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Verbindung von Graphitteilen, insbesondere bei Reaktoren
Die Erfindung betrifft eine gas-und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen einem mit einer Öffnung versehenen Graphitkörper und einem in diese Öffnung eingesetzten Graphitverschlusskörper.
SindGraphitteile miteinander zu verbinden, so ist es häufig erwünscht oder notwendig, dass die Verbindung gas- und flüssigkeitsdicht ist. Dies gilt besonders für Hohlkörper aus Graphit, vor allem dann, wenn diese Körper selbst gas- und flüssigkeitsdicht sind. Vor allem aber ist gedacht an Hochtemperaturbrennstoffelemente mit einer Hülle aus Graphit für Reaktoren.
Wird in eine solche Graphithülle der Kembrennstoff durch eine Einfüllöffnung eingesetzt, so ist an-
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oder Graphit, die zwar flüssigkeitsdicht, nicht aber gasdicht sind, mit Hilfe eines Abschlussdeckel zu verschliessen. In der Regel besteht aber die Aufgabe, eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen der Graphithülle und dem Stopfen herzustellen.
Auch gasdichte Verschlüsse sind bereits bekannt. Der gasdichte Verschluss besteht hiebei aus einem Graphitstopfen, der in die Öffnung des Graphitbehälters eingekittet oder eingeschraubt ist. Da eine Schraubverbindung nicht ausreichend dicht ist, wird auch hier stets zusätzlich eine Verkittung der Verbindungsstellen vorgenommen. Auch Kittverbindungen werden jedoch, insbesondere über längere Zeiträume gesehen, nicht allen gestellten Anforderungen, vor allen bezüglich der Gasdichtheit, gerecht.
Ausserdem ist die Herstellung einer guten Kittverbindung relativ umständlich.
Gegenstand der Erfindung ist hingegen eine besonders einfache und wirkungsvolle Lösung des beschriebenen Problems. Ihr Wesen besteht darin, dass die Verbindungsstelle zwischen beiden Körpern als Presssitz ausgebildet ist. Es lässt sich so, obgleich Graphit verhältnismässig weich ist, überraschenderweise eine Verbindung erzielen, die einfach ist und zugleich sich als sehr wirkungsvoll erwiesen hat. Der Be- griff"Presssitz"istimSinne derBegriffsbestimmungen der in Deutschland geltenden Normen (DIN-Blätter, insbesondere DIN-Blatt 7154) zu verstehen.
Die Zeichnungen veranschaulichen einige Ausführungsbeispiele ; es zeigt Fig. l im Schnitt den Ruhesitzverschluss einer zylindrischen Öffnung in einer Platte durch einen zylindrischen Stopfen ; Fig. 2 im Schnitt ein Reaktorbrennstoffelement in Kugelform mit einem Verschluss gemäss der Erfindung, jedoch noch ohne den als Verschluss dienenden Stopfen, Fig. 3 in Seitenansicht eine Einzeldarstellung des zugehörigen Stopfens ; Fig. 4 im Schnitt ein Reaktorbrennstoffelement in Zylinderform mit dem neuen Verschluss, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V - V der Fig. 4.
In Fig. 1 ist die Platte 1 mit einer zylindrischen Öffnung versehen, die in ihrem oberen Teil 2a z. B. einen Durchmesser von 30 mm und in ihrem unteren Teil 2b einen Durchmesser von 20 mm besitzt. Es ist so innerhalb der Öffnung 2a, 2b ein Absatz gebildet als Anschlag für den die Öffnung verschliessenden zylindrischen Stopfen 3. Dieser Stopfen 3 füllt also in der zylindrischen Öffnung nur den Teil 2a aus. Dieser Teil ist mit der Passung H7. der Stopfen 3 mit der Passung s6 ausgeführt. Die Platte 1 kann als Teil eines Gehäuses, z. B. einer Hülle für ein Kernbrennstoffelement, aufgefasst werden.
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Der Graphitstoff, aus dem die Teile 1 und 3 hergestellt sind, kann - wie bei der untersuchten Ausführung - ein im Gesenk verpresstes Feinkommaterial mit einer Körnung von maximal 0,1 mm sein.
