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Dokumentenidentifikation DE69203755T3 26.06.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0502395
Titel Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstofftabletten
Anmelder Nippon Nuclear Fuel Development Co., Ltd., Ibaraki, JP
Erfinder Yuda, Ryoichi, c/o Nippon Nuclear Fuel, Higashi-Ibaraki-gun, Ibaraki-ken, 311-13, JP;
Ito, Kenichi, c/o Nippon Nuclear Fuel, Higashi-Ibaraki-gun, Ibaraki-ken, 311-13, JP;
Masuda, Hiroshi, c/o Nippon Nuclear Fuel, Higashi-Ibaraki-gun, Ibaraki-ken, 311-13, JP
Vertreter HOFFMANN · EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69203755
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.02.1992
EP-Aktenzeichen 921030607
EP-Offenlegungsdatum 09.09.1992
EP date of grant 02.08.1995
EPO date of publication of amended patent 18.12.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.06.2003
IPC-Hauptklasse G21C 3/62
IPC-Nebenklasse C04B 35/51   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kernbrennstoffpellets, die UO&sub2;-Gd&sub2;O&sub3; beinhalten, und insbesondere Kernbrennstoffpellets, die einen zufriedenstellenden Zustand als feste Lösung, grössere Korndurchmesser und eine in den Korngrenzen ausgeschiedene zweite Phase auf weisen.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Was den Kernbrennstoff angeht, mit dem ein Leichtwasser- oder Schneller Brüter-Reaktor beladen werden soll, hat man die Unversehrtheit des Brennstoffs bei der im Reaktor immer beobachteten hohen Abbrandziffer bestätigt. Zur Zeit plant man jedoch die Ausdehnung des Abbrands zu noch höheren Ziffern. Diese Vorhaben führt unvermeidlich zu den folgenden Nachteilen. Insbesondere kommt es zur sogenannten Blasenschwellung infolge der Abscheidung von Spaltgas in den Korngrenzen, d. h. das Volumen der Pellets nimmt infolge der durch die gasförmigen Spaltprodukte in den Pellets gebildeten Blasen sichtbar zu. Die PCI (Pellet-cladding interaction; Pellet-Umhüllung- Wechselwirkung), eine mechanische Wechselwirkung zwischen Pellets und Hülle nimmt somit zu. Ferner steigt der innere Druck des Brennstabs wegen der Freisetzung von Spaltgas aus den Brennstoffpellets. Diese Phänomene können einen nachteiligen Effekt auf die Unversehrtheit des Brennstoffs haben.

Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man die folgenden Techniken ausprobiert. Insbesondere der Bruchteil freigesetzten Spaltgases (das Verhältnis von freigesetztem zu gebildetem Spaltgas) wird bei zunehmendem Durchmesser der Pelletkörner unterdrückt. Dies beruht darauf, dass die Freisetzung des Spaltgases aus den Pellets infolge der Diffusion des Spaltgases in den Körnern einer Geschwindigkeitskontrolle unterliegt. Wenn man jedoch die Durchmesser der Pelletkörner steigert, nimmt die Kriechdehnungsgeschwindigkeit der Pellets ab. Dies führt zu einem nachteiligen Effekt auf die PCI.

Zur Steigerung der Kriechdehnungsgeschwindigkeit von Pellets sind zwei Techniken (japanische Patentanmeldungen Nr. 1-193691 und 2-242195) offenbart worden, in denen ein aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid bestehendes Sintermittel dem Urandioxidpulver beigemischt wird, so dass eine zweite weiche Phase innerhalb der Korngrenzen der Pellets ausgeschieden werden kann. In diesen Techniken betragen die Gesamtmengen der hinzuzufügenden Sintermittel etwa 0,1 bis etwa 0,8 Gew.-%, bzw. etwa 0,05 bis etwa 0,4 Gew.-%.

