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Energieumwandler für Atomreaktoren
Die Erfindung bezieht sich auf Energieumwandler für Atomreaktoren mit einer Kernbrennstoff ent- haltenden Kathode und einer Anode, wobei zwischen Kathode und Anode Cäsiumdampf geringen Druckes vorhanden ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode von einem Karbid eines spaltbaren Me- talles gebildet ist und im wesentlichen frei ist an ungebundenem Kohlenstoff, wobei in der Kathode das
Verhältnis der Anzahl der Kohlenstoffatome zur Anzahl der Atome des spaltbaren Metalles maximal 1, 8 : 1 beträgt.
Energieumwandler, welche Wärmeenergie unmittelbar in elektrische Energie überführen, finden hauptsächlich in Atomreaktoren u. dgl. Verwendung. Mit Hilfe solcher innerhalb von Atomreaktoren an- geordneter Energieumwandler ist es möglich, die im Reaktor durch Kernspaltung erzeugte grosse Wärme- menge direkt in elektrische Energie überzuführen ohne in herkömmlicher Weise Dampferzeuger und-ver- werter, beispielsweise Dampfkessel und Dampfturbinen u. dgl., vorsehen zu müssen. Mit Hilfe solcher Energieumwandler können mit Reaktoren ausgestattete Elektrizitätswerke in einfacherer und gedrängterer
Weise und auch mit niedrigeren Kosten erstellt werden, als dies bei Verwendung von Dampf als Energie- träger möglich ist.
Energieumwandler zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie weisen im allgemeinen eine grosse Elektrode, auch Kathode, welche bei einer Arbeitstemperatur von etwa
1000 bis etwa 20000C - andere Temperaturen sind jedoch nicht ausgeschlossen-betrieben wird, und eine kalte Elektrode, auch Anode auf, welche innerhalb einer dicht verschlossenen Hülle im Abstand von der Kathode angeordnet ist. Die Arbeitstemperatur der Anode beträgt im allgemeinen OOC, obzwar auch andere Arbeitstemepraturen für die Anode in Frage kommen. Die heisse Elektrode bzw. Kathode wird auf Temperaturen erhitzt, bei welchen Elektronen von der Oberfläche der Kathode abdampfen und in den Bereich zwischen den Elektroden gelangen, d. h. die heisse Elektrode wirkt als Elektronenquelle.
Die so von der Elektronenquelle ausgesendeten Elektronen gelangen zur kalten Elektrode, d. h. zur Anode. Jede der beiden Elektroden ist zum Anschluss eines Belastungskreises mit Stromzuführungen versehen. Auf diese Art und Weise wird ein Teil der Wärmeenergie der heissen Elektrode direkt in elektrischen Strom umgesetzt.
Bei einem solchen Energieumwandler zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie wird eine Zelle verwendet, in welcher Cäsiumdampf üblicherweise mit einem Druck von etwa 10 -6 firn Hg bis etwa 1 mm Hg eingeschlossen ist. Der Cäsiumdampfbefindetsich hiebei zwischen Kathode und Anode. Eine solche Anordnung ist als Cäsiumzelle bekannt. Der in der Zelle eingeschlossene Cäsiumdampf erfüllt drei Aufgaben, welche wesentlich zu einer verbesserten direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie beitragen.
Erstens wird durch den Cäsiumdampf die Geschwindigkeit, mit welcher die Elektronen von der Oberfläche der heissen Elektrode abdampfen, erhöht, zweitens werden durch den Cäsiumdampf auch die Wärmeverluste an der Oberfläche einer kalten Elektrode vermindert und drittens wird durch den Cäsiumdampf bei Stromdurchgang eine ionisierte Gasatmosphäre bzw. ein Plasma geschaffen, wodurch der Einfluss der Raumladungswolke im Bereich zwischen der heissen Elektrode und der kalten Elektrode neutralisiert wird und wodurch die Elektronen rascher von der heissen Elektrode zur kalten Elektrode gelangen können.
Eine Ausführungsform einer Elektronenquelle für Cäsiumzellen enthält einen Brennstoffkörper auf der Basis von Uran. Eine solche Zelle kann in den Reaktorkern eingebracht werden, so dass der Brennstoffkörper
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durch die während des Betriebes des Reaktors ablaufenden Spaltprozesse auf eine Temperatur aufgeheizt wird, wie sie für eine ausreichende Elektronenemission der Elektronenquelle erforderlich ist. Es sind nun schon Brennstoffkörper als Elektronenquelle in bestimmten Ausführungsformen von Cäsiumzellen verwendet worden, die beträchtliche Mengen freien Kohlenstoff enthielten, jedoch haben sich Brennstoffkörper bzw. solche mit Brennstoffkörpern ausgestattete Cäsiumzellen wegen der auftretenden Schwierigkeiten nicht durchgesetzt.
