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EP 0 081 660 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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20.02.1985 Patentblatt 1985/08 |
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Anmeldetag: 23.10.1982 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC)4: G21F 9/34 |
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Formkörper zur Einbindung von abgebrannten Kernbrennstoffstäben und Verfahren zu seiner
Herstellung
Moulded body for encapsulating spent nuclear fuel elements, and process for manufacturing
this body
Corps moulé pour enrober les éléments combustibles nucléaires épuisés et procédé pour
sa préparation
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Benannte Vertragsstaaten: |
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BE CH DE FR GB LI SE |
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Priorität: |
11.11.1981 DE 3144755
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Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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22.06.1983 Patentblatt 1983/25 |
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Anmelder: |
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- Nukem GmbH
D-63434 Hanau (DE)
- Deutsche Gesellschaft
für Wiederaufarbeitung
von Kernbrennstoffen mbH
30014 Hannover (DE)
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Erfinder: |
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- Hackstein, Karl Gerhard, Dr. Dipl.-Chem.
D-6450 Hanau 1 (DE)
- Hrovat, Milan, Dr. Dipl.-Ing.
D-6458 Rodenbach 2 (DE)
- Huschka, Hans, Dr. Dipl.-Chem.
D-6450 Hanau 9 (DE)
- Rachor, Lothar
D-6450 Hanau 8 (DE)
- Schmidt-Hansberg, Thomas, Dr. Dipl.-Chem.
D-6000 Frankfurt 50 (DE)
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Entgegenhaltungen: :
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft einen zylindrischen oder polygonalen Formkörper aus Graphit
und Nickelsulfid zur sicheren Langzeiteinbindung von abgebrannten Kernbrennstoffstäben
in Originalform oder verformter Gestalt und ein Verfahren zur Herstellung solcher
Formkörper.
[0002] Abgebrannte Brennelemente aus Kernreaktoren müssen nach einer gewissen Zeit der Zwischenlagerung
einer Endbeseitigung zugeführt werden. Weltweit wurden dazu zwei Wege untersucht,
nämlich die Wiederaufarbeitung der Brennelemente mit Rückführung der Brennstoffe in
die Brennelementfertigung sowie Abtrennung und Endlagerung der Spaltprodukte (hochaktiver
Abfall) und alternativ die direkte Endlagerung der abgebrannten Brennelemente. In
jedem Fall entsteht hochaktiver Abfall, der 1 000 Jahre und mehr sicher in geeignete
geologische Formationen eingelagert werden muß.
[0003] Zum sicheren Langzeit-Einschluß solcher abgebrannter Brennelemente sind zahlreiche
Behältertypen vorgeschlagen worden, die die geforderten Bedingungen, wie dichter Einschluß
bei den auftretenden Drücken und Temperaturen oder Korrosionsfestigkeit gegen Salzlaugen,
gut erfüllen. Als Behältermaterial werden vielerlei metallische und nichtmetallische
Werkstoffe verwendet.
[0004] Da Graphit eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit besitzt, ist vorgeschlagen
worden (DE-A-2942092), Behälter mit einer Korrosionsschutzschicht aus Graphit zu versehen.
Da Graphitformkörper der für die Aufnahme eines Brennelementes notwendigen Abmessungen
bisher weder gas- noch flüssigkeitsdicht herzustellen sind, ist eine anschließende
Beschichtung mit Pyrokohlenstoff oder Siliciumkarbid vorgesehen. Nach dem Einfüllen
des Brennelements soll der beschichtete Behälter mit einem gleichermaßen beschichteten
Deckel gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen werden. Hierbei sollen Graphitdichtungen
bzw. geeignete Klebemittel zum Einsatz kommen. Ein wesentlicher Nachteil dieses Behälterkonzepts
ist der ausserordentlich hohe technische Aufwand, der für die Herstellung und Beschichtung
solcher Behälter mit großen Abmessungen notwendig ist. Außerdem lassen sich so große
Formkörper nicht mit den geforderten Qualitätsansprüchen beschichten.
[0005] Es ist auch bekannt, zur Einbindung von radioaktiven und toxischen Abfällen Formkörper
aus einer Ko
hlenstoffmatrix herzustellen (DE-A-2917437), indem man die Abfälle mit einem Gemisch
aus Graphitpulver und e iem Bindemittel bei höheren Temperaturen presst. Als Bindemittel
verwendet man hierbei vorzugsweise Nickelsulfid. Solche Formkörper sind sehr dicht
und besitzen eine gute Korrosions-und Auslaugebeständigkeit, insbesondere gegenüber
Salzlösungen.
