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DE2314561A1 - Verfahren und vorrichtung zum verdichten von keramischen tabletten fuer kernreaktoren - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum verdichten von keramischen tabletten fuer kernreaktoren

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DE2314561A1
DE2314561A1 DE19732314561 DE2314561A DE2314561A1 DE 2314561 A1 DE2314561 A1 DE 2314561A1 DE 19732314561 DE19732314561 DE 19732314561 DE 2314561 A DE2314561 A DE 2314561A DE 2314561 A1 DE2314561 A1 DE 2314561A1
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DE
Germany
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tablet
compression
compression chamber
wall
tablets
Prior art date
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DE19732314561
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English (en)
Inventor
Alfred-Jean Flipot
Armand Smolders
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CT D ETUDE de l EN NUCLEAIRE
Belgonucleaire SA
Original Assignee
CT D ETUDE de l EN NUCLEAIRE
Belgonucleaire SA
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Publication date
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Description

Patentanme!dung
Anmelder: Firma Belgonucleaira S.A. Centre D'Etude de L1Energie
35, rue des Colonies Nucleaire
Ave. Eugene Plasky, 144
B - 1000 Bruxelles B - 1040 Bruxelles (Belgien) (Belgien)
Verfahren und Vorrichtung zum Verdichten von keramischen Tabletten für Kernreaktoren.
Die Erfindung betrifft Kernbrennstoffe und insbesondere in Kernreaktoren verwendete keramische Brennstofftabletten. Derartige keramische Brennstofftabletten bestehen im allgemeinen aus Uran, Plutonium, Thorium usw. inOxyd-, NLLtriä-, Karbidform usw. ■ · - -■ _ ; Zur Herstellung der Tabletten wird zunächst das entsprechende pulverförmige Material in einer zylindrischen Preßform verdichtet, und dann werden die so verdichteten Tabletten einer Sinterung unterworfen, um diesen die erforderlichen Eigenschaften wie z.B. eine bestimmte mechanische Festigkeit und Dichte 2U verleihen. .
Beim Sinterungsvorgang tritt jedoch eine Schrumpfung des Rohmaterials auf, welche bis zu 50 % des Rohmaterialvolumens ausmachen kann. Bei der Sinterung ändert sich daher die Fertigform der Tablette. Insbesondere v;enn die Dichte der beim Verdichtungsvorgang erhaltenen Rohtablette nicht gleichmäßig homogen ist, erfolgt bei der Sinterung e\ne ungleichmäßige Schrumpfung, die an den weniger dichten Stellen stärker ist.
Die bei der Verdichtung auftretenden Reibungskräfte gestatten nicht in allen Fällen die Herstellung einer Tablette homo-
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gener Dichte. Daher werden die Tabletten im Anschluß an den Sinterungsvorgang einer Rektifikations- oder Schleifbehandlung unterworfen, vermittels welcher die Tablette die gewünschte zylindrische Formgebung erhält. Die von den Kernbrennstoffverbrauchern geforderten Dürchmessertoleranzen für keramische Tabletten sind im allgemeinen sehr eng, so daß die im allgemeinen durch Schleifen erzielte Rektifikation unvermeidlich ist.
Es wurde nun beobachtet, daß die Dichteünterschiede in der bei Verdichtung erhaltenen Rohtablette von der Relativbewegung der Druckstempel in der Verdichtungskammer abhängig sind. Bei Verwendung einer doppeltwirkenden Verdichtungspresse, in welcher die Verdichtung durch gleichzeitige Verlagerung eines unteren und eines oberen Druckstempels erfolgt, weist die Seitenfläche der nach Sinterung erhaltenen allgemein zylindrischen Tablette eine nach innen gekrümmte Formgebung auf, so daß die Tablette allgemein der Formgebung des als "Diabolo" bezeichneten Schleuderkreisels entspricht. Wenn dagegen eine einfachwirkende Tablettiermaschine verwendet wird, in welcher die Verdichtung vermittels eines einzigen beweglichen Druckstempels erfolgt, weist die Tablette nach Sinterung eine kegelstumpfförmige Formgebung auf, wobei die auf der Seite des Druckstempels befindliche größere Grundfläche der Tablette der Fläche des beweglichen Druckstempels entspricht. Um diese Tabletten auf die geforderten Sollmaße zu bringen, müssen daher in beiden Fällen, d.h. bei der Schleuderkreiselform als auch bei der Kegelstumpfform die Tablettenseitenflächen durch Schleifen in eine zylindrische Formgebung gebracht werden.