Solche Cäsiumzellen weisen den Nachteil auf, dass die Elektronenquelle ziemlich rasch korrodiert, wodurch der erzielbare Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Cäsiumzelle herabgesetzt wird und wodurch in gewissen Fällen schliesslich auch der Betrieb eines mehrere solcher Cäsiumzellen ent- haltenden Reaktors gestört wird. Die beobachtete Korrosion beruht offensichtlich auf der Reaktion zwi- schen dem Cäsium und dem im Emitter in beträchtlichen Mengen enthaltenen freien Kohlenstoff, wie später noch im einzelnen beschrieben werden wird. In Anbetracht der Nachteile solcher bekannter Elektro- nenquellen für Cäsiumzellen ist es wünschenswert, gegen Korrosion widerstandsfähige und einen hohen Wirkungsgrad besitzende Cäsiumzellen zu schaffen, die bei einem Kohlenstoffgehalt des Brennstoffkörpers für die Verwendung in Atomreaktoren geeignet sind.
Es ist dementsprechend im wesentlichen Gegenstand der Erfindung, einen Emitter für Cäsiumzellen zu schaffen, der einen kohlenstoffhaltigen Körper aus spaltbarem Material enthält. Es ist weiters Gegenstand der Erfindung, eine gegen Korrosion widerstandsfähige Elektronenquelle für Cäsiumzellen, welche einen kohlenstoffhaltigen Kernbrennstoff enthält und für die Verbrennung in Atomreaktoren geeignet ist, zu schaffen, deren Lebensdauer gross ist.
Weitere Eigenheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung ist schematisch eine Cäsiumzelle dargestellt, die in ein für einen Atomreaktor geeignetes Brennstoffelement eingesetzt ist, wobei zwecks Darstellung des inneren Aufbaues teilweise Teile weggebrochen sind.
Die Erfindung betrifft im wesentlichen eine verbesserte Elektronenquelle für Cäsiumzellen, welche einen kohlenstoffhaltigen Kernbrennstoff enthält und welche gegen Korrosion durch das in der Zelle eingeschlossene Cäsium widerstandsfähig ist. Insbesondere ist eine solche Elektronenquelle derart aufgebaut, dass ihr Kohlenstoffgehalt bestimmte Grenzen nicht überschreitet. Obwohl die Elektronenquelle der Cäsiumzelle mit Cäsiumdampf beschlagen werden kann, so ist doch im Gegensatz zu herkömmlichen kohlenstoffhaltigen Elektronenquellen für Cäsiumzellen keine Korrosion bei den erfindungsgemässen Elektronenquellen durch das Cäsium sichtbar geworden.
In der Figur ist eineCäsiumzelle 9 innerhalb eines für die Verwendung in Atomreaktoren bestimmten Brennstoffelementes 11 dargestellt. Die Cäsiumzelle ist mit dem Brennstoffelement 11 zu einer Einheit zusammengebaut. Einzelne Teile der Cäsiumzelle sind weggebrochen, um den inneren Aufbau der Zelle sichtbar zu machen.
In der Cäsiumzelle 9 ist eine Kathode 13 angeordnet, die sowohl als Wärmequelle als auch als Elektronenquelle dient. Im Abstand von der Kathode und elektrisch isoliert von dieser ist eine Anode 15 vorgesehen, welche einen Teil der gasdichten Hülle 17 der Zelle bildet. Zur Kathode und zur Anode führen Stromzuführungen 39 bzw. 21. Rund um die Anode können aussen Kühlschlangen 23 vorgesehen sein. Am unteren Ende bzw. am Boden der Zelle kann bei 25 ein Cäsiumvorrat vorgesehen sein, der mit dem Raum 27 zwischen den Elektroden in Verbindung steht. Das Innere der Zelle, u. zw. innerhalb der Hülle 17, steht unter hohem Vakuum, wobei der Druck des Cäsiumdampfes in der Zelle bei der Arbeitstemperatur der Zelle zwischen 10-6 mm Hg und 1 mm Hg beträgt.
