Der industrielle Einsatz von Mikrowellenöfen ist gegenwärtig auf das Trocknen von Körpern oder Materialien, das Sterili- sieren (z. B. von Lebensmitteln), das Polymerisieren von Gummi, Aushärten von Kunststoffen und ähnliche Prozesse be- schränkt, die bei mittleren Temperaturen ablaufen. Die Kera- mikindustrie ist am Einsatz von Mikrowellen zum Sintern in- teressiert, der jedoch bisher praktisch nur auf einen Labor- maßstab beschränkt ist, da nach den bisherigen Erfahrungen zwar kürzere Sinterdauern ausreichen, jedoch angeblich höhere Temperaturen (also ein höherer Verschleiß der Ofen) nötig sind und insgesamt höhere Energieverluste auftreten, jedoch möglicherweise bessere Materialeigenschaften (z. B. ein feine- res Korn in der keramischen Struktur) erreichbar wären. Je- doch wurden bisher überhaupt keine Produkte mit befriedigen- den Qualitäten mit Mikrowellen erreicht.

In der nicht vorveröffentlichten Anmeldung PCT/EP 97/04513 ist aber ein Verfahren beschrieben, mit dem Grünlinge, die aus ungesintertem Kernbrennstoff gepreßt sind, zu fertigen Kernbrennstoff-Sinterkörpern gesintert werden, wobei sowohl die Form der Sinterkörper als auch deren Dichte und mecha- nisch/chemische Beschaffenheit den Anforderungen für den Ein- satz in Kernreaktoren genügen. Dabei sind bei gleicher Dauer nur niedrigere Temperaturen nötig als bei konventionellen Verfahren, wodurch sich sowohl die Wartung vereinfacht als auch der Verschleiß und die Energieverluste verringern. Al- lerdings ist die dort beschriebene, auf empirische Weise aus- gelegte Anordnung schwierig zu optimieren. Die angestrebte

homogene Temperaturverteilung im Brennstoff, niedrige Tempe- raturverluste und geringe thermische Beanspruchung der Ofen- teile sind schwer zu erreichen und nicht immer reproduzier- bar.

Die besondere Eigenart des keramischen Kernbrennstoffs ist, daß er hinreichend gut an die Mikrowellen"ankoppelt", d. h.

Energie aus dem Mikrowellenfeld aufnehmen kann, ohne bei niedrigen Temperaturen elektrisch leitend zu sein. Bei höhe- ren Temperaturen nimmt jedoch die elektrische Leitfähigkeit zu und der Brennstoff verhält sich in steigendem Maße wie ein Metall. Es kommt daher zu lokalen Uberhitzungen, Lichtbögen und Verzerrungen des Mikrowellenfeldes (z. B. kann ein bereits gut gesinterter, leitfähiger Bereich die Mikrowellen am Ein- dringen in benachbarte Bereiche des Brennstoffs hindern. Das Ergebnis sind unregelmäßig gesinterte, teilweise aufgeschmol- zene und verformte Tabletten. Daher wird eine möglichst homo- gene Verteilung der Energie und Temperatur ohne scharf ausge- prägte lokale Maxima angestrebt.

Nach diesem älteren Vorschlag werden die Mikrowellen von ei- nem Magnetron oder einem ähnlichen elektrischen Bauteil (z. B. einen Klystron) erzeugt und durch einen Wellenleiter in den Ofenraum (Arbeitsraum) geleitet, der als Resonator ausgebil- det ist, d. h. allseitig von Mikrowellen-reflektierenden (metallischen) Wänden abgeschirmt ist. Dabei ist das Magne- tron als einzige Quelle des Mikrowellenfeldes, der Kernbrenn- stoff nur als Senke des Feldes und die Wellenleiter mit dem Resonatorraum lediglich als verlustbehaftete Übertragung der Mikrowellen betrachtet, wobei die Geometrie des Resonatorrau- mes und der Wellenleiter empirisch so gewählt werden soll, daß die Wärmeverluste minimiert werden, also vom Kernbrenn- stoff möglichst viel Energie aus dem Feld entnommen wird. Zu- sätzlich wird durch eine Veränderung der Position der Wellen- leiter am Arbeitsraum eine möglichst gleichmäßige Temperatur- verteilung im Brennstoff eingestellt. Um die nötige Leistung aufzubringen, sind mehrere Magnetrons jeweils über einen Wel-

lenleiter, der an seinem Ende mit seinem vollen Querschnitt in den Resonatorraum übergeht, vorgesehen und die einzelnen Magnetrons werden individuell gesteuert, um durch Überlage- rung der von ihnen erzeugten Wellenfelder zu einer möglichst homogenen Temperaturverteilung zu kommen.

Eine gleichmäßige Qualität wird dabei nur dadurch erreicht, daß das Sintergut durch eine mit einem Sintergas durchströmte Keramik-Röhre geschoben wird, die sich quer durch den ganzen Resonatorraum erstreckt. Bei der unvermeidlichen lokalen In- homogenität des Wellenfeldes und der Temperaturverteilung durchlaufen dann alle Bereiche des Brennstoffs die gleichen lokalen Verhältnisse, so daß zuletzt alle Proben des Brenn- stoffs hinsichtlich der erlittenen Temperaturen die gleiche Vorgeschichte haben sollten. Voraussetzung hierfür ist, daß das Mikrowellenfeld keine stärkeren zeitlichen Schwankungen erleidet. Hinsichtlich der für das Sintern vorgesehenen Tem- peraturen, Sinterzeiten, Sinteratmosphären sowie vorteilhaf- ter Einrichtungen (z. B. Gasschleusen zum Einführen des Brenn- stoffs in die vom Sintergas durchströmten Rohre) und weiterer Einzelheiten einer Sinteranlage mit Mikrowellen enthält die- ses Dokument eine Fülle von Vorschlägen, die auch für die vorliegenden Erfindung anwendbar sind. Der Inhalt dieses Do- kuments gehört daher auch zum Inhalt der vorliegenden Anmel- dung, mit der die Einstrahlung der Mikrowellen in den Ar- beitsraum (Resonatorraum) verbessert wird.