Es war allgemein bekannt, dass die Sinterfähigkeit einer Oxidmischung von UO&sub2;, und Gd&sub2;O&sub3;, geringer ist als die von reinem UO&sub2;. Wenn man das Sintern ferner unter vorgegebenen Bedingungen ausführt, werden Sinterdichte und Korndurchmesser des gemischten Oxids aus UO&sub2; und Gd&sub2;O&sub3; kleiner als jene im Fall von reinem UO&sub2;. Wenn man das Sintern überdies in strömendem trockenen Wasserstoff durchführt, treten eine grosse Anzahl mikroskopischer Risse in den Pellets auf. Um die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden, führt man im Falle von UO&sub2;, dem Gd&sub2;O&sub3; beigemengt wurde, das Sintern in einer Atmosphäre aus feuchtem Wasserstoff oder in einer Mischgasatmosphäre aus Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid aus. Man führt das Sintern ferner bei einer relativ hohen Temperatur (1700ºC oder höher) durch. Man gehe nun jedoch davon aus, dass man das Sintern in solch einer Atmosphäre durchführt und dass ein Sintermittel, das aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid im oben beschriebenen üblichen Verhältnis besteht, dem gemischten Oxid aus UO&sub2; und Gd&sub2;O&sub3; beigemengt wird. In diesem Fall werden vermutlich wegen der Verdampfung der Siliciumoxide Poren in den Pellets erzeugt, so dass die Dichte der Pellets abnimmt. Da die Dichte der Pellets abnimmt, wird die Wärmeleitfähigkeit der Pellets herabgesetzt. Dies führt zu einer Temperaturzunahme im Brennstoff Zentrum während des Betriebs, so dass die Blasenschwellung und die Freisetzungsgeschwindigkeit des Spaltgases zunehmen. Dies ist von Nachteil für die Leistung der Kernbrennstoffpellets. Ferner wurde auch experimentell bestätigt, dass die Korndurchmesser der Pellets und ihr Zustand als feste Lösung nicht mehr verbessert werden kann, selbst wenn man 500 ppm Sintermittel oder mehr hinzufügt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist dementsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Spaltsubstanz enthaltende Kernbrennstoffpellets bereitzustellen, wobei die Spaltsubstanz UO&sub2;, dem Gd&sub2;O&sub3; hinzugefügt wurde, ist, die Pellets einen zufriedenstellenden Zustand als feste Losung (homogener Zustand), grosse Korndurchmesser, und eine in den Korngrenzen ausgeschiedene zweite Phase beinhalten und noch eine ausreichend hohe Dichte auf weisen.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffpellets bereitgestellt, welches die Schritte des Verdichtens eines Oxidpulvers aus UO&sub2;, dem Gd&sub2;O&sub3; beigemengt wurde, und des Sinterns des verdichteten Oxidpulvers umfaßt. Das Verfahren beinhaltet insbesondere die Schritte des Mischens eines Sintermittels, das aus etwa 40 bis etwa 80 Gew.-% SiO&sub2; und dem Rest Al&sub2;O&sub3; besteht, mit dem oben beschriebenen Oxidpulver, wobei deren Mischverhältnis etwa 10 bis etwa 500 ppm bezüglich der Gesamtmenge aus Oxidpulver und Sintermittel ist; das Pressen des gemischten Oxidpulvers, um grüne Pellets zu erhalten, und das Sintern der grünen Pellets bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1500 bis 1800ºC, um gesinterte Pellets zu erhalten.

KÜRZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine umfassendere Einsicht in die Erfindung und viele der sie begleitenden Vorteile wird man leicht erhalten, da man dieselbe unter dem Hinweis auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den anhängigen Zeichnungen besser versteht. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das ein Verfahren einer erfindungsgemässen Ausführungsform erläutert;

Fig. 2 ein Diagramm, das gemäss einer Ausführungform der vorliegenden Erfindung hergestellte Kernbrennstoffpellets erläutert, wenn man diese unter dem Mikroskop beobachtet; und