Die Arbeitstemperatur der heissen Elektrode der Zelle liegt innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa 10000C bis etwa 2000 C. Die durchschnittliche Arbeitstemperatur der Zelle entspricht der Temperatur, welche sich aus dem Durchschnitt der Arbeitstemperatur der heissen Elektrode und der Arbeitstemperatur der kalten Elektrode (Anode) ergibt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Kathode 13 einen kohlenstoffhaltigen Körper 29 aus Kernbrennstoff, der innerhalb der Zelle 9 zentral angeordnet ist. Dieser Brennstoffkörper 29 wirkt sowohl als Wärmequelle für die Zelle und als Elektronenquelle für die Zelle. Dem Brennstoffkörper kann irgendeine Form gegeben werden, soferne sie nur mit den Abmessungen der Cäsiumzelle und mit den durch den Reaktor bestimmten Erfordernissen im Einklang steht. So kann beispielsweise dem Brennstoffkörper 29 die in der Zeichnung gezeigte Form gegeben werden, d. h. dass er einen verstärkten unteren Teil 31 aufweisen kann, der mit einem nach oben abstehenden Fortsatz 33 einen Teil bildet. Erfindungsgemäss enthält der Brennstoffkörper den Brennstoff in Form eines Karbids, vorzugsweise in Form von Urankarbid mit oder ohne Zusatz eines andern Karbids.
Soferne der Brennstoffkörper ein weiteres Karbid enthält, ist dieses von
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einemharten hitzebeständigen Metallkarbid, vorzugsweise von Zirkonkarbid, gebildet, das mit dem Kar- bid des Brennstoffes feste Lösungen bilden kann. Das hitzebeständige Metallkarbid weist vorzugsweise auch einen relativ kleinen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen auf. Wie später noch im einzel- nen beschrieben werden wird, besitzt der Brennstoffkörper einen bestimmten Kohlenstoffgehalt.
Gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Fortsatz 33 des Brennstoffkörpers mit seinem oberen Ende mittels eines geeigneten Anschlussteiles 35 mit einem Stützstab 37 aus elektrisch leitendem
Material, der einen Teil der Stromzuführung 39 für die Kathode bildet, und welcher den Brennstoff- körper innerhalb der Cäsiumzelle hält, verbunden. Der Anschlussteil 35 besteht aus einem geeigneten, gegen hohe Temperaturen beständigen Metall guter elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Niob u. dgl., und der als Leiter dienende Stützstab 37 besteht ebenfalls aus einem geeigneten Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Silber.
Das untere Ende des Anschlussteiles 35 kann an den Fortsatz 33 unter
Verwendung eines elektrisch leitenden Materials, beispielsweise Zirkon, angelötet werden oder es kann, wie gezeigt, das mit einem Gewinde versehene untere Ende des Stützstabes 37 in das ebenfalls mit einem
Gewinde versehene obere Ende des Anschlussteiles 35 eingeschraubt sein. Das obere Ende der Stützstan- ge 33 erstreckt sich nach oben bis in die Stromschiene 39 für die Kathode. Die Stromschiene 39 ist aus
Kohlenstoff oder einem andern geeigneten Material hergestellt und innerhalb des Brennstoffelementes 11 in seiner Lage festgelegt. Die Stromschiene 39 trägt daher mit dazu bei, die Cäsiumzelle im Brennstoff- element zu fixieren und die Elektronenquelle innerhalb der Hülle 17 der Zelle im Abstand von der Hülle
17 zu halten.
Die aus Nickel oder einem andern, gegen hohe Temperaturen beständigen Metall herge- stellte Anode weist eine Seitenwand 41 auf, die von der Innenseite der Wand 43 bzw. dem Mantel 43 des
Brennstoffelementes 11 im Abstand angeordnet ist. Die Hülle 17 ist gasdicht ausgeführt und innerhalb der
Hülle befindet sich Cäsiumdampf mit dem bei der Arbeitstemperatur der Zelle bereits angegebenen Druck.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anode von der Kathode durch einen keramischen oder durch einen andern, gegen hohe Temperaturen beständigen elektrischen Isolator 45 isoliert, der den Ahschlussteil 35 imBereich des oberen Endes der Hülle 17 umgibt und einen Teil der Hülle bildet. Ein zweiter Iso- lator liegt an der Innenseite der Wand 43 des Brennstoffelementes an und umgibt einen hohlen Zapfen 49, der aus der Unterseite der Zelle nach unten vorsteht.
Das untere Ende des Zapfens ist abgeschlossen und das oben offene Ende des Zapfens steht mit dem Raum 27 zwischen den'Elektroden in Verbindung. Das Innere dieses Zapfens nimmt einen Vorrat 25 an Cäsium auf und besteht aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Kupfer u. dgl.