Auch der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Mikrowellenofen zum Sintern von Kern- brennstoff anzugeben, der die für den Einsatz im Reaktor er- forderliche Qualität besitzt. Dabei ist unter "Kernbrennstoff"nicht nur Uranoxid selbst, sondern auch Mi- schungen mit anderen Oxiden (insbesondere Transuranen wie Plutonium und Thorium) und auch Absorbermaterialien (wie Ga- doliniumoxid) zu verstehen. Bevorzugt ist die Erfindung für das Sintern von gepreßten Formkörpern des Brennstoffs (sogenannte"Grünlinge") zu entsprechenden Sinterformkörpern

(in der Regel zylindrische Tabletten, sogenannte"Pellets") bestimmt, sie ist jedoch auch geeignet, um Pulver oder Granu- lat bei entsprechenden Sintertemperaturen zu behandeln. Nach den Erfahrungen mit der vorliegenden Erfindung ist nämlich zumindest bei den für den Einsatz in einem Kernreaktor geeig- neten Materialien durch Einsatz von Mikrowellen mit einer Er- niedrigung der Sintertemperaturen und der Wärmeverluste zu rechnen.

Die Erfindung geht dabei davon aus, daß die steigende elek- trische Leitfähigkeit des Kernbrennstoffs bei hohen Tempera- turen nicht nur zu Verschlechterungen des Sinterergebnisses führt, sondern auch zu instabilen Verhältnissen im Feld. Denn der Brennstoff wird entsprechend seiner inhomogenen Aufhei- zung nicht nur zu einer inhomogenen Senke für die Mikrowel- lenstrahlung, sondern wirkt aufgrund der elektrischen Eigen- schaften selbst ähnlich wie ein"Sender", so daß es zu insta- bilen Rückkopplungen auf die Magnetrons und die von ihnen ab- gegebene Strahlung kommt. Diese Rückkopplungen lassen sich mit einer Anordnung, die den Ofenraum (Resonatorraum) ledig- lich als einen Vermittler für die Strahlung zwischen Magne- tron (Quelle) und Kernbrennstoff (Absorber) betrachtet, der hinsichtlich der Verluste zu optimieren ist, nicht zuverläs- sig beherrschen.

Die Erfindung benutzt vielmehr zunächst einen allseitig mit- tels Mikrowellen reflektierender (metallischer) Wände abge- schlossenen Antennenhohlraum, der in seinen Abmessungen auf die verwendete Mikrowellenstrahlung abgestimmt ist, um ein stabiles Mikrowellenfeld (stehende Welle) zu erzeugen. Übli- cherweise wird in der Mikrowellentechnik ein Magnetron oder ein Klystron verwendet, um eine Frequenz von 915 MHz oder 2,45 GHz zu erzeugen ; allgemein ist eine Frequenz zwischen 0,4 und 30 GHz geeignet. Die Abmessungen von verlustarmen, auf diese Frequenzen abgestimmten Wellenleitern sind unter- sucht, bekannt und beschrieben. Werden diese Wellenleiter an ihren Enden durch reflektierende Wände (sogenannte

"Kurzschluß-Abschlüsse") abgeschlossen, so werden sie zu Re- sonatoren, in denen solche Frequenzen zu stehenden Wellenfel- dern führen.

Vorzugsweise ist nach der Erfindung jedem derartigen Anten- nenhohlraum ein einzelnes Magnetron (oder Klystron) zugeord- net, das jedoch nicht innerhalb der stehenden Welle angeord- net ist, sondern sich am Ende eines entsprechenden Wellenlei- ters befindet, der mit seinem anderen Ende in den Antennen- hohlraum einmündet.

Aus dem auf diese Weise stabilisierten Feld im Antennenhohl- raum wird die zum Sintern benötigte Energie über mehrere enge Öffnungen in einer Wand des Antennenhohlraums ausgekoppelt und in den Resonatorraum abgestrahlt. Im Vergleich zur Fläche einer Wand des Antennenhohlraums sind diese Öffnungen, die vorzugsweise als Schlitze ausgebildet sind, so klein, daß sie die Ausbildung der stehenden Welle im Antennenhohlraum prak- tisch nicht beeinflussen, keine elektrische Überschläge her- vorrufen, aber genügend Leistung abstrahlen. Dadurch wird auch die Rückkopplung von Mikrowellenstrahlung in den Anten- nenhohlraum minimiert.

Solche"Schlitzantennen"sind früher für die Nachrichtentech- nik bereits vorgeschlagen worden, um entsprechende Felder in praktisch eine unendliche Umgebung abzustrahlen, aus der nur geringfügige Reflexionen zurückkommen. Dadurch soll ein sta- bilisierter, flächenhafter Strahler mit einer über die Strah- lerfläche gleichmäßig verteilten Strahlungsleistung entste- hen.