[0006] In der DE-A-2818781 wird ein Verfahren zur umweltsicheren Lagerung von abgebrannten
Kernbrennstoffstäben beschrieben, bei dem die Kernbrennstoffstäbe gebogen und die
so erhaltenen Pakete in einen Schutzbehälter untergebracht werden. Vorzugsweise werden
dabei die Kernbrennstoffstäbe U-förmig oder zu einer aufgewickelten Rolle verformt.
Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß man Behälter benötigt und die Wärmeabfuhr von
den Kernbrennstoffstäben nach außen relativ schlecht ist.
[0007] Es ist auch bekannt, die verformten Kernbrennstoffstäbe mit Tonerde und einem dünnen
Stahlmantel isostatisch zu einem Block zu verpressen (Sprechsaai 113 (1980), 753-766),
der endgelagert werden kann. Auch hier ist jedoch das Problem der Wärmeabfuhr nicht
optimal gelöst. Außerdem ist die mechanische Integrität nicht für alle denkbaren Einlagerungsfälle
ausreichend.
[0008] Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zylindrische oder polygonale Formkörper
aus Graphit und Nickelsulfid zur sicheren Langzeit-Einbindung von abgebrannten Kernbrennstoffstäben
in Originalform oder in verformter Gestalt zu schaffen, die eine gute Wärmeabführung
gewährleisten, eine gute Korrosions- und Auslaugebeständigkeit besitzen und eine hohe
mechanische Integrität aufweisen.
[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Formkörper im Kopf- und
Fußbereich Ankerplatten und in kernbrennstoffstabfreien Zonen im Innern parallel zur
Hauptachse des Formkörpers in den Ankerplatten befestigte Metallstäbe enthält.
[0010] Für die Ankerplatten und die Metallstäbe kann man alle üblichen Materialien verwenden,
vorzugsweise benutzt man jedoch Stahl.
[0011] Es ist vorteilhaft, Metallstäbe mit einer makroskopisch rauhen Oberfläche zu verwenden,
um die mechanische Bindung zwischen Graphit/Nickelsulfid-Matrix und den Stäben zu
verbessern.
[0012] Als vorteilhaft hat es sich auch herausgestellt, wenn der Formkörper das Nickelsulfid
überwiegend in Form von Ni
3S
2 enthält. Dadurch wird die Korrosions- und Auslaugebeständigkeit weiter erhöht. Die
Formkörper enthalten im allgemeinen als Matrixwerkstoff 10 bis 75 Gew.-% Graphit und
25-90 Gew.-% Nickelsulfid, vorzugsweise mindestens 80 % davon in Form von Ni
3S
2.
[0013] Die erfindungsgemäßen Formkörper besitzen eine außerordentlich hohe mechanische Integrität,
so daß die durch das Endlager vorgegebenen Anforderungen restlos erfüllt werden.
[0014] Die Herstellung dieser Formkörper erfolgt vorzugsweise dadurch, daß in eine Matrize
zuerst ein Matrixpulver aus Graphit, Nickel und Schwefel, dann eine Ankerplatte mit
daran befestigten Metallstäben, anschließend verformte oder unverformte Kernbrennstoffstäbe
zusammen mit Matrixpulver, eine weitere Ankerplatte mit daran befestigten Metallstäben
und abschließend nochmals Matrixpulver eingebracht und bei Temperaturen oberhalb 100
°C gepresst wird, wobei die Matrix im Bereich der eingelagerten Kernbrennstoffstäbe
vor dem Pressen vorverdichtet wird und die Metallstäbe auf den Ankerplatten nur in
Bereichen angebracht werden, oberhalb bzw. unterhalb derer sich keine Kernbrennstoffstäbe
befinden. Vorteilhafterweise erfolgt das Pressen bei Temperaturen zwischen 400 und
500 °C.
[0015] Die Ankerplatten werden hierbei so eingepresst, daß die Metallstäbe innerhalb der
kernbrennstoffstabfreien Zentral- und Randbereiche bei der Verdichtung aneinander
vorbeigleiten und sich in der aushärtenden Matrix verankern. Dadurch wird die mechanische
Integrität des Formkörpers - insbesondere bei Zug- und Biegebeanspruchung - wesentlich
erhöht, sodaß es möglich ist, die Kernbrennstoffstäbe in beliebiger Form (z. B. gewickelt,
geknickt oder in Originalabmessungen) einzubinden.