Die an der Aussenfläche der Anode angeordneten Kühlschlangen 23 sind von Rohren aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen, gegen hohe Temperaturen beständigen Material gebildet und stehen mit einer nicht gezeigten Kühlmittelquelle in Verbindung. Die Stromzuführung 21 für die Anode steht mit der Aussenseite der Anode in leitender Verbindung und diese Stromzuführung kann aus Kupfer oder einem andern geeigneten Material hergestellt sein. Die Stromzuführung 21 für die Anode erstreckt sich bis zu einer Stromzuführung 49 im oberen Teil des Brennstoffelementes.
Es wurde gefunden, dass, um eine Korrosion der Urankarbid enthaltenden Elektronenquelle in einer Cäsiumzelle zu vermeiden, die Elektronenquelle unter sorgfältiger Beachtung des Kohlenstoffgehaltes in der Elektronenquelle hergestellt werden muss. Es wurde insbesondere gefunden, dass, wenn ausschliesslich Brennstoff in Form eines Karbides, insbesondere in Form von Urankarbid, in der Elektronenquelle enthalten ist, in der das Atomverhältnis darstellenden Formel UCn n den Wert von etwa 1, 8 nicht überschreiten darf, soferne es sich um heissverpresstes Material handelt. In diesem Falle ist in der Elektronenquelle freier Kohlenstoff nicht in wesentlichen Mengen enthalten.
Es wird angenommen, dass iII1 wesentlichen der gesamte Kohlenstoff in der Urankarbid enthaltenden Elektronenquelle gebunden vorliegen muss, wenn die Korrosion der Elektronenquelle vermieden werden soll. Urankarbid enthaltende Brennstoffkörper, in welchen das Verhältnis der Anzahl der Kohlenstoffatome zur Anzahl der Uranatome den Wert von etwa 1, 8 nicht überschreitet, zeigen keine Korrosion des Brennstoffkörpers durch das Cäsium und wahrscheinlich deshalb, weil, wie bereits angedeutet, der gesamte Kohlenstoff im Brennstoffkörper gebunden vorliegt.
Wenn Brennstoffkörper verwendet werden, bei welchen das Verhältnis der Anzahl der Kohlenstoffatome zur Anzahl der Uranatome grösser ist, so tritt Korrosion der Elektronenquelle auf und es wird angenommen, dass diese Korrosion auf nennenswerte Mengen von in den Brennstoffkörpern nicht gebundenem Kohlenstoff zurückzuführen ist.
Es wurde weiters gefunden, dass, wenn sowohl Kernbrennstoff in Form eines Karbides, insbesondere in Form von Urankarbid, als auch ein hartes, hitzebeständiges Metallkarbid, wie beispielsweise Zirkonkarbid, miteinander vermischt, für den Aufbau der Elektronenquelle verwendet werden, in der Formel UC - ZrC n den Wert von 1, 4 nicht überschreiten darf. Bei Einhaltung dieser Bedingung ist in der Elek-
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tronenquelle auch in diesem Falle freier Kohlenstoff nicht in nennenswerten Mengen vorhanden. Im we- sentlichen der gesamte in der Elektronenquelle vorhandene Kohlenstoffmuss an das Uran oder an das Zirkon in Form eines Karbids chemisch gebunden vorliegen.
In solchen Fällen, in denen der Wert für n in der Formel für die Zusammensetzung des Materials der Elektronenquelle UCn-ZrC den Wert 1, 4 überschreitet, wird die Elektronenquelle innerhalb längerer Zeiträume durch das Cäsium angegriffen. Dies ist wahrscheinlich auf die Anwesenheit wesentlicher Mengen freien bzw. nichtgebundenen Kohlenstoffes in der Elektronenquelle zurückzuführen.
Der genaue Ablauf der bei der Korrosion der Elektronenquelle auftretenden Reaktion ist noch nicht völlig geklärt. Es ist bekannt, das Cäsium mit Kohlenstoff stabile Karbide bildet und da eine Reaktion des Cäsiums mit dem Kohlenstoff nur dann eintreten kann, wenn der Kohlenstoff in freier bzw. in ungebundener Form vorliegt, kann eine solche Reaktion nur ablaufen, wenn freier Kohlenstoff in der Elektronenquelle der Cäsiumzelle enthalten ist. Die bei Versuchen an Elektronenquellen erhaltenen Ergebnisse sind reproduzierbar.
Die erfindungsgemäss verbesserte Elektronenquelle kann in irgendeiner Weise hergestellt werden, mit welcher die erwähnten Bedingungen eingehalten werden können. Es wurde gefunden, dass beispielsweise durch Verpressen bei hohem Druck und hohen Temperaturen von in zerkleinerter Form vorliegendem Urankarbid oder einem in zerkleinerter Form vorliegenden Gemisch aus Zirkonkarbid und Urankarbid brauchbare Elektronenquellen hergestellt werden können, soferne zur Bindung der Teilchen in den Presslingen ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel nicht verwendet wird. Darüber hinaus muss das bei Anwendung einer solchen Arbeitsweise verwendete Zirkonkarbid und Urankarbid frei sein von nicht gebundenem Kohlenstoff.
