstellung monodisperser Flüssigkeitstropfen zeigt.

Fig. 7 ist ein Graph, der die Verteilung des Teilchendurchmessers von nuklearem Brennstoffpulver zeigt, das hergestellt wurde unter Verwendung einer Herstellungsvorrichtung, die mit einer Vorrichtung zum Erzeugen monodisperser Flüssigkeitstropfen ausgerüstet war.

Fig. 8(A) und (B) sind Mikrophotographien von nuklearem Brennstoffpulver, das unter Verwendung einer Herstellungsvorrichtung hergestellt wurde, welche mit einer Vorrichtung zum erzeugen monodisperser Flüssigkeitstropfen ausgerüstet war.

Fig. 9(A), (B) und (C) sind Mikrophotographien von granulärem Pulver, das nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde.

Fig. 10 (A), (B) und (C) sind Mikrophotographien von granulärem Pulver, das nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wurde.

Fig. 11 ist ein Diagramm, das die Verkürzung des Herstellungsverfahrens erläutert und den Ablauf konventioneller Verfahren mit dem Ablauf einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vergleicht. Spalte (a) in Fig. 11 zeigt den Ablauf eines konventionellen Fällungsverfahrens, Spalte (b) in Fig. 11 zeigt den Verlauf eines Mikrowellenerwärmungs- Denitierungsverfahrens, und Spalte (c) in Fig. 11 zeigt den Verlauf eines Atomisierungs-Pyrolyseverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Verkürzung des Herstellungsverfahrens für Pellets aus nuklearem Brennstoff erläutert und den Verlauf eines konventionellen Verfahrens mit dem Verlauf eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vergleicht. Spalte (a) in Fig. 12 zeigt den Verlauf eines Mikrowellenerhitzungs-Denitrierungsverfahrens und Spalte (b) zeigt den Verlauf eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer idealen Vorrichtung für das Herstellungsverfahren für nuklearen Brennstoff in Pulverform gemäß der Erfindung. Der Verlauf des Herstellungsverfahrens für nuklearen Brennstoff in Pulverform gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in Fig. 2 gezeigt.

In der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird eine Nitratlösung mit Hilfe eines Atomisierers 11 in Flüssigkeitstropfen umgewandelt, und mit einem Hochtemperaturofen 13 wird eine erhitzte Atmosphäre erzeugt. Der Hochtemperaturofen 13 besitzt weiterhin einen Heizabschnitt 13a, in dem die Flüssigkeitstropfen der Nitratlösung getrocknet und denitriert werden. In der Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Nitratlösung durch Atomisierer 11 atomisiert, und die Nitratlösung wird in feine Teilchen umgewandelt (S11). Diese feinen Teilchen der Nitratlösung bilden aufgrund der Oberflächenspannung (S12) Kügelchen und werden zu Flüssigkeitstropfen (Bildung von Flüssigkeitstropfen). Die Flüssigkeitstropfen der Nitratlösung werden in den Hochtemperaturofen (erhitzte Atmosphäre) geleitet (S13), und es findet eine sofortige Trocknung (S14) und Pyrolyse (Denitrierung) (S15) statt, und denitriertes Produkt bildet sich (S16). Das denitrierte Produkt ist ein granuläres Pulver und wird durch Auslaß 15 entladen.

Fig. 3(A) zeigt ein Mikrophoto eines Pulvers, welches durch ein konventionelles Mikrowellen-Direktdenitrierungs-Verfahren erhalten werden kann, und Fig. 3(B) ist ein Mikrophoto eines Pulvers, welches durch das Atomisierungs-Pyrolyseverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhalten werden kann. Die Mikrophotographien zeigen, daß die Anwendung des Verfahrens gemäß der bevorzugten Ausführungsform es ermöglicht, ein granuläres Pulver zu erhalten, und daß weiterhin die Durchmesser der Teilchen diesen granulären Pulvers relativ einheitlich sind. Da granuläres Pulver eine gute Fließfähigkeit hat und keine Brücken bildet, ist sein Handhabung einfach. Wendet man also die Verfahren und Vorrichtungen gemäß der bevorzugten Ausführungsform an, ist es möglich, nukleare Brennstoffpulver herzustellen, die außerordentlich gute Handhabungseigenschaften besitzen. Weiterhin ist es durch Steuerung des Durchmessers der atomisierten Flüssigkeitstropfen möglich, die Größe der granulären Pulverteilchen zu steuern, beispielsweise auf jeden Wert zwischen 5 und 400 µm. Darüber hinaus können auch die physikalischen Eigenschaften der granulären Teilchen gesteuert werden, so daß granuläre Pulver erzeugt werden können, die porös, hohl oder im Kern konzentriert sind. Dieser Punkt wird in Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform erklärt.