Die Technik einer solchen Schlitzantenne ist von Werner Rüg- geberg beschrieben"A Multislotted Waveguide Antenne for High-Powered Microwave Heating Systems", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-16, No. 6, November/December 1998, Seiten 809 bis 813. Dort sind Vorgehen und Formeln be- schrieben, mit denen die abgestrahlte Leistung sowie Zahl und

Anordnung der Schlitze bestimmt werden, um zu einer gewünsch- ten flächenhaften Verteilung der Strahlungsleistung zu kom- men. Dabei wird das bestrahlte Gut wie ein unendlicher Raum betrachtet, in denen eine erhebliche Energie abgestrahlt, aber die abgestrahlte Energie nicht reflektiert wird. Daher sind auch nur niedrige Temperaturen am Ort des Absorbers be- trachtet. Bringt man jedoch einen metallischen Körper, der bezüglich Reflexion und Absorption den auf hohe Temperatur erwärmten Kernbrennstoff simulieren könnte, von außen in die Nahe der Schlitze, so bricht die stehende Welle im Antennen- hohlraum, in dem nach Rüggeberg auch das Magnetron angeordnet ist, zusammen und es kommt zu Lichtbögen und erheblichen Schäden an den Wänden und dem Magnetron der Antenne und dem Reflektor. Beim Einbau einer solchen Schlitzantenne nach Rüg- geberg in die Anordnung nach der PCT/EP 97/04513 traten diese Schäden sogar auf, obwohl die Antennenleistung gedrosselt war und die mittlere Temperatur im Kernbrennstoff noch keine Sin- tertemperatur erreichte.

Trotzdem sieht die Erfindung einen von einem Mikrowellen- strahler gespeisten Antennenhohlraum mit einer mindestens eine enge Öffnung (vorteilhaft : mehrere Schlitze) tragenden Wand zum Einkoppeln von Mikrowellen in einen den Kernbrenn- stoff enthaltenden Resonatorraum vor. Jedoch sind die Schlitze so ausgelegt, daß die Rückkopplung auf den Antennen- hohlraum durch Reflexionen am Kernbrennstoff nicht mehr stö- ren. Durch die veränderte Anordnung der Schlitze kann viel- mehr die Temperaturverteilung im Kernbrennstoff beherrscht und eingestellt werden.

Vorteilhaft sind nach der Erfindung mehrere solche Schlitzan- tennen benutzt, um in den Resonatorraum die zum Sintern des Brennstoffs nötige Energie einzukoppeln. Vorteilhaft besitzt der Resonatorraum etwa die gleiche Lange wie der Antennen- hohlraum und der Antennenhohlraum ist an einer Längsseite des Resonatorraums angeordnet. Im einfachsten Fall sitzt der An- tennenhohlraum direkt am Resonatorraum, so daß beide Räume

durch eine gemeinsame Wand getrennt sind, die die engen Off- nungen oder Schlitze trägt.

Berücksichtigt man das bereits erwähnte metallische Verhalten von hocherhitztem Brennstoff, so wird das Sintergut somit nicht nur zu einem starken Absorber, sondern auch zu einem "Senderu (oder wenigstens einem Reflektor), dessen Rückkopp- lung auf die stehende Welle im Antennenhohlraum nicht ver- nachlässigt werden darf. Vielmehr sind die Resonanzverhält- nisse im Antennenhohlraum durch die Rückkopplung mit dem Kernbrennstoff stark verstimmt.

Will man diese Rückkopplung vermeiden, so könnten die Zahl und/oder Fläche der Schlitze verringert werden. Dadurch ver- ringert sich die rückgekoppelte Energie, aber auch die vom Kernbrennstoff aufgenommene und für das Sintern benötigte Energie, so daß der Brennstoff praktisch nicht auf die nötige Sintertemperatur erhitzt wird. Dieser Weg ist also nicht gangbar.

Vielmehr muß das System als rückgekoppeltes System betrachtet werden und der Antennenhohlraum mit den Schlitzen von vorn- herein auf die verstimmten Verhältnisse ausgelegt werden.

Dies ist auf einfache Weise empirisch möglich, indem die Lange des Antennenhohlraums durch verschiebbare metallische Abschlüsse geändert und die Lage der Schlitze in den Wänden des Antennenhohlraums variiert wird. Es zeigt sich, daß durch derartige Veränderungen eine wesentlich homogenere Verteilung von Temperatur und Feld im Resonatorraum erreichbar und die erwähnten Schäden vermeidbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren, ein Mikrowellenofen zum Sin- tern von Kernbrennstoff sowie einige vorteilhafte Weiterbil- dungen sind in den Ansprüchen angegeben.

Anhand von 9 Figuren und mehreren Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen :

FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs- gemäßen Mikrowellenofens zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, FIG 2 und 3 Ausschnitte eines Antennenhohlraums mit verän- derlichen Schlitzen zum Auskoppeln der Mikrowel- len, FIG 4 und 5 zwei weitere Ausführungsbeispiele eines erfin- dungsgemäßen Mikrowellenofens, FIG 6 einen Querschnitt durch den Mikrowellenofen nach Figur 4, FIG 7 und 8 zwei Seitenansichten von erfindungsgemäßen Mikrowellenöfen, FIG 9 einen Temperaturverlauf, der im Ofen der Figur 7 aufgenommen wurde.