Fig. 3 ein Diagramm, das unter Verwendung einer konventionellen Technik, in der kein Sintermittel verwendet wurde, hergestellte Kernbrennstoffpellets erläutert, wie sie unter dem Mikroskop beobachtet werden.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachstehend werden unter Hinweis auf Fig. 1 Herstellungsverfahren gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Zuerst stellte man ein Sintermittel auf folgende Weise her. Typischerweise wurden etwa 40 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; und etwa 60 Gew.-% SiO&sub2; grob gemischt. Die Mischung wurde einem Mischgasstrom aus 8% H/N ausgesetzt, wurde auf etwa 2100ºC erhitzt und dann geschmolzen. Danach kühlte man die Schmelze ab und erhielt homogenes Aluminiumsilicat. Das so erhaltene Aluminiumsilicat wurde dann gemahlen. Als Ergebnis erhielt man ein einheitliches Pulver als Sintermittel. Unter Verwendung dieses Sintermittels stellte man Kernbrennstoffpellets in Übereinstimmung mit den in Fig. 1 gezeigten Verfahren her. Typischerweise mengte man das Sintermittel dem UO&sub2;-Pulver bei und mischte dann das Gd&sub2;O&sub3;-Pulver hinzu. Ferner fügte man, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Schmiermittel (Stearinsäure, Polyethylenglykol und dergleichen) hinzu. Diese Mischung wurde in einer einachsigen Presse verdichtet und man erhielt dann grüne Pellets. Die beigemengte Menge des Sintermittels betrug etwa 30 bis etwa 500 ppm und die hinzugefügte Menge des Gd&sub2;O&sub3;-Pulvers etwa 10 Gew.-%, wobei beide Mengen auf die Gesamtmenge aus UO&sub2;, Gd&sub2;O&sub3; und dem oben beschriebenen Sintermittel bezogen sind. Als nächstes behandelte man die so erhaltenen grünen Pellets in einem Entfettungsverfahren. Danach wurden die grünen Pellets in einer Atmosphäre aus feuchtem Wasserstoff bei etwa 1760ºC 5,6 Stunden lang gesintert. In manchen Fällen können die Verfahrensschritte des Schmiermittelzumischens und Entfettens ausgelassen werden.

Man verglich die Sinterdichte und den mittleren Korndurchmesser der so hergestellten Kernbrennstoffpellets mit jenen von Kernbrennstoffpellets, die unter Verwendung eines Sintermittels in einer Menge von etwa 0,25 Gew.-% erhalten wurden. Die Ergebnisse des Vergleichs sind die folgenden:

Wie man anhand der Vergleichsergebnisse erkennen kann, ist die Sinterdichte der in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform hergestellten Pellets signifikant höher als jene eines Pellets der unter Zusatz von 0,25 Gew.-% Sintermittel hergestellt wurde. Ferner nehmen die Korndurchmesser der Pellets dieser Erfindung ebenfalls zu.

Des Vergleichs wegen zeigen Fig. 2 bzw. Fig. 3 die Mikrostruktur des jeweiligen Kernbrennstoffpellets wie sie unter dem Mikroskop beobachtet wird, nachdem diese poliert und chemisch angeätzt wurden. Fig. 2 zeigt im einzelnen ein UO&sub2;-10 Gew.-% Gd&sub2;O&sub3;-Kernbrennstoffpellet, das erfindungsgemäss 30 ppm Sintermitfcel enthält. Fig. 3 zeigt konventionelles UO&sub2;-10 Gew.-% Gd&sub2;O&sub3; ohne Sintermittel. Wie man anhand der Fig. 2 und 3 erkennen kann, sind in dem Pellet dieser Ausführungsform (Fig. 2) die Anteile der freien UO&sub2;-Phase, die von den schattierten Anteilen (blaue Anteile in der eigentlichen Mikrofotografie) angezeigt werden, viel kleiner (maximal 2 Vol.%) als jene in Fig. 3.

In dieser erfindungsgemässen Ausführungsform verwendete man ein feuchtes Wasserstoffgas als Sinteratmosphäre. Man kann jedoch auch ein Mischgas aus Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid als Sinteratmosphäre verwenden. In dieser Ausführungsform wurden ferner Aluminiumoxid und Siliciumdioxid gemischt und geschmolzen und man erhielt dann Aluminiumsilicat als Sintermittel. Daneben kann man jedoch auch die nur gemischten Pulver aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid als Sintermittel einsetzen.