Verwendet man das Verfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform, besteht der Vorteil nicht nur darin, daß ausgezeichnete nukleare Brennstoffe in Pulverform erhalten werden können, sondern auch darin, daß das Herstellungsverfahren erleichtert wird (Fig. 11). Beispielsweise wird bei dem konventionellen Ausfällungsverfahren (M. H. Curtis, "Laboratory Studies of Mixed-Oxide Powder Preparation by Continuous Ammonia Precipitation" ARH-470) (Fig. 11, Spalte (a)), die gewünschte Ausfällung erhalten, indem zunächst die Valenz oder die Lösungskonzentration eingeregelt wird (S101), ein Fällungsmittel zugegeben wird (S102), dann Ausfällen, Filtern (S103), Waschen (S104), Trocknen (S105), Denitrieren durch Pyrolyse (Calcinieren, Reduktion: S106) und schließlich Herstellung des Pulverprodukts (S107) erfolgen.

In der Mikrowellenerhitzungs-Denitrierungsmethode (Japanische Patentveröffentlichung Nr. Sho 54-121442) (Fig. 11, Spalte (b)) wird nach der Einstellung der Lösung (S201) eine Denitrierung (Trocknung, Pyrolyse) durchgeführt (S202), das denitrierte Produkt zerkleinert (S203), calciniert und reduziert (S204), das Zerkleinern wird wiederholt (S205) und das Pulverprodukt hergestellt (S206). Das Zerkleinern wird zweimal durchgeführt, während S203 und S205, da die Handhabungseigenschaften des denitrierten Produkts aus dem Mikrowellenerhitzungs-Denitrierungsverfahren schlecht sind und so das Granulieren vor der Umwandlung in das Endprodukt erforderlich machen. Nach dem Atomisierungs- Pyrolyseverfahren gemäß der Erfindung (Fig. 11, Spalte (c)) erlaubt die Atomisierung in erhitzter Atmosphäre nach der Einstellung der Lösung (S301) das unmittelbare Trocknen und Pyrolyse (S302), und durch Durchführen einer Calcinierung und Reduktion während dieses Prozesses kann das Pulverprodukt erhalten werden (S303).

In dem Verfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform (Fig. 11, Spalte (c)) ist das Herstellungsverfahren also sehr viel einfacher, da Trocknung und Pyrolyse unmittelbar durchgeführt werden können, ohne daß eine Valenzeinstellung oder die Zugabe eines Fällungsmittels notwendig wäre, noch die Bildung eines Niederschlags oder Filtrieren und Waschen. Obgleich das Mikrowellenerhitzungs-Denitrierungsverfahren einen Granulierungsschritt beinhaltet, um die Handhabungseigenschaften des hergestellten feinen Pulvers zu verbessern, erfordert das Verfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform, verglichen mit dem Mikrowellenerhitzungs-Denitrierungsverfahren (Fig. 11, Spalte (b)) weiterhin keinen solchen Granulierungsschritt, und so kann das Herstellungsverfahren vereinfacht werden. Weiterhin tritt das Problem einer ungleichmäßigen Erwärmung, die typisch ist für das Mikrowellen-Denitrierungsverfahren, nicht auf, und auch dieser Punkt macht deutlich, daß das Verfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform überlegen ist. Weiterhin stäuben die erhaltenen Teilchen nicht, da sie granuläre Form besitzen, und auch daher ist das Verfahren unter dem Gesichtspunkt der Strahlungskontrolle überlegen.