Beim Mikrowellenofen 1 der Figur 1 sind Teile einer Seiten- wand 2 und der Deckwand 3 weggebrochen, um das Innere eines quaderförmigen Resonatorraumes 20 sichtbar zu machen. Der Re- sonatorraum ist an den Seiten durch die erwähnte Seitenwand 2, die dazu parallele Seitenwand 5, die Deckwand 3 und die entsprechende Bodenwand 6 und nach hinten durch die Rückwand 4 abgeschlossen. Die entsprechende Vorderwand 7 ist als eine fest verschraubbare Türe ausgebildet, wobei alle diese Wände aus Stahlblech mit 3 mm Wandstärke gebildet sind. Allgemein kommt jedes Material (insbesondere Metall) in Frage, sofern es die Mikrowellen reflektiert und mindestens bis Temperatu- ren bis 800 °C temperaturbeständig ist und sowohl im belüfte- ten Zustand des Resonatorraumes 20 als auch bei einer Füllung mit dem für das Sintern vorgesehene Sintergas chemisch be- ständig ist, insbesondere keinen Zunder bildet. Vorteilhaft sind die Innenwände poliert oder verspiegelt, um die Reflek- tion der Mikrowellen zu erleichtern.

Die Innenflächen sind mit einer Thermoisolation 8 ausgeschla- gen, die für Mikrowellen weitgehend transparent ist. Hierfür kommt keramisches Material, insbesondere Aluminiumoxid in po- rösem Zustand, in Frage. In Figur 1 ist diese Thermoisolie- rung ebenfalls weitgehend weggebrochen, so daß (nur teilweise dargestellte) Halterungen 10,11,12 sichtbar werden, auf de- nen drei Lagen des Kernbrennstoffs eingeführt und gehalten werden können. Ferner ist eine Gaszuführung 15 und Gasabfüh- rung 16 erkennbar, um Sintergas (z. B. trockener Wasserstoff mit einem Sauerstoffpartialdruck von 10-8 Atmosphären oder darunter) in die Kammer einzuleiten bzw. abzusaugen.

Der mittels der Wände 2 bis 7 abgeschirmte Resonatorraum 20 wird an seiner Rückwand 4 mit Mikrowellen gespeist, die in entsprechenden Antennenhohlräumen 21 und 22 erzeugt werden.

Auch diese Antennenhohlräume 21,22 sind nach allen Seiten durch ähnliche Wände abgeschirmt, wobei jeweils ein Magnetron 23 in das abgeschlossene Ende der Antennenhohlräume ragt.

Ferner ist ein Gehäuse 25 für Einrichtungen erkennbar, die in der Mikrowellentechnik üblich sind, um die vom Magnetron aus- gehenden Wellen und die reflektierten Wellen zu messen und durch eine Blende (z. B. eine handelsübliche Anordnung aus drei im Antennenhohlraum veränderlich angeordneten Reflektor- stäben) die reflektierten Wellen zu dämpfen.

Ferner ist erkennbar, daß das andere Ende des Antennenhohl- raums 21 durch einen Kurzschluß-Schieber 28 abgeschlossen ist, der mit einer veränderlichen Länge in den Antennenhohl- raum ragt, um diesen Hohlraum zur Justierung zu verändern.

Wesentlich ist, daß die Trennwand zwischen den Antennenhohl- räumen 21 und 22 und dem Resonatorraum 20 jeweils enge Off- nungen 30 trägt, die nur einen geringen Bruchteil der gemein- samen Fläche zwischen den Antennenhohlräumen und dem Resona- torraum einnehmen.

Bei geöffneter Türe können eine oder mehrere Lagen aus Granu- lat oder Pulver des Kernbrennstoffs in den Ofen eingebracht werden, der anschließend verschlossen und mit dem für die vorgesehene Behandlung erforderlichen Gas beschickt wird.

Dieser Ofen ist in erster Linie für Verfahren mit geringerer Leistung bestimmt, z. B. zum Trocknen von Pulvern oder zur La- boruntersuchung an geringen Mengen. Insbesondere zum Sintern großer Mengen bei hohen Temperaturen, vor allem zum Sintern von formgepreßten Grünlingen, erscheint es vorteilhafter, in Abweichung von der Figur 1 das Magnetron sowie die erwähnte Instrumentierung mit Meßgeräten und Blenden nicht in dem An- tennenhohlraum selbst anzuordnen, wo sie durch eine dort ge- bildete stehende Welle gefährdet sind, sondern in Wellenlei- tern. Auch die Dimensionierung des quaderförmigen Resonator- raumes (50 cm breit, 30 cm hoch, 60 cm lang) ist nicht opti- miert. Als besonders wesentlich ist jedoch erkennbar, daß die Einkopplung der Mikrowellen nicht durch einen Wellenleiter geschieht, der an seiner Öffnung zum Resonatorraum praktisch kein Hindernis für die Mikrowellen darstellt und praktisch keine Reflexion erzeugt, sondern daß der langgestreckte Reso- natorraum an seinen beiden Stirnseiten abgeschlossen ist und zum Auskoppeln der Mikrowellen seitliche Schlitze 29 trägt, die vorzugsweise in Längsrichtung orientiert sind.

Vorzugsweise beträgt der zur Eintrittsrichtung der Mikrowel- len in den Resonatorraum senkrechte Querschnitt Kantenlängen, die mindestens ein Viertel und höchstens das 4fache der Wel- lenlänge der erzeugten Mikrowellen in Luft betragen, wobei auch ein zylindrischer Resonatorraum möglich (aber schwieri- ger zu optimieren) ist, sofern er einen etwa flächengleichen Querschnitt wie ein durch diese Grenzwerte bestimmter quader- förmiger Resonatorraum besitzt.