Die Achse der Öffnung 2a, 2b und die entsprechende Achse des zylindrischen Stopfens 3 verlaufen bei der untersuchten Probe in der Gesenkpressrichtung. Die fertigen Formkörper oder die Platten, aus denen die Teile 1 und 3 hergestellt sind, sind gedichtet, z. B. durch eine Kunstharzimprägnierung. An diesen Formkörpem mit den in Fig. 1 angegebenen Abmessungen hat sich bei einem Versuch eine Permeabilität ergeben von K = 1, 3. 10-4 cm2 sec-l, bestimmt durch die bekannte Vakuumverfallmethode, also bestimmt bei einem Druckgefälle in der Probe von maximal 1 Atmosphäre.
Die beiden Teile 1 und 3 sind mit Hilfe des zylindrischen Presssitzes gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden. Der Stopfen 3 ist mit einem Gesamtdruck von 70 kg in den Teil 1 bis zum Anschlag an der den Öffnungsteil 2b begrenzenden Wandung eingedrückt worden. Ohne zusätzliche DichtungsmittelhatdiesogeschaffeneVerbindungeinenPermeabilitätskoeffizientenvonK=l, 8. 10'4cm2, . sec-l für Luft ergeben.
Wenngleich zwischen den zu verbindenden Graphitteilen an sich eine zusätzliche Dichtung oder Festlegung, z. B. eine Verkittung, nicht notwendig ist, so hat sie doch den Vorteil, dass sie die verbundenen Teile in ihrer Lage zusätzlich sichert. Diese Wirkung wird besonders dann erreicht, wenn mindestens eins der verbundenen Graphitteile an der Verbindungsstelle eine oder mehrere Vertiefungen (wie Fugen, Rillen, halbkugelartige Ausnehmungen od. dgl.) aufweist, die mit einem Füllstoff, insbesondere einer Kohlenstoffmasse, gefüllt sind. Vor allem gilt das, wenn beide Graphitteile an der Verbindungsstelle mit Vertiefungen versehen sind, die einander gegenüberstehend und demgemäss paarig zusammenwirken. Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt.
In Fig. 2 ist im Schnitt die kugelförmige Graphithülle eines Hochtemperaturbrennstoffelementsfür Reaktoren dargestellt. Die Graphithülle 4 enthält, um ihren Mittelpunkt herum, eine zylindrische Bohrung 5 zur Aufnahme des Kembrennstoffeinsatzes (Brennstoffpille). An die zylindrische Bohrung 5 schliesst sich ein kegelförmiger Übergang 6a und daran sine zylindrische Bohrung 6b an. Diese ist nahe der Kugeloberfläche zu einer kreisförmig in sich zurücklaufenden Rille 6c erweitert. Die Bohrung oder, in anderer Bezeichnung die Einfüllöffnung 6b ist nach dem Einsetzen der Brennstoffpille gas-und luftdicht zu verschliessen. Hiezu dient der in Fig. 3 in Einzeldarstellung gezeigte zylindrische Stopfen 7 aus Graphit.
Er ist nach seiner Höhe und dem Verlauf seines Kopfteiles im wesentlichen von gleicher Gestaltwie der Teil, der zur Bildung der Bohrung 6b aus der Hülle 4 herausgeschnitten ist, so dass nach dem Einsetzen des Stopfens 7 die Hülle 4 mit dem Stopfen 7 eine kugelförmige Oberfläche darbietet, wenn von der nachgenanntenRille 7a und den nachbezeichnetenKanälen 7b abgesehen wird.
Die in den Stopfen 7 eingedrehte Rille 7a läuft kreisförmig in sich zurück und steht nach dem Einsetzen des Stopfens 7 der Rille 6c der Hülle 4 gegenüber, sie deckt sich mit ihr spiegelbildlich. An die Rille 7a schliessen sich, parallel zur Achse des Stopfens 7, einige Kanäle 7b an ; vorzugsweise sind es drei, um 1200 über den Umfang des Stopfens 7 gegeneinander versetzte Kanäle.
Sie geben nach dem Einsetzen des Stopfens 7 in die Hülle 4 den Rillen 6c und 7a eine Verbindung mit der umgebenden Atmosphäre. Infolgedessen können durch die Kanäle 7b die Gase frei austreten, die sich aus der in die Rillen 6c und 7a eingebrachten Füllmasse beim Brennen, Verkoken, Graphitieren oder sonstigen Behandlung entwickeln. Die Füllmasse wird insbesondere in der Weise eingebracht, dass die Rillen 6c und 7a vor dem Einsetzen des Stopfens 7 mit der Füllmasse voll ausgestrichen werden.
Die Masszahlen in den Fig. 2 und 3 und ebenso in den übrigen Figuren sind Angaben in Millimetern.