Um das Auswerfen der verdichteten Tabletten zu erleichtern, wurden auch bereits Verdichtungskammern mit sich leicht verjüngenden Wandungsflächen vorgeschlagen. Die vorgeschlagenen Verjüngungswinkel betragen dabei nicht mehr als 3f (Minuten) und haben außerdem zur Folge, daß die Tablettenform, bei Verwendung von Verdichtungspressen mit zwei beweg-
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lichen Druckstempeln oder einem oberen beweglichen Druckstempel weniger regelmäßig wird.
Durch die Erfindung sollen daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdichten von keramischen Tabletten für Kernreaktoren geschaffen werden, welche die Herstellung von maßhaltigen Tabletten unter Fortfall des seither erforderlichen Rektifikationsschrittes gestatten.
Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren zum Verdichten von keramischen Tabletten für Kernreaktoren in der Verdichtungskammer einer Tablettiermaschine oder dgl. unter Verwendung eines einzigen, in der Verdichtungsphase angetriebenen Druckstempels ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Tablette durch Verlagerung des unteren Druckstempels in der Verdichtungskammer, deren Wandung sich über wenigstens einen Teil ihrer Höhe zu dem unteren Druckstempel hin verjüngt, verdichtet wird.
Die zur Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sich die Wandung der Verdichtungskammer wenigstens teilweise zu dem ■ unteren Druckstempel hin verjüngt, wobei entsprechend einem weiteren Merkmal der zwischen der Längsachse der Verdichtungskammer und der geneigt ausgebildeten Wandung derselben eingeschlossene Winkel zwischen 1° 30' und 61 beträgt.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann die Wandung der Verdichtungskammer über die ganze Höhe der·Verdichtungskammer sich verjüngend ausgebildet oder nur in einem der Höhe einer gepreßten Tablette entsprechenden, von dem unteren Druckstempel äbgewandten Abschnitt sich zu diesem hin verjüngend ausgebildet sein.
Der Verjüngungswinkel ist abhängig von den Verdichtungsbedingungen, dem Tablettendurchmesser und der Beschaffenheit des verdichteten pulverförmigen Ausgangsmaterials. Die
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Verdichtungskammerwandung verjüngt sich vorzugsweise über die ganze Höhe der Verdichtungskammer. Wenn jedoch die zu verdichtende Tablette verhältnismäßig langgestreckt ist und ein verhältnismäßig hohes Verdichtungsverhältnis erreicht wird, kann die Wandung auch aus einem unteren, zylindrisch ausgebildeten Abschnitt und,einem oberen, sich nach unten verjüngenden Abschnitt bestehen. Im allgemeinen ist zur Herstellung maßgenauer Tabletten entsprechend der Erfindung ausreichend, wenn die Wandung der Verdichtungskammer in einem der Höhe- einer gepreßten Tablette entsprechenden Abschnitt sich verjüngend ausgebildet ist. Dieser Abschnitt muß sich natürlich im oberen Wandungsabschnitt befinden.
Eine entsprechend dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung verdichtete Tablette weist daher eine kegelstumpfförmige Formgebung mit einem weniger dichten Bereich an der größeren Kegelstumpfbasis auf. Nach Sinterung nimmt die Tablette innerhalb praktischer Grenzwerte eine zylindrische Formgebung an und braucht daher keinem weiteren Rektifikationsvorgang unterworfen zu werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung werden im nachstehenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Figuren 1 und 3 zeigen die Verdichtung einer keramischen Brennstofftablette nach bekannten Verfahren.
Figuren 2 und 1 zeigen die entsprechend Fig. 1 und 3 erhaltenen Tabletten nach Sinterung.
Fig. 5 veranschaulicht die Verdichtung einer Brennstoff tablette nach der Erfindung.
Fig. 6 zeigt eine entsprechend Fig.. 5 verdichtete. Tablette nach Sinterung.
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In Fig. 1 ist die Verdichtungskammer 1 einer Hydraulikpresne dargestellt, in welcher die Druckstempel 2 und 3 entsprechend den Pfeilen in Richtung der aus UO9 bestehenden Tablette 4 verfahrbar angetrieben sind.
In Fig. 2 ist die Tablette 4 nach der Sinterung dargestellt, wobei aus der Zeichnung die nach innen gekrümmte Verformung der Seitenfläche 5 ersichtlich ist. Zum Einsatz der Tablette ist daher erforderlich, diese durch Abschleifen entsprechend den gestrichelten Linien 6 auf die vorgeschriebenen Sollmaße zu bringen.
In Fig. 3 ist die Verdichtungskammer 11 einer mechanischen Presse dargestellt, in der ein beweglicher oberer Druckstempel 12 während der Verdichtungsphase in Pfeilrichtung verfahrbar ist, während der untere Druckstempel 13 während der Verdichtungsphase seine Lage nicht verändert. Außerdem ist die aus UO9 bestehende Tablette IM- zwischen den beiden Druckstempeln ersichtlich.