In der Längsrichtung des Antennenhohlraums kann der Abstand der Schlitze auf die Frequenz des Magnetrons (2,45 GHz) bzw. die entsprechende stehende Welle abgestimmt und fest vorgege- ben sein, jedoch bestimmt jeweils der Abstand von der Mitte

des Antennenhohlraums die durch den Schlitz abgestrahlte Lei- stung und kann (z. B. empirisch) justiert werden. In Figur 2 ist ein Abschnitt eines quaderförmigen Antennenhohlraums dar- gestellt, der vom Resonatorraum durch eine Trennwand 43 ge- trennt ist, die aus mehreren Blechen zusammengesetzt ist und eine Breite d'besitzt. In die Trennwand ist ein Fenster 40 eingearbeitet, das durch einen in der Wand gehaltenen Schie- ber 41 weitgehend abgedeckt ist. In diesen Schieber 41 ist ein Längsschlitz 42 eingearbeitet, dessen Abstand d von der Mittellinie der erwähnten Wand somit veränderlich ist.

Eine Abnahme der durch den Schlitz abstrahlenden Energie kann auch gemäß Figur 3 erreicht werden, wobei in der Wand eine drehbare Scheibe 44 mit einem entsprechenden Schlitz 45 ge- zeigt ist, dessen Orientierung somit innerhalb des entspre- chenden Fensters 48 verändert werden kann. Dabei ist die ab- gestrahlte Energie praktisch proportional zu der Projektion des Schlitzes auf die Längsrichtung, d. h. bei einer Orientie- rung in Längsrichtung wird die maximale Energie abgegeben.

Die Schlitze können bereits bei der Konstruktion des Ofens durch entsprechende empirische Versuche unter Betriebsbedin- gungen festgelegt und dann in die Ofenkonstruktion übernommen werden, es kann sich jedoch erforderlich erweisen, daß auf Veränderungen des Temperaturprofils beim Betrieb des Ofens durch eine entsprechende Veränderung der Schlitze reagiert werden soll. Zu diesem Zweck ist in Figur 3 ein Treibrad 46 für die Scheibe 44 gezeigt, das von einem Servomotor 47 ange- trieben wird, um die Lage des Schlitzes betriebsabhängig zu verändern.

In Figur 4 ist schematisch ein Ofen dargestellt, der insbe- sondere für das Sintern von formgepreßten Grünlingen aus Kernbrennstoff zu den für den Reaktoreinsatz geeigneten Brennstoffsinterkörpern ausgelegt ist.

Zentralteil dieses Ofens 50 ist der langgestreckte, quader- förmige Resonatorraum 51, wobei an zwei gegenüberliegenden

Seiten des Resonatorraumes jeweils ein durch eine gemeinsame Wand (Trennwand) getrennter Antennenhohlraum 53 anliegt. In die gemeinsame Wand 52 sind jeweils eine Mehrzahl von Längs- schlitzen 54 eingearbeitet, wobei deren Anordnung hier zu- nächst willkürlich dargestellt ist. Diese Antennenhohlräume 53 sind ebenfalls quaderförmig, haben aber einen etwas klei- neren Querschnitt, der mit dem Querschnitt von Wellenleitern 55 übereinstimmt, die gewinkelt sind und in die Resonator- räume einmünden. Durch die Pfeile sind die elektrischen An- schlüsse sowie die Ausrichtung von jeweils einem Magnetron 56 bezeichnet, das jeweils in das abgeschlossene Ende des Wel- lenleiters 55 hineinragt. Zwischen dem Magnetron 56 und der Einmündung des Wellenleiters in den Antennenhohlraum ist ein Sockel 57 für Meßinstrumente, die die auslaufende und zurück- kommende Mikrowelle getrennt erfassen, und für eine Blende erkennbar, wie sie im Stand der Technik in solchen Wellenlei- tern verwendet werden.

Durch die Position 58 ist angedeutet, daß die Hohlräume mit einer (zeichnerisch nicht dargestellten) Wärmeisolierung aus- gekleidet oder weitgehend ausgefüllt sein können, die weitge- hend transparent für die verwendeten Mikrowellen ist. Eine solche, innerhalb des von reflektierenden Wänden umschlosse- nen Raums angeordnete Isolierung ist jedenfalls für den Reso- nanzraum (zumindest dessen ungeschlitzte Wände) vorteilhaft, da dadurch das Wandmaterial vor der Wärmestrahlung des er- hitzten Kernbrennstoffs geschützt wird. Für die Antennenhohl- räume ist eine derartige Wärmestrahlung nicht zu befürchten und es kann bereits ausreichen, die Innenwände zu polieren, zu verspiegeln oder auf andere Weise eine hohe Reflektion und eine geringe Absorption zu erzeugen ; da die üblichen Materia- lien für Thermoisolierungen, z. B. Aluminiumoxid, selbst mit steigender Temperatur beginnen, Mikrowellen zu absorbieren, kann es vorteilhaft sein, in den Antennenhohlräumen Materia- lien zu verwenden, die eine niedrigere Absorption für die Mikrowellen aufweisen als Aluminiumoxid, oder auf eine Wär- meisolierung zu verzichten.

Ferner zeigt Figur 4 ein Keramikrohr 59, das sich durch die ganze Länge des Resonanzraums erstreckt. Dieses Keramikrohr dient einerseits zur Aufnahme des Sinterguts (d. h. der Grün- linge), das durch das Rohr geschoben wird. Andererseits wird durch das Keramikrohr 59 auch das Sintergas geleitet, vor- zugsweise im Gegenstrom zur Bewegungsrichtung des Sinterguts.