Im wesentlichen reines Urankarbid und im wesentlichen reines Zirkonkarbid, das sind Karbide, welche Kohlenstoff im wesentlichen nur gebunden enthalten, sind im Handel erhältlich und können erforderlichenfalls nach an sich bekannten Arbeitsmethoden hergestellt werden, so kann beispielsweise ein pul- verförmiges Gemisch aus reinem Zirkon und Kohlenstoff in einer Argonatmosphäre im Lichtbogenofen zusammengeschmolzen werden, wobei ein Zirkonkarbid erhalten wird, das im wesentlichen frei ist von chemisch nicht gebundenem Kohlenstoff.
Ein Warmverpressen unter hohem Druck von beispielsweise 700 kg oder mehr und gleichzeitig hohen Temperaturen von beispielsweise 15000C und darüber, je nachdem, welche Bestandteile verpresst werden und wie lange gepresst wird, ist im allgemeinen ausreichend, um Teilchen aus reinem Urankarbid und Mischungen aus reinem Urankarbid und reinem Zirkonkarbid zu einer zusammenhängenden Masse, welche für die Herstellung von Brennstoffkörpern und Elektronenquellen von Cäsiumzellen geeignet ist, zusammenzusintern. Dieses Warmverpressen soll so durchgeführt werden, dass eine Verunreinigung der zu sinternden Masse durch freien Kohlenstoff vermieden wird. Es kann auch in üblicher Weise ein Glühen in Vakuum, beispielsweise bei 20000C während einer Stunde, vorgenommen werden, um den Körper, welcher die Elektronenquelle bildet, spannungsfrei zu glühen.
Das Warmverpressen kann im einzelnen wie folgt vorgenommen werden. In einer Kugelmühle wird Zirkonkarbid und Urankarbid in Argonatmosphäre solange zu einem homogenen Gemisch vermahlen, bis die durchschnittliche Teilchengrösse der Karbide 0, 0'7 mm oder weniger beträgt. Die pulverförmigen Karbide werden hierauf in eine wassergekühlte Presse eingebracht, die zur Gänze von einem Quarzrohr umgeben ist. Nach Ingangsetzen der Wasserkühlung und unter Durchleiten von Argon durch das Quarzrohr wird diePressentemperatur auf etwa 20000C gebracht und das Zirkonkarbid-Urankarbid-Pulver bei einem Druck von 245 kg/cmverdichtet. Nach abgeschlossener Verpressung werden die Presslinge unter Aufrecht- erhaltung desPressendruckes von 245 kg/cmaufRaumtemperatur gekühlt.
Nach vollständiger Abkühlung werden die Presslinge der Form enmommen.
EinweiteresgeeignetesVerfahrenzurHerstellungvon Urankarbid bzw. von Urankarbid- ZirkonkarbidMischungen für die Elektronenquelle in reiner Form besteht im Zusammenschmelzen gereinigter Teilchen von Urankarbid oder einer Urankarbid-Zirkonkarbid-Mischung und anschliessendes Vergiessen der Schmelze in Formen.
So kann beispielsweise pulverförmiges Urankarbid oder ein Gemisch aus pulverförmigem Urankarbid oder pulverförmigemZirkonkarbid, wobei sowohl das verwendete Urankarbid als auch das verwen- fete Zirkonkarbid Kohlenstoff nur in gebundener Form enthalten, zu einem festen Pressling verdichtet werden, der dann in einem von Verunreinigungen freien System, in dem eine Entgasung od. dgl. vorgekommen werden kann, im Lichtbogen niedergeschmolzen wird, worauf die Schmelze direkt in eine geeignet Form, beispielsweise aus Kupfer, vergossen wird.
Das Niederschmelzen der Karbide kann im einzelnen wie folgt vorgenommen werden. Urankarbid und Zirkonkarbid werden auf einer wassergekühlten Herdplatte aus Kupfer zu einer Scheibe mit einem Gewicht von etwa 30 g verschmolzen. Die Scheibe wird dann auf die Oberseite einer in einer Lichtbogenschweisskammer ) efindlichenFormgelegt, woraufdieSchweisskammerevakuiertundmiteinemgereinigteninertenGas, bei- : pielsweise Argon, bis zu einem Druck von 650 mm Hg gefüllt wird. Hierauf wird die Scheibe mittels eines
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elektrischen Lichtbogens erhitzt, indem der Lichtbogen zwecks Vorwärmung der Scheibe aus Zirkonkarbid und
Urankarbid zunächst am äusseren Rand der Graphitform gezündet und der Lichtbogen sodann direkt auf die
Scheibe gelenkt wird.