Das Material der Huile 4 und des Stopfens 7 kann ein stranggepresster Graphit sein, vorzugsweise mit der Strangpressrichtung in Richtung der Achse der zylindrischen Bohrung 5 und 6b und der Achse des Stopfens 7.
Bei einem Versuch mit einer Ausführung nach den Fig. 2 und 3 ist ein Material mit einer Körnung von maximal 0, 4 mm benutzt worden. Das Material ist durch Flüssigimprägnierung und anschliessende Verkokung auf Endpermeabilitäten von 4. 10-6 cm2 sec-l gedichtet worden. Die Permeabilität ist an der Kugel mit Bohrung pauschal gemessen worden unter Anwendung der korrigierten Formel :
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Nach Abschluss der Messung ist die Messbohrung auf die zylindrische Bohrung 6b mit dem Konusanschlag 6a und der Rille 6c erweitert worden. Wie in Fig. 2 angegeben ist, hat bei dem untersuch- ten Ausführungsbeispiel die Bohrung 6b einen Durchmesser von 22 mm.
Der zylindrische Stopfen ist aus dem gleichen Material wie die Hülle 4 hergestellt worden mit dem Durchmesser 22 mm. Die Permeabilität des Stopfens 7 entspricht der der Hülle 4. Die Hülle 4 wird mit der satt sitzenden zylindrischen Brennstoffpille unter Vakuum gefüllt. Darauf wird, wie schon gesagt, die Rille 6c der Hülle 4 und die Rille 7a des Stopfens 7 voll mit einem Kitt, z. B. einem Kitt der nachgenannten Zusammensetzung, ausgefüllt. Anschliessend wird der Stopfen 7 im Vakuum mit einem Gesamtdruck von 150 kg in die Hülle 4 bis zum Anschlag am Konus 6a eingedrückt und aussen, wo er zunächst etwas übersteht, auf die Kugeloberfläche abgeschliffen. Nunmehr wird die Kugel 4, 7 mit jeweils einstündigen Haltestufen bei 800C und 1100C bis auf 2500C gebracht.
Darauf wird sie unter einem nichtoxydierenden Schutzgas bei 10000C gebrannt.
Der Kitt, der als Füllstoff für die Rillen 6c und 7a benutzt wird, kann, wie bei dem beschriebenen Versuch, von folgender Zusammensetzung sein :
80 Gew.-Teile Reinstgraphitpulver der Körnung 60Jl
15 Gew.-Teile Furfuracrolein-Harz mit einer Viskosität von 300 cp
4 Gew.-Teile Benzotrichlorid
1 Gew.-Teil Porofor BSH (Benzolsulfosäurehydrazid als Treibmittel).
Die Temper- und Pyrolysegase (anfänglich HCl, dann H20 und Kohlenwasserstoffe) entweichen durch die Entgasungskanäle 7b, die bei dem Ausführungsbeispiel einen lichten Durchmesser von etwa 0, 5 mm haben. Es ist leicht zu ersehen, dass der in den Rillen 6c und 7a befindliche Kitt oder sonstige Füllstoff nach dem Erhärten oder Brennen den Stopfen 7 zusätzlich festlegt gegenüber der Hülle 4, im vorliegenden Falle ihn gegen eine axiale Verschiebung relativ zur Hülle 4 sichert. Der Füllstoff kann auch eine zusätzliche Dichtung bedeuten. Die Wirkung wird erhöht, wenn ein Füllstoff, insbesondere ein Kitt, benutzt wird, der sich beim Brennen ausdehnt. Hiefür können Kitte mit Treibzusätzen verwendet werden. Es sind auch sonst Kitte bekannt, die sich beim Brennen ausdehnen (vgl. z.
B. die ital. Patent- schrift Nr. 593818).
Bei dem genannten Versuch mit einer Ausführung nach den Fig. 2 und 3 ist an der fertig gebrannten Kugel mit Hilfe einer Messbohrung, die bis zum Hohlraum zwischen der Brennstoffpille und dem Stopfen 7 reicht, die Permeabilität gemessen worden. Es hat sich hiebei eine Permeabilität von 7.10-6 cm2 sec" ergeben.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 und 3 sind die Rillen 6c und 7a so angeordnet, dass die eingebrachte Füllmasse (insbesondere Kitt) den Stopfen 7 gegen eine axiale Verschiebung relativ zur Huile 4 sichert.