[0016] Vorteilhafterweise werden die Kernbrennstoffstäbe zu scheibenförmigen Spiralen verformt,
wobei man einen Zentralbereich von vorzugsweise . 80 mm Durchmesser freiläßt. Bei
der Herstellung dieser Brennstabspiralen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den
Windungsabstand < 6 mm zu halten.
[0017] Die Verdichtungsverhältnisse der Matrix in den kernbrennstoffstabhaltigen und -freien
Bereichen werden so aufeinander abgestimmt, daß die Restberformbarkeit in beiden Bereichen
gleich groß ist. Dadurch gelingt es, eine gleichmäßige integrale Dichte über der gesamten
Formkörperlänge zu erzielen.
[0018] Neben einer Vielzahl von Kernbrennstoffstäben lassen sich mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren vorteilhafterweise auch einzelne Brennstabspiralen in die Graphit-Nickelsulfid-Matrix
einbinden. Solche Scheiben können in einem für die Endlagerung geeigneten Behälter
übereinandergestapelt werden, so daß sie je nach Bedarf leicht rückholbar oder auch
endlagerfähig sind. Zur leichteren Rückholbarkeit können die Scheiben mit einem zentralen
Greifloch versehen sein.
[0019] Neben intakten Kernbrennstoffstäben können auf diese Weise auch kontaminierte Kernbrennstoffstabhüllen
eingebunden werden.
[0020] Die Abbildung 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Formkörper in beispielhafter
Ausführungsform im Längsschnitt, Abbildung 2 einen Kernbrennstoffstab in Spiralform.
[0021] Der Formkörper enthält im Kopfbereich (2) und im Fußbereich (3) je eine Ankerplatte
(1), auf denen Metallstäbe (4) befestigt sind, und zwar nur auf den Bereichen der
Ankerplatten (1), zwischen denen sich beim Pressen des Formkörpers keine Kernbrennstoffstäbe
(5) befinden. Die Kernbrennstoffstäbe (5) werden daher vorzugsweise zu scheibenförmigen
Spiralen (6) mit einem stabfreien Zentrum (7) verformt, sodaß die Metallstäbe (4)
neben dem Außenbereich des Formkörpers auch im Zentrum angeordnet werden können.
[0022] Anhand der folgenden Beispiele sollen die erfindungsgemäßen Formkörper und das erfindungsgemäße
Verfahren näher erläutert werden.
Beispiel 1
[0023] Als Ausgangspulver für die Matrix wurde eine Mischung aus 43,7 Gew.-% feingepulvertem
Naturgraphit, 15 Gew.-% feingemahlenem Schwefel und 41,3 Gew.-% Nickelmetallpulver
durch Trockenmischen hergestellt. Die Kernbrennstoffstäbe hatten einen Innendurchmesser
von 8 mm und waren mit gesinterten U0
2-Pellets mit einer Dichte von 10,4 g/cm
3 gefüllt. Die einzelnen Kernbrennstoffstäbe werden in geeignete Stahlrohre gesteckt
und diese beidseitig dicht verschlossen. Die an einem Ende eingespannten Kernbrennstoffstäbe
wurden mit Hilfe einer hierzu geeigneten Vorrichtung zu Spiralen mit einem maximalen
äußeren Windungsabstand von , 6 mm und einem Durchmesser von ca. 260 mm aufgewickelt.
[0024] Zum Einbinden der Spiralen wurde in eine Stahlmatrize mit 300 mm Durchmesser eine
Schicht aus Matrixpulver eingefüllt, diese kalt vorverdichtet und darauf eine Ankerplatte
mit 5 Metallstäben (3 an der Peripherie, 2 im Innern) gelegt. Auf die Ankerplatte
wurde eine weitere - 10 mm dicke - Matrixpulverschicht aufgebracht. Darauf wurde eine
Kernbrennstoffstabspirale gelegt und dann Matrixpulver in einer Höhe eingefüllt, die
etwa der Schichtdicke einer Kernbrennstoffstabspirale entsprach. Im Zentrum und im
Randbereich der Spirale wurde der Matrixpulvergehalt durch zusätzliche Vorverdichtung
um ca. 30 % angehoben. Zum Aufbau des Formkörpers wurden weitere 39 Spiralen gemäß
dem beschriebenen Arbeitsschritt schichtenweise übereinander angeordnet. Am oberen
Ende der letzten Spirale wurde die zweite Ankerplatte mit versetzt angeordneten Metallstäben
eingesetzt. Oberhalb dieser Ankerplatte wurde weiteres Matrixpulver eingefüllt - äquivalent
der Menge, die zu Beginn des Prozesses unten eingefüllt wurde. Nach dem Erwärmen auf
130 °C erfolgte das Fertigpressen mit einem Preßdruck von 50 MN/m
2. Zur Umsetzung des Schwefel/Nickel-Gemisches zum Ni
3S
2 wurde die Temperatur bei anhaltenden Druck auf 450 °C angehoben. Nach dem Abkühlen
auf 300 °C wurde der Formkörper ausgestoßen.