Die Scheibe wird dadurch bis auf Schmelztemperatur erhitzt und die Schmelze fliesst in das Innere der Form ab. Sobald die Form ausgefüllt ist, wird der Lichtbogen abgeschaltet und gekühlt. Nach abgeschlossener Kühlungwird dasGussstück aus derFormentfernt. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, auch auf andere Weise zu einer Urankarbid enthaltenden Elektronenquelle zu gelangen, die frei ist von ungebunde- nem Kohlenstoff. In einer Versuchsserie wurde die Korrosionsgeschwindigkeit einer Urankarbid und darüber hinaus auch nennenswerte Mengen ungebundenen Kohlenstoffes (in der Grössenordnung von 0, 92 Gew.-lo) ent- haltenden Elektronenquelle bestimmt.
Durch diese Versuche wurde deutlich die Zerstörung der Elektronen- quelle durch die durch Cäsium bei Raumtemperatur und bei 3000C innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne von in einigen Fällen nur 5 Minuten bewirkte Korrosion erwiesen. Dadurch wurde nachgewiesen, dass es wün- schenswert ist, die Substanz der Elektronenquelle frei von freiem Kohlenstoff zu halten oder den Gehalt der
Substanz der Elektronenquelle an freiem Kohlenstoff sehr gering zu halten. Durch eine weitere Versuchsserie wurde die zulässige Konzentration des in der Substanz der Elektronenquelle in Form eines Karbids gebundenen
Kohlenstoffes festgelegt. Die die letztgenannten Versuche betreffenden Einzelheiten sind in der folgenden
Tabelle zusammengefasst.
Bei beiden Versuchsserien wurden Elektronenquellen sowohl durch Warmverpressen mit oder ohne anschliessende Glühung oder durch Erschmelzen im Lichtbogenofen im wesentlichen nach der angege- benen Arbeitsweise hergestellt, wobei bei der Herstellung der für die erste Versuchsserie verwendeten
Prüflinge nicht gebundener Kohlenstoff bereits in den Ausgangsstoffen und damit auch im Endprodukt ent- halten war. Der Gehalt der Prüflinge an gebundenem Kohlenstoff war von Prüfling zu Prüfling verschie- den und jeder Prüfling wurde einem später noch beschriebenen Korrosionsversuch unterworfen.
DiePrüflingefürdieletztgenannteVersuchsseriewurden bei 21000C und einem Druck von 243 kg/cm2 aus keinen ungebundenen Kohlenstoff enthaltenden Pulvern mit einer Korngrösse von 0, 07 mm oder weniger warmverpresst. Jener Teil der Prüflinge, welcher nur aus keinen nichtgebundenen Kohlenstoff enthaltendem Urankarbid hergestellt wurde, wurden durch Warmverpressen eines Urankarbid-Pulvers mit einer Korngrösse von 0, 045 mm oder weniger bei 18750C - 19600C bei einem Druck von 243 kg/cm2 hergestellt. Das Urankarbid-Pulver wurde durch Mahlen von im Lichtbogenofen aus reinem Uran und Kohlenstoff in einer Argonatmosphäre erschmolzenem Urankarbid hergestellt.
Urankarbid-Zirkonkarbid-Mischungen wurden bei 1875-1960 C und einem Druck von 243 kg/cm2 durch Warmverpressen eines pulverförmigen Gemisches mit einer Korngrösse von 0, 07 mm oder weniger das durch Vermischen von Zirkonkarbid-Pulver und Urankarbid-Pulver (beide aus in Argonatmosphäre erschmolzenen Karbiden hergestellt) erhalten wurde, hergestellt. Soferne Prüflinge spannungsfrei geglüht wurden, wurde das Spannungsfreiglühen eine Stunde bei 20000C im Vakuum vorgenommen.
Es wurden auch im Handel erhältliche Proben aus metallischem Zirkon von einer für Atomreaktoren geeigneten Reinheit spektroskopisch reinen Graphits geprüft. Der Durchmesser aller warmverpressten Stücke betrug 4, 8 mm und die Länge dieser Probestücke betrug 3, 2-6, 4 mm.
Für die Korrosionsversuche im Rahmen beider Versuchsserie wurde von der Firma Varlosoid Chemical Company hergestelltes metallisches Cäsium verwendet, das nochmals durch Destillation gereinigt wurde. Mengen von 0, 5 g des so gereinigten metallischen Cäsiums wurden in Glasampullen eingeschmolzen.
