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Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffelementen mit einem äusseren metallischen Hüllrohr und einem oder mehreren im Brennstoff eingelagerten Kernen aus nicht- spaltbarem Material. Sie besteht darin, dass die Kerne aus einem mit Füllstoffen gefüllten Führung- röhrchen bestehen und dass der zwischen den Kernen und dem äusseren Hüllrohr befindliche Kernbrenn- stoff durch"Swaging"bzw. Drehstauchung des äusseren Hüllrohres bei Raum - oder auch bei höheren
Temperaturen verdichtet wird.
Unter Drehstauchen versteht man eine Verformung, bei der durch rotierende Werkzeuge in rascher Folge Schläge auf das entsprechende Werkstück ausgeübt werden. Diese Bearbeitung führt zu einer Verringerung des Aussendurchmessers des Hüllrohres und gleichzeitig zu einer Verdichtung des darin befindlichen Brennstoffes. Nähere Angaben über das Drehstauchverfahren in Verbindung mit der Herstellung von Brennstoffelementen sind in der deutschen Patentschrift Nr. 1055143 enthalten.
Nach einer weiteren Massnahme der Erfindung wird für das Material des Führungsröhrchens ein solcher Stoff gewählt, der sich während der ersten vollen Inbetriebnahme des Brennstoffelementes im Reaktor oder während eines dem Herstellungsprozesses nachgeschalteten Bearbeitungs-oder Inbetriebsetzungsvorganges, wie es beispielsweise ein Glühen oder chemisches Bearbeiten darstellt, verändert und mit Stoffen seiner Umgebung neue Verbindungen bildet. Dabei können dem Kernbrennstoff oder dem Füllstoff zusätzliche Stoffe beigegeben werden, die es ermöglichen, dass sich das Material des Führungsröhrchens bei Erwärmung chemisch mit diesen Stoffen verbindet.
Nach einer andern Ausgestaltung der Erfindung wird die Erwärmung des Führungsröhrchens bei dem der Herstellung nachgeschalteten Glühvorgang durch Induktion oder Hochfrequenz vorgenommen und, falls es erforderlich ist, während des Glühvorganges das äussere Hüllrohr gekühlt. Es hat sich auch als besonders zweckmässig erwiesen, die für manche Reaktorauslegungen erforderlichen verbrennbaren Neutronengifte zum Ausgleich der Reaktivität dem Füllstoff oder dem Material des Führungsröhrchens zuzusetzen.
Kernbrennstoff in keramischer Form, beispielsweise als Oxyd, hat sich für viele Kernreaktoren bewährt, da ein derartiger Brennstoff hohen Temperaturen gewachsen ist, keine Gefügeumwandlungen wie beispielsweise das metallische Uran bei bestimmten Temperaturen erfährt und auch weniger stark mit dem Kühlmittel reagiert als ein Metall. Der keramische Brennstoff wird dabei meist in Form von einzelnen gepressten und gesinterten Tabletten in Rohre aus nichtrostendem Stahl, Zirkaloy oder Beryllium eingesetzt oder auch pulverförmig in die Rohre eingefüllt und durch Drehstauchung oder Einrütteln in den Rohren verdichtet. Der Durchmesser dieser Brennstoffelemente richtet sich dabei nach physikalischen und wärmetechnischen Gesichtspunkten und soll mit Rücksicht auf die Herstellungskosten möglichst gross sein, zumindest aber einen bestimmten Wert nicht unterschreiten.
Bei wassergekühlten Reaktoren werden bereits mit Elementen von verhältnismässig grossem Durchmesser befriedigende Werte erzielt, da auch diese Elemente schon eine ausreichende Kühlfläche bieten. Ungünstiger liegen die Verhältnisse jedoch bei Gaskühlung. Hier ist eine wesentlich grössere Heizfläche erforderlich, die bei gleichbleibender Gesamtbrennstoffmenge nur mit einer sehr viel grösseren Anzahl von Einzelstäben und einem entsprechend kleineren Durchmesser erzielt werden kann. Der Durchmesser ist dabei meist so niedrig, dass die Stäbe nicht mehr wirtschaftlich hergestellt werden können.
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Um diese Schwierigkeit zu überwinden, hat man vorgeschlagen, die keramischen Brennstofftabletten mit einer zentralen Bohrung auszuführen, so dass ein Hohlelement entsteht. Andere Vorschläge sehen vor, den Kernbrennstoff durch andere keramische Stoffe mit geringer Neutronenabsorption zu verdünnen. Bei- den Verfahren haften jedoch gewisse Nachteile an. Bei dem Hohlelement besteht die Gefahr, dass während des Betriebes die ringförmigen Tabletten zerspringen, Teile davon in die Mittelbohrung fallen und die restlichen Bruchstücke dann nicht mehr gleichmässig an dem äusseren Hüllrohr anliegen. Bei der homo- genen Verdünnung wird der gesamte Herstellungsprozess verteuert, und es werden alle sonstigen Eigen- schaften des Kernbrennstoffes in einer schwer zu übersehenden Weise verändert.