Fig. 12 zeigt das Herstellungsverfahren für nukleare Brennstoffpellets, eines der Brennstoffelemente. Die Pelletherstellung kann grob in zwei Verfahren aufgeteilt werden: Ein Pulverherstellungsverfahren, gefolgt von einem Brennstoffherstellungsverfahren. Das Pulverherstellungsverfahren, das in Fig. 11 bereits beschrieben wurde, kann vereinfacht werden, indem man das Pyrolyseverfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform anwendet. Das Brennstoffherstellungsverfahren für Pellets gemäß dem Mikrowellen-Denitrierungsverfahren (konventionelles Verfahren) (Fig. 12, Spalte (a)) ist hier wie folgt: Das aus dem Pulverherstellungsverfahren erhaltene denitrierte Pulver wird gewogen (S210); das ausgewogene Produkt wird gemischt (S211); ein Bindungsmittel wird zugesetzt (S212); es wird granuliert (S213); die granulären Teilchen werden klassiert (S214); ein Gleitmittel wird zugesetzt (S215); die Pellets werden hergestellt (S216) und schließlich werden die Pellets gesintert (S217). Es wird deutlich, daß im konventionellen Mikrowellenerhitzungs-Denitrierungsverfahren eine Vorstufe (S210 bis S212) vor dem Granulieren (S213) notwendig ist, und daß eine Klassierung der granulierten Teilchen (S214) ebenfalls nötig ist. Das Atomisierungs-Pyrolyseverfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform (Fig. 12, Spalte (b)) erfordert jedoch im Brennstoffherstellungsverfahren weder Granulierung noch Klassierung. Dagegen erfordert das Herstellungsverfahren für Brennstoffpellets gemäß diesem Verfahren drei Schritte: die unmittelbare Zugabe eines Gleitmittels (S310), die Herstellung (S311) und das Sintern (S312). Dies liegt daran, daß, da das Brennstoffpulver, welches aus dem Atomisierungs-Pyrolyseverfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform erhalten wurde, sich bereits in granulärer Form befindet, und da die Körnchen von einheitlicher Größe sind, sind Granulierung und Klassierung nicht erforderlich. Wird also das Atomisierungs-Pyrolyseverfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform eingesetzt, ermöglicht die Ausschaltung des Granulierungs- und Klassierungsverfahrens ein Brennstoffherstellungsverfahren, das einfacher ist als das des konventionellen Mikrowellenerhitzungs-Denitrierungsverfahrens. Im Hinblick auf einen Zweischicht-Brennstoff, ein weiteres Brennelement, ist die Herstellung möglich, indem das Rohmaterialpulver, welches aus dem Pulverherstellungsverfahren der Atomisierungs-Pyrolysemethode gemäß der bevorzugten Ausführungsform erhalten wurde, direkt vibrationszuschichten (S313). Wird das Atomisierungs-Pyrolyseverfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform angewendet, ist es auf diese Weise nicht nur möglich, das Pulverherstellungsverfahren, sondern auch das Brennstoffherstellungsverfahren zu vereinfachen.

Ein weiteres charakteristisches Merkmal der bevorzugten Ausführungsform ist die Bildung von Flüssigkeitstropfen, die unter Verwendung beispielsweise einer Zweistrahldüse durchgeführt werden kann. Wie in Fig. 4 gezeigt, werden, wenn eine Zweistrahldüse 17 verwendet wird, unverdünnte Lösung und das Stickstoffgas zum Atomisieren der Düse 17 gleichzeitig zugeführt, von der die unverdünnte Lösung atomisiert wird. Die unverdünnte Lösung wird der Zweistrahldüse 17 von Behälter 19 für unverdünnte Lösung mit Hilfe einer Pumpe 18 durch Leitung 27 zugeführt. Der Durchmesser der Flüssigkeitstropfen, die von der Zweistrahldüse 17 atomisiert werden sollen, kann durch Veränderung des Drucks und der Menge an Stickstoffgas, das bei der Atomisierung verwendet wird, und des Durchsatzes der Pumpe 18 leicht gesteuert werden. Stickstoffgas zum Atomisieren wird Düse 17 über Zuleitung 16 zugeführt.