Aus in den Tabellen angegebenen Metallen bzw. Karbiden u. dgl. hergestellte Prüflinge wurden stets zunächst durch Abschmirgeln von Unregelmässigkeiten an der Oberfläche befreit und dann in einen mehrhalsigen Kolben aus Pyrexglas eingebracht. Eine mit Cäsium gefüllte Ampulle wurde zusammen mit einem Stuck Eisenstab in ein Rohr aus Pyrexglas eingeschmolzen und dieses Glasrohr wurde in ein Glasrohr grösseren Durchmessers eingeführt und ebenfalls in den mehrhalsigen Kolben eingebracht.
Nach Entgasung des Systems bei 4000C und Evakuierung auf einen Druck von 10-5 mm Hg wurde die mit Cäsium gefüllte Ampulle mittels des eingeschlossenen Stück Eisenstabes zerbrochen, indem der Eisenstab von aussen her mit einem Magnet bewegt wurde. Anschliessend wurde der Kolben von der Pumpe abgeschaltet und flüssiges Cäsium in die die Prüflinge enthaltenden Arme des mehrhalsigen Kolbens gegossen. Soferne eine Korrosion sichtbar wurde, wurde dies notiert. Soferne nach 12 Stunden bei Raumtemperatur keine Korrosion des Prüflings sichtbar wurde, wurde der entsprechende Arm des mehrhalsigen Kolbens an seinem engen Hals abgeschmolzen und in einen Muffelofen eingebracht und dort auf 3000C erhitzt, bis Korrosion sichtbar wurde.
Die Gesamtdauer der Prüfung bei Raumtemperatur und bei 3000C betrug in solchen Fällen mindestens 20 Stunden. Wie der untenstehenden Tabelle zu entnehmen ist, zeigte ein Prüfling, welcher 95 Gew. -'1o Urankarbid und 5 Gew. -0/0 Zirkonkarbid enthielt und frei von ungebundenem Kohlenstoff war, nach 72 Stunden keine sichtbaren Anzeichen einer durch Cäsium bewirkten Korrosion.
In der folgenden Tabelle sind die an Prüflingen bei Durchführung der verschiedenen Versuche erhaltenen Ergebnisse zusammengefasst.
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Tabelle
EMI6.1
<tb>
<tb> Zusammensetzung <SEP> Herstellung <SEP> Korrosionstempe-Gesamte <SEP> Ergebnis
<tb> des <SEP> Prüflings- <SEP> des <SEP> Prüflings <SEP> ratur <SEP> Prüfdauer
<tb> ZrC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> und <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 3000C
<tb> UC <SEP> Erschmelzen <SEP> im <SEP> Raumtemperatur <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> Lichtbogenofen
<tb> UC1,5 <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> UC2,0 <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> UC1,0-ZrC <SEP> warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> und <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> (50+50 <SEP> Gew.
<SEP> -%) <SEP> 300 C
<tb> suc-arc <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> (50+50 <SEP> Gew.-%)
<tb> 235
<tb> UC-ZrC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 1. <SEP> 7
<tb> (50+50 <SEP> Gew. <SEP> -0/0) <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> UC2-ZrC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> (50+50 <SEP> Gew.
<tb>
UC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> und <SEP> 20 <SEP> Std. <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 1,0 <SEP> 300 C
<tb> UC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> und <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 1,2 <SEP> 300 C
<tb> UC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> und <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 1,4 <SEP> 300 C
<tb> UC <SEP> Warmpressen <SEP> und <SEP> Raumtemperatur <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 1,6 <SEP> Glühen
<tb> UC1, <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion <SEP>
<tb>
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Tabelle (Fortsetzung).
EMI7.1
<tb>
<tb>
Zusammensetzung <SEP> Herstellung <SEP> des <SEP> Korrosionstempe-Gesamte <SEP> Ergebnis
<tb> des <SEP> Prüflings <SEP> Prüflings <SEP> ratur <SEP> Prüfdauer
<tb> UC <SEP> Warmpressen <SEP> und <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> Glühen
<tb> UC-ZrC <SEP> Schmelzen <SEP> im <SEP> 3000C <SEP> 72 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> (95+5 <SEP> Gew. <SEP> Lichtbogenofen
<tb> UC-ZrC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> und <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 300 C
<tb> (50+50 <SEP> Gew.