In Figur 4 ist nicht dargestellt, daß das Keramikrohr 59 au- ßerhalb des Resonanzraums jeweils in eine Gasschleuse über- geht, die einerseits das Beladen und Entladen des Resonanz- raums mit dem Sintergut und dem Sintergas ermöglicht. Derar- tige Gasschleusen sind in der erwähnten PCT/EP 97/04513 be- schrieben. Die Position dieser (aus Gründen der Übersicht- lichkeit weggelassenen) Gasschleusen ist durch die Pfeile 60 angedeutet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Sintergut vor dem Betreten und nach dem Verlassen des Resonanzraumes eine an die Stirnwände des Resonanzraums angeformtes Metallrohr 61 passieren, das als Verlängerung oder konzentrische Hülle des Keramikrohrs 59 ausgebildet sein kann. Ein derartiges Metall- rohr führt dazu, daß das Mikrowellenfeld innerhalb des Roh- res, also an der Zufuhr und Abfuhr des Sinterguts, abgebaut wird, ohne nach außen zu dringen. Andererseits kann eine der- artige, an die Stirnwände des Resonatorraumes anschließende, strahlungslose Zone vorteilhaft als Aufwarm-bzw. Abkühl- Strecke für den Kernbrennstoff dienen. Wird also der Kern- brennstoff von der links vorne erkennbaren Vorderwand in den Ofen eingeführt, durch das Keramikrohr 59 gefördert und am hinteren Ende entnommen, so kann ein durch die Pfeile 62 an- gedeuteter Gegenstrom, der zunächst niedrige Temperatur hat, den am hinteren Ende austretenden, heißen und gesinterten Brennstoff kühlen, um dann innerhalb des Ofens durch den Kon- takt mit dem heißen Brennstoff selbst aufgeheizt zu werden und am Vorderende den eingespeisten, kühlen Brennstoff aufzu- wärmen.

In Figur 5 ist praktisch der gleiche Ofen der Figur 4 ge- zeigt. Abweichend ist-neben der Anordnung der Schlitze, auf

die noch eingegangen wird-lediglich, daß hier die aus den Schlitzen 70 austretenden Mikrowellen direkt auf das Keramik- rohr 71 zur Förderung des Sinterguts gerichtet sind, ohne ein dazwischen liegendes weiteres Isolationsmaterial. Vielmehr ist jeweils die Wärmeisolation der Trennwand zwischen dem Re- sonanzraum 72 und einen der beiden Antennenhohlräumen 73 durch Isolierschichten 74 realisiert, die hier außerhalb der metallischen Wände des Resonanzraums 72 angeordnet sind. Als Trennwand wird hier also eine Anordnung aus zueinander paral- lelen, in geringen Abstand angeordneten Einzelwänden benutzt.

Den Zutritt der aus den Antennenhohlräumen 73 abgestrahlten Mikrowellen zu den Schlitzen 70 an den Seiten des Resonator- raumes schaffen entsprechende rohrförmige Verbindungsstutzen 75, die ihrerseits von einer Packung 76 aus Isoliermaterial umgeben sein können.

Im Inneren des Resonatorraums 72 befinden sich jedoch an den ungeschlitzten Längswänden Verkleidungen aus Isoliermaterial 78, die eine Aufheizung der Seitenwände verhindern und somit auch dem Schutz des Personals vor Berührungen mit überhitzten Teilen dienen. Ferner ist angedeutet, daß die Gasschleusen jeweils in einem Gehäuse 77 an der Front und Rückwand außer- halb des Resonatorraumes angebracht sind. Vorzugsweise sind die metallischen Wände des Resonatorraums an dieser Front- seite und Rückseite nicht isoliert, vielmehr ist diese Iso- lierung erst an dem Gehäuse 77 dieser Gasschleusen ange- bracht, so daß diese Gehäuse 77 eine praktisch nicht von Mikrowellen beaufschlagte Aufheizzone und Abkühlungszone bil- den.

Diese Isolierung nach Figur 5 ist vorzugsweise nur vorgese- hen, falls im oberen Bereich der vorgesehenen Sintertempera- turen (etwa bei 1800 bis 1850 °C) gearbeitet werden soll und sich herausstellen sollte, daß handelsübliche, hochporöse Ke- ramikkörper aus Aluminiumoxid zu stark an die direkt aus den Schlitzen austretende Strahlung ankoppeln und entsprechenden thermischen Belastungen über längere Zeit nicht standhalten.

Alternativ kann auch versucht werden, an diesen Stellen kei- nen hochporösen Festkörper, sondern z. B. entsprechendes Fa- sermaterial zu verwenden.

Einen Querschnitt durch die metallischen Wände des Resonanz- raums 51 und der Antennenhohlräume 53 des Ofens nach Figur 4 zeigt Figur 6. Der Querschnitt des Resonanzraumes ist dabei durch die Maße gegeben, die in der Mikrowellentechnik für entsprechende Wellenleiter bekannt und mit"R22"bezeichnet sind, während der Querschnitt der Antennenhohlräume 53 einem Wellenleiter-Querschnitt mit der Bezeichnung"R26"ent- spricht. Für die Maße des Resonanzraums wurde a = 108 mm, b = 54 mm gewählt, und für die Antennenhohlräume c = 86 mm und d = 43 mm.