Die von Düse 17 atomisierte nukleare Brennstofflösung passiert Heizvorrichtung 21 und wird in dem Verfahren in Atomisierungsreaktor 20 zu granulärem Pulver umgewandelt. Zum Kühlen des Pulvers kann verdünntes Stickstoffgas durch Leitung 29 zugeführt werden. Das granuläre Pulver 28 bewegt sich zusammen mit dem atomisierenden Stickstoffgas in Richtung einer Pulversammelmaschine 23, wo das Pulver gesammelt und mit einer Vorrichtung zum Pulverisolieren 25 gewonnen wird. Das Stickstoff-Atomisierungsgas bewegt sich durch die Pulversammelmaschine 23 und wird über eine Kühlvorrichtung 26 herausgepumpt, wobei ein Teil des Abgases zu der Zweistrahldüse 17 zum Recyceln zurückgeführt wird (nicht gezeigt). Kühlvorrichtung 26 ist mit einem Einlaß 26a und einem Auslaß 26b für Kühlwasser versehen. Abgas wird über Absaugvorrichtung 14 und Filter 14a zu einem Abzug geleitet.

Fig. 5 ist ein Histogramm, das die Verteilung des Teilchendurchmessers der granulären Teilchen, die mit Hilfe einer solchen Zweistrahldüse erhalten wurden, zeigt.

Diese Ergebnisse machen deutlich, daß, wenn das Verfahren der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, ein ausgezeichneter nuklearer Brennstoff in Pulverform mit gleichmäßigen Teilchendurchmessern hergestellt werden kann.

Neben der Verwendung einer atomisierenden Zweistrahldüse kann granuläres Pulver auch mit Hilfe einer Vorrichtung zum Erzeugen einzelner Flüssigkeitstropfen (Vorrichtung um Erzeugen monodisperser Flüssigkeitstropfen) erhalten werden. Wird eine Vorrichtung zum Erzeugen einzelner Flüssigkeitstropfen verwendet, können Körnchen erhalten werden, die selbst denen, die, wie oben beschrieben, unter Verwendung einer Zweistrahldüse hergestellt wurden, überlegen sind.

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform mit einer Vorrichtung 30 zum Erzeugen einzelner Flüssigkeitstropfen, die eine Atomisierungsdüse 31 umfaßt, einen elektrischen Signalgeber 33, der mit einer bestimmten Frequenz an die Atomisierungsdüse 31 Taktsignale aussendet, und eine Zufuhrvorrichtung 35. Die Vorrichtung zum Erzeugen einzelner Flüssigkeitstropfen arbeitet nach demselben Prinzip wie üblicherweise verwendete Tintenstrahldrucker. Die Atomisierungsdüse 31 ist mit einem Flüssigkeitstank mit piezoelektrischen Kristallen an beiden Seiten ausgestattet, einer Öffnung zum Ausstoßen der Lösung und einem Halter. Die piezoelektrischen Kristalle ziehen sich bei Empfang eines elektrischen Signals von dem elektrischen Signalgeber 33 zusammen, wobei etwas von der Lösung im Inneren des Flüssigkeitstanks ausgestoßen wird, aus der Öffnung austritt und von dort in das Zentralrohr 32 des Ofens 34 gelangt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Zufuhrvorrichtung 35 unter Verwendung einer Injektionspumpe konstruiert.

Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung zum Erzeugen einzelner Flüssigkeitstropfen kann die Lösung, die aus der Zufuhrvorrichtung 35 zugeführt wird, gemäß dem Signal von der Signalgebungsvorrichtung 33 gesteuert werden, so daß einzelne Flüssigkeitstropfen einer bestimmten Größe ausgestoßen werden. In anderen Worten unterscheiden sich die Flüssigkeitstropfen, die von der Düse 31 in Richtung auf die Heizvorrichtung ausgestoßen werden, von denen der Zweistrahldüse dadurch, daß sie einzelne Flüssigkeitstropfen einer bestimmten Größe sind.