Fig. 4- zeigt die Tablette 14 nach Sinterung und deren kegelstumpf förmige Formgebung. Auch diese Tablette muß vor ihrem Einsatz durch Abschleifen entsprechend den gestrichelten Linien 16 auf die vorgeschriebenen Sollmaße gebracht werden.
In Fig. 5 ist die Verdichtung einer aus UO„ bestehenden Tablette gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. In der Verdichtungskammer 21 ist der obere Druckstempel 22 während des Verdichtungsvorgangs feststehend, wohingegen der untere Druckstempel .,2-Z zum Zwecke des Verdichtungsvorgangs in Pfeilrichtung verfahren wird. Die verdichtete Tablette ist mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet. Wie aus dieser Zeichnungsfigur ersichtlich, ist die Wandung der Verdichtung skammer 21 im oberen Abschnitt 2 8 leicht nach außen erweitert, und der Querschnitt des oberen Druckstempels 22 hat eine etwas größere Oberfläche als der des unteren Druck-
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stempeis 23. Der untere Abschnitt 27 der Verdichtungskammerwandung ist zylindrisch. Der Verjüngungswinkel der Verdichtungskammerwandung ist mit α bezeichnet.
Nach Verdichtung weist die verdichtete Tablette 24 eine sich leicht verjüngende Seitenfläche auf. Wenn aufgrund der-bei Verdichtung herrschenden Reibungsverhältnisse die Rohdichte im Abschnitt 30 der Tablette 24, welcher sich bei Verdichtung näher am oberen Druckstempel 22 befindet, kleiner ist als die Rohdichte im unteren, sich bei Verdichtung im. Bereich des unteren Druckstempels 23 befindenden Tablettenabschnitts 31 , erfährt der obere Abschnitt 30 bei der Sinterung eine stärkere Schrumpfung als der untere Tablettenabschnitt 31. Daher weist die Tablette nach Sinterung eine praktisch einwandfreie zylindrische Formgebung auf und braucht daher nicht abgeschliffen zu'werden.
Der zwischen der senkrechten Achse der Preßform und einer mit der sich verjüngenden Tablettenwand am Schnittpunkt bei-.der Linien eingeschlossene Winkel α wird für jeden Herstellungsvorgang in Abhängigkeit von den in Betracht zu ziehenden Parametern wie z.B. der Beschaffenheit des pulvrigen Ausgangsmaterials, dem Tablettendurchmesser, dem Verdichtungsgrad, der Reibung zwischen pulvrigem Ausgangsmaterial und Preßformwänden, der inneren Reibung zwischen den Pulverkörnchen, dem Oberflächenzustand und der Beschaffenheit der Preßformoberflächen, der" Schmierung usw. ermittelt.
Im nachfolgenden sind zur Veranschaulichung zwei Beispiele für das Verdichten von Tabletten beschrieben:
•Beispiel 1
Pulvriges Uranoxid von sinterungsfähiger keramischer Qualität wird in einer Hydraulikpresse mit einem aus Wolframkarbid bestehenden Preßformkern verdichtet. Der pulvrige Ausgangsstoff hat die folgenden Eigenschaften:
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Sauerstoffgehalt : 0/U = 2,08
scheinbare Dichte
(Schüttdichte) : 2,1
Preßdichte : 2,7
Mittlerer Durchmesser
der Körnchen : 1,6 um
Spezifische Oberfläche : 4 m2/g.
Vor dem Verdichtungsvorgang wird das Werkzeug vermittels eines vorgeschalteten Verdichtungsvorgangs mit 3 % Zinkstearat enthaltenden Polystyrolkugeln geschmiert. Der Preßformdurchmesser beträgt 12 mm, und die Verjüngung (Konizität) der Preßformwandung ist gekennzeichnet durch einen Winkel α = 26' 10", was pro cm Höhe einer Halbmesserzunähme von 7 5 pm entspricht.
Die UO -Tablette weist nach einer Verdichtungszeit von 10 Sekunden eine Rohdichte von 5,63 und eine Höhe von 11,9 mm auf. Die Tablette wird anschließend während einer Stunde bei 1650 0C in einer 5 % Wasserstoff enthaltenden Argonatmoophäre gesintert. Die erreichte Dichte beträgt dann 10,47, was 95,5 % des theoretischen Dichte-werts entspricht. Die Höhe der Tablette beträgt nach Sinterung nur noch 9,62 mm, und ihr Durchmesser 9,83 mm. Das Tablettenprofil wird dann mit einem Meßgerät mit einer Meßgenauigkeit von 2 \xm vermessen. Die gemessenen Durchmesserunterschiede der Tablette betragen 12 pm.