Nach einem andern Vorschlag ist vorgesehen, in den keramischen Brennstoffstäben Stäbe aus nicht- spaltbarem keramischem Material anzuordnen. Der Brennstoff wird entweder in metallischer Form einge- bracht und durch einen durch das Element geleiteten Dampfstrom in Oxyd umgewandelt, oder gleich als
Oxyd eingestampft. Die Füllkeme müssen dabei vollkommen gerade sein. Dies erfordert wegen der beim
Sintern der Kerne auftretenden unvermeidlichen Verwerfungen eine teure mechanische Bearbeitung oder eine Begrenzung auf verhältnismässig kurze Elementlängen.
Mit dem Herstellungsverfahren gemäss der Erfindung lassen sich demgegenüber Brennstoffelemente mit Kernen aus nichtspaltbarem Material auch in grösserer Länge sehr wirtschaftlich herstellen. Insbe- sondere erlaubt das neue Verfahren jedoch auch, für die Verdichtung des Kernbrennstoffes die Vorteile des bekannten Drehstauchverfahrens voll auszunutzen, da die Übertragung der von der Stauchmaschine ge- lieferten kinetischen Energie durch die mit pulverförmigen Füllstoffen gefüllten Führungsrohre kaum gestört wird.
Die Herstellung der erfindungsgemässen Brennstoffelemente erfolgt in der Weise, dass der gewählte Füllstoff, beispielsweise Aluminium-, Beryllium- oder Magnesiumoxyd, in das Führungsröhrchen, beispielsweise aus Aluminium, Beryllium, Magnesium oder auch aus einem Kunststoff eingerüttelt und gegebenenfalls darin zusätzlich verdichtet wird. Sodann wird dieses gefüllte Röhrchen in das äussere Hüll- rohr des Brennstoffelementes gespannt und der zwischen diesen Führungsröhrchen und dem äusseren Hüllrohr verbleibende ringförmige Spalt mit Kernbrennstoff aufgefüllt und der Kernbrennstoff in bekannter Weise durch Drehstauchen bei Raum- oder auch bei höheren Temperaturen verdichtet.
Nachdem das Element mit Endkappen ausgerüstet ist und eine entsprechende Nachbehandlung und Prüfung durchgemacht hat, kann es in den Reaktor eingebracht werden. Das dünnwandige Führungsröhrchen, dessen Wandstärke sich während der Verdichtung des Kernbrennstoffes eventuell noch weiter vermindert hat, ist üblicherweise den während des Betriebes im Inneren des Kerabiennstoffes auftretenden Temperaturen nicht gewachsen und wird bei der ersten vollen Inbetriebnahme schmelzen. Nach einer gewissen Zeit wird es mit den umgebenden Stoffen chemische Verbindungen eingehen. Die Eigenschaften des Gesamtelementes werden wegen der geringen Materialmenge des Führungsröhrchens dadurch kaum beeinflusst.
Gegebenenfalls können neben oder in dem Führungsröhrchen zusätzlich solche Stoffe eingebracht werden, mit denen das Material des Führungsröhrchens ebenfalls hochschmelzende Stoffe bildet.
Die Umformung des Führungsröhrchens braucht selbstverständlich nicht erst während des Reaktorbetriebes erfolgen, sondern kann auch vorher während eines besonderen Glühvorganges vorgenommen werden. Um das äussere Hüllrohr dabei. nicht zu überhitzen, kann dieses gekühlt und die Wärme im Innern des Elementes durch Induktion oder Hochfrequenz erzeugt werden.
In das nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellte Brennstoffelement lassen sich auch die zum Ausgleich der Reaktivität häufig verwendeten verbrennbaren Gifte leicht einbringen. Sie können beispielsweise dem Füllstoff im Innern des Führungsröhrchens zugesetzt werden, so dass die metallurgisch häufig ungünstige Beimengung zum Brennstoff entfällt und dieser in seinen bekannten Eigenschaften nicht verändert wird.
Ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes Brennstoffelement ist in einem Ausführungs- beispiel in der Zeichnung dargestellt.
In das äussere Hüllrohr 1 ist das mit Füllstoffen 2 angefüllte Führungsröhrchen 3 zentrisch oder bei unterschiedlicher Wärmeabgabe azentrisch eingeführt. Nachdem es in seiner Lage gegenüber dem äusseren Hüllrohr 1 festgelegt ist, wird der Brennstoff 4 in den Ringspalt zwischen dem Führungsröhrchen 3 und dem äusseren Hüllrohr 1 eingefüllt und in bekannter Weise verdichtet. Die weitere Bearbeitung wird in der beschriebenen Weise vorgenommen.