<SEP> -0/0) <SEP>
<tb> UC1,4-ZrC
<tb> (50+50 <SEP> Gew.-%) <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> und <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 3000C
<tb> UC <SEP> -ZrC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 1,6
<tb> (50+50 <SEP> Gew.-%) <SEP> Warmpressen <SEP> und <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> Glühen
<tb> UC1,8-ZrC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> (50+50 <SEP> Gew.
<SEP> -%) <SEP> Warmpressen <SEP> und <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> Glühen
<tb> UC2-ZrC <SEP> Warmpressen <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> (50+50 <SEP> Gew.-%) <SEP> Warmpressen <SEP> und <SEP> Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> Glühen
<tb> Graphit-Raumtemperatur <SEP> 5 <SEP> min <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> Zr-Raumtemperatur <SEP> und <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 3000C
<tb> Cu-Raumtemperatur <SEP> und <SEP> 20 <SEP> Std <SEP> keine <SEP> sichtbare <SEP> Korrosion
<tb> 3000C
<tb>
Bemerkung : Die in den Formeln angedeuteten Kohlenstoffgehalte beziehen sich nicht notwendigerweise auf gebundenen oder ungebundenen Kohlen- stoff.
Lediglich jene Urankarbid-Prüflinge mit einem Wert für n von nicht mehr als 1, 8 im Falle UC und jene Urankarbid-Zirkonkarbid-Prüflinge mit einem Wert für n von nicht mehr als 1, 4 waren frei an nicht gebundenem Kohlenstoff.
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Durch diese Tabelle wird deutlich darauf hingewiesen, dass Cäsium und nicht gebundener Kohlen- stoff (in einzelnen Fällen der Versuchsreihe Graphit) reagiert. Darüber hinaus führten die Beobachtungen an Prüflingen von Elektronenquellen mit einem Gehalt an nicht gebundenem Kohlenstoff zu denselben
Ergebnissen. Die in der Tabelle zusammengefassten Versuchsergebnisse weisen weiters deutlich darauf hin, dass, wenn allein Urankarbid in der Elektronenquelle vorhanden ist und wenn das Verhältnis der Anzahl der gebundenen Kohlenstoffatome zur Anzahl der Uranatome den Wert von 1, 8 nicht überschreitet und damit in der Elektronenquelle kein ungebundener Kohlenstoff anwesend ist, während einer Versuchsdauer von
20 Stunden beiRaumtemperatur und bei 3000C keine Korrosionserscheinungen sichtbar werden.
Wenn die- ses Verhältnis den Wert von 1, 8 überschreitet, so tritt rasch Korrosion ein, u. zw. beispielsweise schon nach etwa 5 Minuten. Die Korrosion der Elektronenquelle ist somit offensichtlich auf eine chemische Re- aktion des im Urankarbid nichtgebundenen Kohlenstoffes und des Cäsiums zurückzuführen, wodurch die
Wirksamkeit der Elektronenquelle in der Cäsiumzelle verringert wird.
Die obige Tabelle weist weiters deutlich darauf hin, dass, wenn für die Herstellung der Elektronenquelle ein Gemisch von Urankarbid und
Zirkonkarbid verwendet wurde, und wenn das Verhältnis der Anzahl der Kohlenstoffatome zur Anzahl der Uranatome in der Elektronenquelle nicht mehr als 1, 4 beträgt und damit in der Elektronenquelle kein freier Kohlenstoff vorliegt, eine sichtbare Korrosion der Elektronenquelle innerhalb einer Prüfdauer von 20 Stunden beiRaumtemperatur und bei 3000C nicht auftritt. Wenn jedoch in diesem Falle das Atomverhältnis den Wert von 1, 4 überschreitet, tritt rasch eine sichtbare Korrosion, üblicherweise innerhalb von 5 Minuten auf, wodurch die Elektronenquelle rasch zerstört wird.
Es ist deshalb von besonderer Wichtigkeit, den Kohlenstoffgehalt in der Elektronenquelle innerhalb der angegebenen Grenzen zu halten, um sichtbare Korrosion zu vermeiden. Es ist weiters von Wichtigkeit, die Elektronenquelle so herzustellen, dass sie keinen nichtgebundenen Kohlenstoff enthält.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Energieumwandler für Atomreaktoren mit einer Kernbrennstoff enthaltenden Kathode und einer Anode, wobei zwischen Kathode und Anode Cäsiumdampf geringen Druckes vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode von einem Karbid eines spaltbaren Metalles gebildet ist und im wesentlichen frei ist an ungebundenem Kohlenstoff, wobei in der Kathode das Verhältnis der Anzahl der Kohlenstoffatome zur Anzahl der Atome des spaltbaren Metalles maximal 1, 8 : 1 beträgt.