Beispiel 2
Pulvriges Uranoxid wird in einer aus Stahl bestehenden Drehpresse verdichtet, welche vermittels eines vorgeschalteten Schmiervorgangs-mit 2 % Zinkbehenat enthaltenden Polystyrolkugeln geschmiert wird. Das Pulver hat folgende Eigenschaften:
Sauerstoffgehalt : 2,07
scheinbare Dichte
(Schüttdichte) : 2,1
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Preßdichte : 2 ,5
mittlerer Durchmesser . ■
der Pulverkörnchen : 0,6 ym
Spezifische Oberfläche: 3 m /g.
Der Preßformdurchmesser beträgt 15 mm, und die Verjüngung der Preßformwände ist gekennzeichnet durch einen Winkel α von 20' 43", was pro cm Höhe einer Halbmesserzunahme von 60 \im entspricht. ,
Die auf eine Dichte von 5,4 verdichtete UO„-Tablette wirddann während 4 Stunden bei 1650 0C in einer 5 % Wasserstoff enthaltenden Argonatmosphäre gesintert. Die dabei erhaltene Tablette hat eine Dichte von.10, 36, was 94,5 % des theoretischen Dichtewerts entspricht. Die DurchmesserSchwankungen dieser Tablette liegen unter 15 μπι.
Bei ansonsten gleichem Herstellungsgang, jedoch Verdichtung in bekannter Weise vermittels einer doppeltwirkenden Preßform entsprechend der Darstellung von Fig. 1 wurden Tabletten von schleuderkegelförmiger Formgebung mit Durchmesserunterschieden von 70 μΐη erhalten.
Aus diesen Beispielen geht die Wirksamkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens klar hervor. Die Durchmesserunterschiede der nach diesem Verfahren hergestellten Tabletten bleiben unterhalb der von den Abnehmern geforderten Durchmessertoleranzen.
Der Rektifikations- oder Schleifvorgang kann daher in Fortfall kommen, wodurch wiederum der Herstellungsvorgang beträchtlich verkürzt wird. Dieser Vorteil fällt besonders dann ins Gewicht, da die Beseitigung, Verwertung oder Wiederverwendung von Schleifabfällen nicht erforderlich ist. Der Fortfall des SchleifVorgangs und damit von Schleifabfällen ist von großem Interesse, wenn die Tabletten aus spaltbaren
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Stoffen hergestellt werden, bei denen für "die Handhabung von Schleifabfällen besondere Vorsxchtsmaßnahmen zutreffend
- Patentansprüche: 309839/1029

Claims (6)

  1. Patent: a. η sprflche
    / 1. j Verfahren zum Verdichtern von keramischen Tabletten für >—* Kernreaktoren in der Verdichtungskammer einer Tablettiermaschine oder dgl. unter Verwendung eines einzigen, in der Verdichtungsphase angetrieben en Druckstempels , dadurch 'gekennzeichnet ,, daß, die Tablette (2^) durch Verlagerung des unteren Druckstempels (23) in der Verdichtungskammer C-21), deren Wandung sich über wenigstens einen Teil ihrer Höhe zu dem unteren Druckstempel C 23) hin verjüngt, verdichtet wird«
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet», <äa£> zur Verdichtung des in die Verdiehtungskammer (21) eingefüllten Materials nur der untere Druckstempel C23)
    in die Kammer verlagert wird« '
  3. 3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder- 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich 4ie Wandung der Verdichtungskammer (21) wenigstens teilweise zu dem unteren Druckstempel C23) hin verjüngt«
  4. 4-. Vorrichtung nach Anspruch 3;, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Längsachse der Verdichtungskammer (21) 'und der geneigt ausgebildeten Wandung derselben " eingeschlossene Winkel Cot) zwischen 1 3:0'' und 6* beträgt.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Λ, dadurch gekenn-
    . zeichnet, daß die Wandung der Verdichtungskammer über die ganze Hohe derselben sich verjüngend ausgebildet ist;
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet» daß die Wandung der Verdichtungskammer nur in einem der Höhe einer gepreßten Tablette (2Ό entsprechenden, von dem'unteren Druckstempel (23) abgewandten Abschnitt sich zu diesem hin verjüngend ausgebildet ist«
    3 09339/1829
DE19732314561 1972-03-24 1973-03-23 Verfahren und vorrichtung zum verdichten von keramischen tabletten fuer kernreaktoren Ceased DE2314561A1 (de)

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