Die aus Stahl-Winkelteilen mit 3 mm Stärke zusammengeschweiß- ten Wände 80 sind aber Schraubbolzen 80'fest zusammenge- spannt, die auch Bleche aus Inconel mit 1 mm Stärke halten, in denen die erwähnten Schlitze in der Trennwand zwischen den Antennenhohlräumen und dem Resonanzraum eingearbeitet sind.

Ferner zeigt Figur 6, daß der Querschnitt des Antennenhohl- raums 51 durch zwei aufeinandergelegte, hochporöse Keramik- blöcke 80a, 80b aus Aluminiumoxid (Al203) praktisch ausge- füllt ist, die lediglich in ihrer Mitte eine Aussparung 80c für das bereits erwähnte Keramikrohr 59 tragen. In diese Aus- sparung 80c können an einigen Positionen Auflagen 80d zur Ab- stützung des Rohres 59 ragen.

Der Querschnitt der Antennenhohlräume entspricht auch dem Querschnitt des Wellenleiters, der jeweils an einem Ende in einen Antennenhohlraum einmündet und am anderen Ende den die- sem Hohlraum zugeordneten Mikrowellenstrahler trägt. Die Lei- stung dieser Strahler in Figur 4 beträgt jeweils 1,25 kW. Mit dieser Leistung wurden Pellets bei etwa 1200 °C in CO2-Atmo- sphäre bzw. 1300 °C bei Hs-Atmosphäre gesintert, wobei die Pellets etwa 140 W beim Sintern aufnahmen, 80 bis 150 W vom

Sintergas aufgenommen und abtransportiert und 200 W zum Strahler zurückreflektiert wurden.

Für ein schnelleres Sintern bei höheren Temperaturen und ent- sprechend höherer Leistung (jeweils 2 kW) wurde die Höhe b des Resonanzraums zu b = 100 mm gewählt, die übrigen Maße aber beibehalten. Die Länge der Antennenhohlräume und des Ar- beitsraums und die Länge der Mikrowellen zwischen dem Magne- tron und dem Eintritt in den entsprechenden Antennenhohlraum betrug jeweils etwa 1,1 m.

Bei dieser Länge kann das Keramikrohr 59 (Figur 7) einstückig gefertigt werden. Es genügt dann, wenn die Grünlinge 81 über eine in der PCT/EP 97/04513 gezeigte Einrichtung nacheinander in das Keramikrohr geschoben und im gesinterten Zustand dann am anderen Ende aufgesammelt werden.

Durch die Einspeisung mittels zwei jeweils in einen Antennen- hohlraum 82 einspeisenden Magnetrons, von denen in Figur 7 nur die durch die Schlitze austretende Mikrowellenstrahlung 83 angedeutet ist, von jeweils 2 kW steht im Resonatorraum 84 genügend Leistung zur Verfügung, um mehrere Lagen des Kern- brennstoffs zu sintern, ohne daß sich durch diese Vervielfa- chung des Durchsatzes die Wärmeverluste wesentlich erhöhen.

Dabei sollte darauf geachtet werden, daß der Kernbrennstoff annähernd zentrisch um die Mittelachse des Resonatorraums über dessen Querschnitt verteilt ist. Eine entsprechende Hal- terung ist in Figur 8 gezeigt, wobei im Resonatorraum 85 drei Pelletsäulen 86 jeweils in einem eigenen Rohr 87 geführt sind.

Die hier beschriebenen Mikrowellenöfen sind nicht auf die An- wendung von formgepreßten Grünlingen beschränkt, die von der Frontseite in ein Rohr eingeschoben und auf der Rückseite entnommen werden. Es ist auch möglich, den Kernbrennstoff z. B. in Form von Schiffchen oder anderen Trägern in den Ofen

einzufuhren, z. B. nur von der Frontseite, von der sie dann auch wieder entnommen werden können. Auch in solchen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, nicht den gesamten Resonatorraum mit Sintergas zu beladen und damit die Resonatorwände einer aggressiven Atmosphäre auszusetzen, sondern das Gas in einem entsprechenden, gasdichten Keramikrohr zu führen, z. B. dem in Figur 8 angedeuteten Rohr 88, das die Halterung für mehrere getrennte Lagen des Brennstoffs umschließt.

Für den senkrecht auf den geschlitzten Wänden stehenden Quer- schnitt des Resonatorraums in Figur 8 sind die Maße a = 30 cm, b = 20 cm gewählt. Dabei können vorteilhaft z. B. auch sechs Brennstoff-Halterungen vorgesehen sein, deren Anordnung dann z. B. den um den Mittelpunkt des Querschnitts angeordne- ten Ecken eines regulären Sechsecks entsprechen kann. Zusätz- lich kann auch in der Mittelachse selbst eine Brennstoff-Hal- terung vorgesehen sein, so daß sieben Lagen von Kernbrenn- stoff gleichzeitig gesintert werden können.

Wird die Fördergeschwindigkeit des Brennstoffs im Rohr er- höht, um den Durchsatz zu steigern, so kann es erforderlich werden, die Ofenlänge zu erhöhen. In diesem Fall werden zwei nach den dargelegten Überlegungen aufgebaute Resonatorräume hintereinander angeordnet, so daß ein aus zwei Teil-Resona- torräumen zusammengesetzter Resonatorraum mit einer durchge- henden Halterung für den Brennstoff entsteht. Die beiden Teilräume sind im einfachen Fall durch eine Blende miteinan- der verbunden, um die Mikrowellenfelder beider Teilräume zu entkoppeln. Es erscheint aber auch möglich, ohne eine Blende, die die Teilräume gegeneinander abschirmt, zu arbeiten. Dabei kann mit einem einzigen, entsprechend langen Keramikrohr als Brennstoff-Halterung gearbeitet werden, es können aber auch aneinander anstoßende Rohre verwendet werden, die in Verbin- dungs-Muffen stecken.