[0025] Der fertiggepreßte Formkörper hatte folgende Eigenschaft :
0 = 300 mm
H = 760 mm
Matrixdichte : 3,3 g/cm3
Dichte : 97 % der theoretischen Dichte
Wärmeleitfähigkeit: 0,8 W/cm - K
Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient: 9,2 mm/m - K
Druckfestigkeit: 107 MN/m2
Beispiel 2
[0026] Die Matrixpulverherstellung erfolgte analog dem Beispiel 1. Etwa 5 m lange eingekapselte
Kernbrennstoffstäbe wurden 20mal geknickt, so daß die Breite bei einer Höhe von 450
mm-250 mm betrug.
[0027] Das Einbinden der geknickten Brennstäbe erfolgte in einer Vierkantmatrize. Nach dem
Einfüllen der ersten Matrixpulverschicht und der Ankerplatte mit 2 außenliegenden
Metallstäben wurden 6 geknickte Kernbrennstoffstäbe angeordnet und der Zwischenraum
mit Matrixpulver ausgefüllt. Nach dem Einbringen der zweiten Ankerplatte mit versetzt
angeordneten Metallstäben wurde diese mit Matrixpulver überschichtet - äquivalent
zu der Menge, die zu Beginn des Prozesses unten eingefüllt wurde.
[0028] Die Pressung erfolgte wie in Beispiel 1.
[0029] Die Matrixeigenschaften des fertiggepreßten Formkörpers stimmen mit den Eigenschaften
des in Beispiel 1 beschriebenen Formkörpers überein.
1. Zylindrischer oder polygonaler Formkörper aus Graphit und Nickelsulfid zur sicheren
Langzeit- Einbindung von abgebrannten Kernbrennstoffstäben in Originalform oder in
verformter Gestalt, dadurch gekennzeichnet, daß er im Kopf- (2) und im Fußbereich
(3) Ankerplatten (1) und in kernbrennstoffstabfreien Zonen im Innern parallel zur
Hauptachse des Formkörpers in den Ankerplatten (1) befestigte Metallstäbe (4) enthält.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstäbe (4) eine
makroskopisch rauhe Oberfläche besitzen.
3. Formkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er das Nickelsulfid
in Form von Ni3S2 enthält.
4. Formkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennstoffstäbe
(5) zu scheibenförmigen Spiralen (6) verformt sind, die einen kernbrennstoffstabfreien
Zentralbereich (7) mit einem Durchmesser von -- 80 mm besitzen.
5. Formkörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Windungsabstand
der scheibenförmigen Spirale (6) -- 6 mm beträgt.
6. Formkörper nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er nur eine scheibenförmige
Spirale (6) eines Kernbrennstoffstabes (5) enthält.
7. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach den Ansprüchen 1 bis 6, durch
Pressen eines Gemisches aus Graphit, Nickel und Schwefel, in dem Kernbrennstoffstäbe
eingebettet sind, in einer Matrize bei Temperaturen oberhalb 100 °C, dadurch gekennzeichnet,
daß in die Matrize zuerst ein Matrixpulver aus Graphit, Nickel und Schwefel, dann
eine Ankerplatte mit daran befestigten Metallstäben, anschließend die Kernbrennstoffstäbe
zusammen mit Matrixpulver, eine weitere Ankerplatte mit daran befestigten Metallstäben
und abschließend nochmals Matrixpulver eingebracht und gepresst wird, wobei das Matrixpulver
im Bereich der eingebetteten Kernbrennstoffstäbe vorverdichtet wird und die Metallstäbe
auf den Ankerplatten nur in Bereichen angebracht werden, ober- bzw. unterhalb derer
sich keine Kernbrennstoffstäbe in der Matrix befinden.
8. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Fertigpressen Temperaturen von 400 bis 500 °C angewendet werden.
1. A cylindrical or polygonal moulding of graphite and nickel sulphide for the safe
long-term containment of spent nuclear fuel rods in the original form or in a shaped
form thereof, characterised in that it contains anchoring plates (1) in the top- (2)
and bottom-region (3) and contains metal rods (4) which are fixed in the anchoring
plates (1) in the nuclear fuel rod-free zones in the interior parallel to the main
axis of the moulding.
2. A moulding according to claim 1, characterised in that the metal rods (4) have
a macroscopically rough surface.
3. A moulding according to claims 1 and 2, characterised in that it contains nickel
sulphide in the form of Ni3S2'
4. A moulding according to claims 1 to 3, characterised in that the nuclear fuel rods
(5) are shaped to produce discoid spirals (6) which have a nuclear fuel rod-free central
area (7) with a diameter of , 80 mm.
5. A moulding according to claims 1 to 4, characterised in that the winding spacing
of the discoid spirals (6) is _ 6 mm.
6. A moulding according to claims 1 to 5, characterised in that it contains only one
discoid spiral (6) of a nuclear fuel rod (5).
7. A process for the production of a moulding according to claims 1 to 6 by pressing
a mixture of graphite, nickel and sulphur, in which the nuclear fuel rods are embedded,
into a mould at a temperature above 100 °C, characterised in that there is firstly
introduced and pressed into the mould a matrix powder of graphite, nickel and sulphur,
then an anchoring plate with metal rods fixed thereto, then the nuclear fuel rods
together with matrix powder, a further anchoring plate with metal rods fixed thereto
and finally further matrix powder, the matrix powder being precompressed in the area
of the embedded nuclear fuel rods and the metal rods being attached to the anchoring
plates only in regions above and below which there are no nuclear fuel rods in the
matrix.
8. A process for the production of a moulding according to claim 7, characterised
in that the moulding is pressed to completion at a temperature of from 400 to 500
°C.
1. Corps moulé cylindrique ou polygonal en graphite et sulfure de nickel pour fixer
en toute sécurité pour une longue durée des barres de combustibles nucléaires consumées,
dans leur forme originale ou après les avoir conformées, corps caractérisé en ce qu'il
contient, dans les zones de tête (2) et de pied (3), des plaques d'ancrage (1), et
dans les zones exemptes de barres de combustible nucléaire, à l'intérieur, des tiges
métalliques (4), fixées dans les plaques d'ancrage (1), parallèlement à l'axe principal
du corps moulé.
2. Pièce moulée suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les tiges métalliques
(4) présentent une surface macroscopiquement rugueuse.
3. Corps moulé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il contient
le sulfure de nickel sous la forme de N1332.
4. Corps moulé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les barres
(5) de combustible nucléaire sont reformées en spirales (6) en forme de disques, qui
possèdent une zone centrale (7) exempte de barre de combustible nucléaire dont le
diamètre est au moins égal à 80 mm.
5. Corps moulé suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la distance
des spires de la spirale (6) en forme de disques est au plus égale à 6 mm.
6. Corps moulé suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il contient
une seule spirale (6), en forme de disque, d'une barre de combustible nucléaire.
7. Procédé pour la fabrication d'un corps moulé suivant les revendications 1 à 6,
par pressage d'un mélange de graphite, nickel et soufre, dans lequel on dépose les
barres de combustible nucléaire, dans une matrice, à des températures supérieures
à 100 °C, caractérisé en ce qu'on introduit d'abord, dans le moule une poudre formant
la matrice, faite de graphite, de nickel et de soufre, ensuite une plaque d'ancrage
avec des tiges de métal qui y sont fixées, puis des barres de combustible nucléaire,
conformées ou non, en commun, avec de la poudre de matrice, une autre plaque d'ancrage
avec des tiges métalliques qui y sont fixées, et pour finir introduit encore une fois
de la matrice en poudre et on presse à des températures supérieures à 100 °C, la matrice
étant pré-compactée avant le pressage dans la zone des barres de combustibles nucléaires
introduites, et les tiges métalliques étant posées sur les plaques d'ancrage seulement
dans les zones en dessous et au-dessus desquelles il ne se trouve aucune barre de
combustible nucléaire.
8. Procédé pour la fabrication d'un corps moulé suivant la revendication 7, caractérisé
en ce qu'au cours du pressage final, on utilise des températures de 400 à 500 °C.