Fig. 7 ist ein Histogramm, das die Verteilung der Teilchengröße von granulären Teilchen zeigt, die mit Hilfe einer Vorrichtung zum Erzeugen einzelner Flüssigkeitstropfen erzeugt wurden.

Diese Ergebnisse zeigen, daß, wenn eine Vorrichtung zur Erzeugung einzelner Flüssigkeitstropfen verwendet wird, verglichen zur Herstellung von Teilchen unter Verwendung einer Zweistrahldüse, eine engere Verteilung des Teilchendurchmessers und gleichmäßigere Teilchendurchmesser erhalten werden. Da die Teilchendurchmesser größer sind als die mit einer Zweistrahldüse erhältlichen, können weiterhin Teilchenpulver mit besseren Handhabungseigenschaften erhalten werden, wenn eine Vorrichtung zum Erzeugen einzelner Flüssigkeitstropfen verwendet wird.

Photographien von Pulvern, die tatsächlich unter Verwendung einer Vorrichtung zum Erzeugen einzelner Flüssigkeitstropfen erhalten wurden, sind in Fig. 8 gezeigt. Fig. 8(A) ist auf einen Maßstab von 10 × 10 vergrößert, und Fig. 8(B) ist auf einen Maßstab von 10 × 20 vergrößert. Aus den Photographien kann entnommen werden, daß das nukleare Brennstoffpulver aus kugelförmigen Teilchen (d. h., Granulat) besteht und daß die Teilchendurchmesser einheitlich sind. Solche granulären Teilchen besitzen ausgezeichnete Handhabungseigenschaften.

Das Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform gemäß dieser Erfindung kann auf alle nuklearen Brennstoffelemente angewendet werden, einschließlich Plutonium (Pu), Uran (U), Thorium (Th), Neptunium (Np), Americium (Am) und Curium (Cm).

Verbindungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform atomisiert werden können, schließen wässrige Lösungen von Nitraten von nuklearen Brennstoffelementen ein, wie Pu(NO3)4,



UO2(NO3)3 × 6H2O, Np(NO3)4,



Th(NO3)4 und Am(NO3)3, als auch Suspensionen von Niederschlägen, wie Pu(OH)4, (NH4)2U2O7, Np(OH)4 und Am(OH)4.

Aus Nitratlösungen nuklearer Brennelemente hergestellte Produkte sind im allgemeinen Oxide wie PuO2, UO2, UO3, ThO2, NpO2, Np2O5, CmO2 und AmO3.Neben diesen Oxiden können granuläre Pulver jedoch auch aus Nitriden (PuN, AmN) und Carbiden (UC, PuC, AmC usw.) als Produkt der Nitratlösung durch Modifizieren von Reaktionstemperatur, Gas, Druck usw. hergestellt werden.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern.

In den folgenden Beispielen wurden granuläre Pulver aus Ceriumnitrat (pseudonukleares Element) und Uranylnitrat, hergestellt.

Beispiel 1

In einer Ceriumnitratlösung (Lanthanidenreihe) mit einer Nitratkonzentration von 0.1 N bis 3 N wurden die Ceriumkonzentration (10 g/l bis 400 g/l) und die Pyrolysetemperatur (600°C bis 900°C) als Parameter eingestellt. Die Atomisierungsbedingungen waren wie folgt: Geschwindigkeit der Atomisiererzufuhr: 20 ccm/min. Durchfluß des Atomisierergases: 20 l/min. Als Ergebnis der Atomisierung der Lösung in den elektrischen Ofen wurden hohle oder kernkonzentrierte denitrierte granuläre Pulver von 5 µm bis 10 µm erhalten.

Fig. 9(A) bis (C) und Fig. 10(A) bis (C) sind Mikrophotographien dieses Experiments. Diesen Mikrophotographien kann entnommen werden, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung nuklearen Brennstoffpulvers zu Pulvern führt, die einheitlich granulär sind. Darüber hinaus können durch Einstellen der verschiedenen Parameter, wie der Metallkonzentration, der Pyrolysetemperatur, der Atomisierungsbedingungen usw., die Größe und die Eigenschaften der erhaltenen granulären Teilchen gesteuert werden, und es können poröse, hohle oder kernkonzentrierte granuläre Pulver wie gewünscht hergestellt werden.