Die Rillen und/oder die sonstigen Vertiefungen lassen sich aber auch so anbringen, dass sie - gefüllt - die beiden Graphitteile gegen jede Relativbewegung, in welcher Richtung es auch sei, zueinander sichern.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 und 5, das wieder ein Brennstoffelement für Reaktoren darstellt, ist die Hülle 8 zylindrisch bzw. becherförmig gestaltet. Vom offenen Ende her wird der Kernbrennstoff, z. B. in Gestalt von Brennstofftabletten, eingefüllt. Darauf wird der Stopfen 9 eingebracht.
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Aufnahme des Stopfensso dass der Stopfen 9 einen Anschlag findet. Die zylindrische Bohrung zur Aufnahme des Stopfens 9 und dieser selbst sind mit Passungen aufeinander abgestimmt, für die das oben Gesagte gilt. Der Stopfen 9 und die Hülle 8 bestehen aus Graphit. Auch hiefür gelten die obigen Ausführungen.
Zum Festlegen des Stopfens 9 in seiner Lage zur Hülle 8 sind am Umfang des Stopfens 9 drei axiale Kanäle 9a angebracht. An sie schliessen kugelige Vertiefungen an, die je zu einem Teil in dem Stopfen 9 und zum andem Teil in der Hülle 8 angebracht sind. Die zusammenwirkenden Telle der Vertiefungen 10 stehen bei der Sollage des Stopfens 9, wie dargestellt, einander gegenüber und ergänzen sich alsdann - bis auf die Öffnung zu den Kanälen 9a hin-je zu einem kugelförmigen Hohlraum.
Der Füllstoff, insbesondere ein brennbarer Kitt, kann in der gleichen Weise, wie es oben angegeben ist, eingefüllt werden. Stattdessen - das gilt auch sonst, insbesondere für die Ausführung nach Fig. 2 und 3
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und für ähnliche Ausführungen - kann die Füllmasse auch über die "Entgasungskanäle", im Falle der Fig. 4 und 5 also über die Kanäle 9a, eingefüllt werden.
Dièses Einfullverfahren, bei dem also nach dem Einbringen des Stopfens die Füllmasse in die Vertiefungen eingeführt wird, ist besonders dann vorteilhaft, wenn erst die geschlossene Hülle in ihrer Gesamtheit gedichtet wird, z. B. durch eine Flüssigimprägnierung (Imprägnierung mit Harzen). Das gilt insbesondere auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 und 5. Hier sei der becherförmige Graphitkörper 8 z. B. mit Karbidbrennstoffelementen gefüllt, die ihrerseits durch Pyrographitschichten gasdicht ve'schlos- sen sind. Nach dem Einfüllen der Brennstoffelemente wird der zylindrische Stopfen 9 in die zugehöri-
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9 haben z. B. einen Durchmesser von 2 mm und eine Tiefe von 7 mm.
Der sich an jeden Kanal 9a anschliessende und mit ihm verbundene kugelförmige Hohlraum 10 hat einen Durchmesser von etwa 5 mm, davon etwa 3 mm im Stopfen 9 und 2 mm in der Hülle 8.
Die Hülle 8 wird, nachdem der Brennstoff im Vakuum eingefüllt und der Stopfen 9 eingepresst ist, mit einer Harzlösung (Furfuracrolein-Harz, Viskosität 1000 cp) bei Raumtemperatur im Vakuumdruckverfahren "imprägniert". Diese hochviskose Harzlösung kann jedoch nicht durch die dünnen Poren
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feinkörnigen GraphitsGraphitformkörper mit einem Harzfilm überziehen und vor allem in die Kanäle 3a des Verschlusses eindringen und diese ganz füllen. Das Harz wird ähnlich wie oben angegeben getempert und bei 10000C ge- brannt ; der Imprägnierschrittwird 1 - 2 mal wiederholt. Man erhält einen sehr festen Verschluss und ausserdem eine gute Abdichtung des ganzen Graphitkörpers 8,9 gegen Gasaustritt aus dem Innern.
Die gegebenen Beispiele für die Vertiefungen lassen erkennen, dass man die Vertiefungen in der verschiedensten Art gestalten und anbringen kann ; sie sind z. B. auch als schräge Rillen verwendbar, die ihrerseits im Verhältnis zueinander verschiedene. Richtungen haben können.
PA TENTANSPRPCHE :
1. Gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen einem. mit einer Öffnung versehenen Graphitkörper undeinemin diese Öffnung eingesetzten Graphitverschlusskörper, dadukch cyekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle zwischen beiden Körpern als Presssitz'ausgebiÏdet ist.