Für die Auskopplung der Mikrowellen aus der im Antennenhohl- raum gebildeten stehenden Welle ist es vorteilhaft, wenn der

kleinste Abstand zwischen dem Mittelpunkt einer Öffnung und dem Rand der Öffnung nicht größer als etwa 4 % der Wellen- länge beträgt. Für die hier verwendete Frequenz von 2,45 GHz wurde eine Schlitzbreite von etwa 5 mm (jedenfalls unter 10 mm) gewählt. In der anderen Richtung kann die Öffnung aus- gedehnter sein (bis etwa zur halben Wellenlänge). Unter die- sen Bedingungen wurden an den Schlitzen noch keine Über- schläge zwischen den metallischen Schlitzrändern beobachtet.

Der Abstand zwischen den Mittelpunkten dieser Öffnungen sollte mindestens eine halbe Wellenlänge betragen. Daher wird der von den Öffnungen in der Trennwand des Antennenhohlraums eingenommene Flächenanteil auf weniger als 5 % begrenzt. Für die langgestreckten Antennenhohlräume sind die Schlitze in Longitudinalrichtung nicht auf der Mittellinie einer Anten- nenhohlraum-Seitenwand angeordnet, sondern zur Mittellinie versetzt, wobei die Schlitze z. B. alternierend nach beiden Seiten versetzt angeordnet werden können. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schlitze in Longitudinal- richtung nicht gleichmäßig verteilt sind, sondern die Ein- speisung der von dem Mikrowellenstrahler abgegebenen Mikro- wellen in der Nähe des einen Endes des Antennenhohlraums an- geordnet ist und die Schlitze vom anderen Ende her über die Länge (vorteilhaft etwa die Hälfte bis drei viertel der Länge) erstrecken. Der Abstand der einzelnen Schlitze d von der Mittellinie wurde nach der in Figur 2 beschriebenen Weise im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Temperaturvertei- lung in dem Brennstoff optimiert, wobei von einem gleichmäßi- gen Abstand d von etwa 15 mm ausgegangen wurde.

Es sei angemerkt, daß in den Figuren 2 bis 9 gezeigte Einzel- heiten einzelner Ausführungsbeispiele auch auf andere Ausfüh- rungsbeispiele übertragen werden können.

In Figur 9 ist die dabei erhaltene Temperaturverteilung und die Anordnung der Schlitze dargestellt. Dabei ist mit 91 etwa der Ort dargestellt, an dem der eine Wellenleiter in seinen zugeordneten Antennenhohlraum mündet, während mit 92 die Form

und die longitudinale Position der Schlitze in der Wand zwi- schen diesem zugeordneten Antennenhohlraum und dem Resonator- raum dargestellt ist. Entsprechend ist die Einmündung des an- deren Wellenleiters in den anderen Antennenhohlraum mit 93 und Lage und Form der Schlitze in der Wand zwischen dem ande- ren Antennenhohlraum und dem Resonatorraum mit 94 darge- stellt, wobei der Ofen nach Figur 7 benutzt wurde. Die zum einen Antennenhohlraum gehörende Schlitze 93 liegen dabei alle auf der einen Seite, die zum anderen Antennenhohlraum liegen dabei alle auf einer Seite in der hinteren Hälfte des Resonatorraums, während die zum anderen Antennenhohlraum ge- hörenden Schlitze 94 diametral entgegengesetzt hierzu ange- ordnet sind.

Der Kernbrennstoff bestand aus üblichen Uranoxid-Pellets, die mit einer Geschwindigkeit von 4,4 mm/min. durch den Ofen, dessen Gesamtlänge 1,1 m betrug, geschoben wurden. Die darge- stellte Temperaturverteilung war nach einer relativ kurzen Aufwärmzeit zeitlich praktisch konstant. Die Sinterdichte der Pellets war weitgehend homogen und lag im brauchbaren Bereich von 10,2 bis 10,6 g/cm3. Die hier verwendete Temperatur ist deutlich niedriger als die bei konventionellen Ofen für einen Sinterkörper der gleichen Dichte benötigte Temperatur. Denn beim Mikrowellensintern erwärmt sich der Brennstoff nur in geringem Maße durch die Berührung mit heißen Gasen oder ober- flächliche Absorption von Wärmestrahlung in einer von der Oberfläche des Brennstoffs nach innen fortschreitenden Weise, sondern durch Absorption der Mikrowellenstrahlen im gesamten Volumen. Daher verkürzen sich die Sinterdauern und/oder es kann mit wesentlich niedrigeren Temperaturen gearbeitet wer- den. Wenn also behauptet wird, beim Mikrowellensintern von Keramik wurden höhere Temperaturen benötigt, so dürfte dies auf fehlerhafte Meßmethoden zurückzuführen sein (der Meßfüh- ler wird selbst durch die Mikrowellen erwärmt), und hohe Energieverluste deuten auf eine unzureichende Technologie.

Dadurch ist somit eine Möglichkeit gegeben, ohne einen über- mäßigen experimentellen Aufwand ein Verfahren und einen Ofen festzulegen, um Kernbrennstoff bei hohen Temperaturen mit Mikrowellen in einem industriellen Ausmaß thermisch zu behan- deln.