Beispiel 2

Die Nitratkonzentration (0,1 N bis 3 N) einer Ceriumnitratlösung (Lanthanidenreihe) wurde mit der Ceriumkonzentration (50 g/l bis 200 g/l) und der Pyrolysetemperatur (800°C bis 1000°C) als Parameter eingestellt. Die Atomisierungsbedingungen waren wie folgt: Geschwindigkeit der Atomisiererzufuhr: 60 ccm/h, Vibrationsfrequenz: 50 Hz, Öffnungsdurchmesser: 50 µm. Als Ergebnis der Atomisierung der Lösung in den elektrischen Ofen wurden hohle oder kernkonzentrierte denitrierte granuläre Pulver mit Durchmessern überwiegend bei etwa 80 µm mit einer engen Verteilung erhalten.

Beispiel 3

Die Nitratkonzentration (0,1 N bis 3 N) einer Uranylnitratlösung (Actinidenreihe) wurde mit der Urankonzentration (50 g/l bis 200 g/l) und der Pyrolysetemperatur (800°C bis 100°C) als Parameter eingestellt. Die Atomisierungsbedingungen waren wie folgt: Geschwindigkeit der Atomisiererzufuhr: 20 ccm/min. Durchfluß des Atomisierergases: 20 l/min. Als Ergebnis der Atomisierung der Lösung in den elektrischen Ofen wurden hohle oder kernkonzentrierte denitrierte granuläre Pulver von 5 µm bis 10 µm erhalten.

Beispiel 4

Die Nitratkonzentration (0,1 N bis 3 N) einer Uranylnitratlösung (Actinidenreihe) wurde mit der Urankonzentration (50 g/l bis 200 g/l) und der Pyrolysetemperatur (800°C bis 1000°C) als Parameter eingestellt. Die Atomisierungsbedingungen waren wie folgt: Geschwindigkeit der Atomisiererzufuhr: 60 ccm/h, Vibrationsfrequenz: 50 Hz bis 100 Hz, Öffnungsdurchmesser: 20 µm bis 50 µm. Als Ergebnis der Atomisierung der Lösung in den elektrischen Ofen wurden hohle oder kernkonzentrierte denitrierte granuläre Pulver mit Durchmessern, die um 50 µm bis 100 µm konzentriert waren, mit einer engen Verteilung erhalten.

Beispiel 5

Uranylnitrat (Actinidenreihe) wurde mit einer Ceriumnitratlösung (Lanthanidenreihe) in einem Verhältnis Ce/U = 1/10 gemischt, mit einer Nitratkonzentration von 1 N und Ce + U = 100 g/l und einer Pyrolysetemperatur von 900°C. Die Atomisierungsbedingungen waren wie folgt: Geschwindigkeit der Atomisiererzufuhr: 20 ccm/min. Durchfluß des Atomisierergases: 20 l/min. Als Ergebnis der Atomisierung der Lösung in den elektrischen Ofen wurde ein denitriertes granuläres Pulver von ungefähr 10 µm erhalten.

Beispiel 6

Uranylnitrat (Actinidenreihe) wurde mit einer Lösung von Ceriumnitrat (Lanthanidenreihe) in einem Verhältnis von Ce/U = 1/10 gemischt, mit einer Nitratkonzentration von 1 N und Ce + U = 100 g/l und einer Pyrolysetemperatur von 1000°C. Die Atomisierungsbedingungen waren wie folgt: Geschwindigkeit der Atomisiererzufuhr: 60 ccm/h, Vibrationsfrequenz: 50 Hz, Öffnungsdurchmesser: 50 µm. Als Resultat der Atomisierung der Lösung in den elektrischen Ofen wurde ein hohles oder kernkonzentriertes denitriertes granuläres Pulver von etwa 80 µm erhalten.