Wie oben beschrieben, treten bei der Herstellung von Kernbrennstoffpellets in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemässen Herstellungsverfahren eine Reihe von Phänomenen auf folgende Art auf. Das Sintermittel wird insbesondere zur einzigen flüssigen Phase während des Sinterns und GcL wird durch diese flüssige Phase in den gesamten Pellets dispergiert. Die effektiven Zwischendiffusionsabstände zwischen UO&sub2; und Gd&sub2;O&sub3; werden somit kleiner, so dass die Ausbildung einer festen Lösungsphase gefördert wird. Ferner fördert ein Flüssigphasen-Sintermechanismus die Reaktion zwischen den Teilchen, so dass das Kornwachstum gefördert wird. Dieses Kornwachstum steigert den Diffusionsabstand zwischen FP- Gas und Korngrenzen. Die Geschwindigkeit der FP- Gasfreisetzung aus den Pellets nimmt somit ab.

In der vorliegenden Erfindung bestimmt man das Mischverhältnis eines Sintermittels (bestehend aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid) so, dass es etwa 10 bis etwa 500 ppm bezüglich der Gesamtmenge der Kernbrennstoffpellets beträgt. Dies beruht auf der Bestätigung der folgenden Tatsachen. Insbesondere die hinzugefügte Menge des Sintermittels muss minimal 10 ppm betragen um den Zustand als feste Lösung (d. h. um homogene Pellets zu erhalten) zu verbessern, während man die freie UO&sub2;-Phase bei maximal 5% hält. Der korngrössenfordernde Effekt erreicht ferner ein Maximum, wenn die hinzugefügte Menge des Sintermittels etwa 250 ppm beträgt. Wenn überdies die hinzugefügte Menge des Sintermittels 500 ppm übersteigt, ist dies nicht nur unbedeutsam, sondern verringert auch die Pelletdichte. Falls ferner das Sintermittel mehr als 60 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; enthält, nimmt der kornwachstumsfordernde Effekt ab.

Wie oben beschrieben, kann man erfindungsgemäss den Zustand als feste Lösung (d. h. den homogenen Zustand) der Kernbrennstoffpellets verbessern. Man kann ferner die Kriechdehnungseigenschaften von Kernbrennstoffpellets durch die von einer glasartigen Phase erweichten Korngrenzen trotz grosser Korndurchmesser verbessern. Die erfindungsgemäss hergestellten Kernbrennstoffpellets können daher die Geschwindigkeit der FP-Gasfreisetzung verringern und können ebenfalls den PCI-Widerstand verbessern, wodurch man die Ausdehnung des Kernbrennstoffabbrands zu höheren Ziffern hin erreichen kann.

Im Lichte obiger Lehre sind offensichtlich zahlreiche zusätzliche Veränderungen und Abweichungen von der vorliegenden Erfindung möglich. Man soll daher verstehen, dass innerhalb des Bereichs der anhängigen Ansprüche die Erfindung anders ausgeführt werden kann, als hier im einzelnen beschrieben.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffpellets, in denen ein Oxidpulver, das UO&sub2;, dem Gd&sub2;O&sub3; beigemengt wurde, enthält, verdichtet und dann gesintert wird und das besagte Verfahren folgende Schritte beinhaltet:

Herstellen eines Sintermittels mit einer Zusammensetzung, die etwa 40 bis etwa 80 Gew.-% SiO&sub2; und den Rest Al&sub2;O&sub3; beinhaltet;

Mischen von besagtem Sintermittel mit besagtem Oxidpulver, um ein Oxidpulver zu erhalten, das das Sintermittel zu etwa 10 bis etwa 500 ppm, bezüglich der Gesamtmenge des besagten Oxidpulvers und des besagten Sintermittels, enthält;

Verdichten des gemischten Oxidpulvers, um grüne Pellets zu erhalten; und

Sintern der grünen Pellets bei einer Temperatur von etwa 1500 bis 1800ºC, um gesinterte Pellets zu erhalten.

2. Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoffpellets gemäß Anspruch 1, in dem besagte Schritte den Schritt des Mischens von besagtem Sintermittel mit einem UO&sub2;- Pulver, um ein gemischtes Grundpulver zu erhalten, und den Schritt des Mischens eines Gd&sub2;O&sub3;-Pulvers mit besagtem gemischten Grundpulver, beinhalten.







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