Beispiel 7

Eine durch Neutralisieren von Uranylnitrat (Actinidenreihe) mit Ammoniak erhaltene Suspension wurde gleichmäßig gemischt und einer Pyrolyse bei 900°C unterzogen. Die Atomisierungsbedingungen waren wie folgt: Geschwindigkeit der Atomisiererzufuhr: 20 ccm/min. Durchfluß des Atomisierergases: 20 l/min. Als Ergebnis der Atomisierung der Suspension in einen elektrischen Ofen wurde ein kernkonzentriertes denitriertes granuläres Pulver von etwa 10 µm erhalten.

Die Erfinder verwendeten die nach obigen Beispielen erhaltenen granulären Pulver zur Herstellung von Pellets. Zunächst wurden die in Beispielen 3 bis 5 erhaltenen Pulver zur Herstellung von Pellets mit einem Herstellungsdruck von 2 t/cm2 verwendet. Sintern bei 1650°C ergab Uranpellets mit Dichten von 93% bis 95%, bezogen auf die theoretische Dichte.

Danach wurde das in Beispiel 7 erhaltene Pulver verwendet, um Pellets mit einem Herstellungsdruck von 2 t/cm2 zu erhalten. Sintern bei 1650°C ergab Uranpellets mit Dichten von 91% bis 95%, bezogen auf die theoretische Dichte.

Wie oben besprochen, können unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung nuklearen Brennstoffpulvers granuläre Teilchen mit guten Handhabungseigenschaften erhalten werden. Darüber hinaus können die Eigenschaften der Teilchen in Übereinstimmung mit den Brennstoffspezifikationen leicht gesteuert werden. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Herstellungsverfahren für Brennstoffpellets also wegen der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen granulären Pulver vereinfacht werden, und die Pelletherstellung wird einfacher und ermöglicht höhere Ausbeuten.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform, welches die Schritte umfaßt:
    1. a) Umwandeln von Lösungen oder Suspensionen nuklearen Brennstoffes in Flüssigkeitstropfen unter Steuerung des Durchmessers der Flüssigkeitstropfen in dem Verfahren,
    2. b) Atomisieren der Lösung oder Suspension des nuklearen Brennstoffes, die in Flüssigkeitstropfen überführt worden ist, und
    3. c) Erhitzen der atomisierten Lösung oder Suspension nuklearen Brennstoffes, die in Flüssigkeitstropfen umgewandelt worden ist, und Denitrieren der Lösung oder Suspension nuklearen Brennstoffes in Form flüssiger Tropfen.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform gemäß Anspruch 1,

    worin das Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffpulvers

    dadurch gekennzeichnet ist,

    daß bei dem Schritt des Umwandelns eine Vorrichtung zum Erzeugen monodisperser Flüssigkeitstropfen verwendet wird.
  3. 3. Verfahren zur Herstellung nuklearen Brennstoffes in Pulverform gemäß Anspruch 2,

    worin die Vorrichtung zum Erzeugen monodisperser Flüssigkeitstropfen

    dadurch gekennzeichnet ist,

    daß sie umfaßt:
    1. a) eine Flüssigkeitszufuhr-Vorrichtung, die Lösung oder Suspension nuklearen Brennstoffes zuführt,
    2. b) eine Vibrationsdruckvorrichtung, die auf die Lösung oder Suspension, die durch die Flüssigkeitszufuhr-Vorrichtung zugeführt wird, bei einer bestimmten Frequenz einen externen Druck ausübt,
    3. c) eine Öffnung zum Ausstoßen der Lösung oder Suspension, auf die der Vibrationsdruck aus der Vibrationsdruckvorrichtung eingewirkt hat, und
    4. d) eine Vorrichtung zum Erzeugen monodisperser Flüssigkeitstropfen, die durch Ausüben eines externen Druckes bei einer bestimmten Frequenz auf die Lösung oder Suspension, die von der Flüssigkeitszufuhr-Vorrichtung zugeführt wird, den von der Öffnung ausgestoßenen laminaren Strahl in einheitliche Flüssigkeitstropfen aufbricht und monodisperse Flüssigkeitstropfen erzeugt.






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