AT270831B - Brennstoffelement für Kernreaktoren - Google Patents

Description

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  Brennstoffelement für Kernreaktoren 
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 kohlenstoffhaltigen Kugel oder durch Aushöhlen zusammenpassender Halbkugeln hergestellt werden, wodurch konkave Teile entstehen, die mit dem brennstoffhaltigen Kernmaterial gefüllt werden können.
Als andere Möglichkeit kann man durch geeignete Formverfahren konkave Teile direkt und ohne
Notwendigkeit des spanabhebenden Herausarbeitens der erforderlichen Abschnitte herstellen. Die Dicke des Aussenmantels richtet sich nach den Erfordernissen der Reaktoranlage. 



   Die Öffnung, durch welche die brennstoffhaltige Kernmischung in eine ausgehöhlte Kugel eingeführt wird, lässt sich leicht mittels eines Stopfens verschliessen, der in die Öffnung entweder hineingleitet oder mit einem Gewinde in die Öffnung eingeschraubt wird. 



   Die brennstoffhaltige Kernmischung wird nach irgendeinem im Fach bekannten, geeigneten
Mischverfahren und Rezept vorbereitet. Grob gesprochen mischt man ein Kernbrennstoffmaterial mit einem für hohe Temperaturen geeigneten Grundmaterial und einem Bindemittel in solchen Anteilen, wie es für bequemes Hantieren und Formen des Brennstoffelementes erforderlich ist. 



   Die brennstoffhaltige Kernmischung wird in den Schutzmantel bzw. die Hülle unter einem Druck eingeführt, der ausreicht, um die gewünschte Dichte zu erzielen. Dann wird im allgemeinen Wärme eingesetzt, um allfällig verwendete härtbare Bindemittel auszuhärten. Das zusammengesetzte
Brennstoffelement wird sodann gebrannt, um das Bindemittel zu karbonisieren und das Endprodukt zu erreichen. 



   Leider führt bei Verwendung eines starren Schutzmantels das Brennen meist zu einer Ablösung des brennstoffhaltigen Kernes vom äusseren Mantel. Während des Brennens werden die flüchtigen Stoffe der brennstoffhaltigen Kernmischung aus dieser ausgetrieben, das Bindemittel karbonisiert und es ergibt sich eine Volumsverminderung. Da der Aussenmantel ein schon vorher gebrannter kohlenstoffhaltiger
Teil ist, erleidet er keine solche Volumsänderung. Die Ablösung des brennstoffhaltigen Kernes vom
Aussenmantel ist der Leistung und den Eigenschaften des Brennstoffelementes abträglich. Der Spalt zwischen dem brennstoffhaltigen Kern und dem Mantel reduziert den Wärmeübergang vom brennstoffhaltigen Kern und vermindert sehr die Druckfestigkeit des Brennstoffelementes. 



   Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden. Dies wird bei einem Brennstoffelement der genannten Art   erfindungsgemäss   dadurch erreicht, dass der brennstoffhaltige Kern mit dem brennstofflosen Aussenmantel aus Graphit durch eine Klebstoffschicht verbunden ist, die Kohlenstoff,
Expansivgraphit und ein karbonisierbares Bindemittel enthält, wobei der brennstoffhaltige Kern frei von
Expansivgraphit ist. 



   Durch die Verwendung von Expansivgraphit in der Klebstoffschicht zwischen Kern und Aussenmantel wird ein Ablösen des Kernes vom Aussenmantel beim Brennen vermieden. 



   Als Expansivgraphit wird dabei ein natürlicher oder künstlicher Graphit verstanden, der so behandelt wurde, dass der Abstand zwischen übereinanderliegenden Lagen bzw. Blättchen beträchtlich aufgeweitet und damit eine merkliche Ausdehnung in Richtung normal zu den Schichten,   d. h.   in der "c"-Richtung, erzielt worden ist. Man hat somit einen expandierten Graphitaufbau, dessen Blättchencharakter im wesentlichen erhalten bleibt. 



   Gemäss den USA-Patentschriften Nr. 1, 137, 373 und Nr. 1, 191, 383 z. B. lässt man natürlichen Graphit in Flocken-oder Pulverform von einer Partikelgrösse über 75 Mikron expandieren, indem man die Graphitpartikel zuerst entsprechend lang einem oxydierenden Medium aussetzt, das auf einer geeigneten Temperatur gehalten wird. Nach Beendigung der Oxydationsbehandlung werden die feuchten Graphitpartikel bzw. Massen mit Wasser gewaschen und dann zwecks voller Ausdehnung der Graphitpartikel in   der"c"-Richtung   auf eine Temperatur zwischen 350 und 6000C erhitzt. Die bekanntgegebenen Oxydationsmedien sind Mischungen von Schwefelsäure und Salpetersäure sowie Mischungen von Salpetersäure und Kaliumchlorat. 



   Der hier verwendete Ausdruck Expansivgraphit bezeichnet also ein Graphitmaterial, das so behandelt wurde, dass es sich bei Erwärmung auf eine Temperatur über   3500C   ausdehnt. Zur Herstellung von Expansivgraphit folgt auf den Waschvorgang eine Trocknung bei Temperaturen unterhalb jenen, bei welchen die Ausdehnung wirklich stattfindet. Nachfolgendes Erhitzen bzw. 



  Brennen bei entsprechenden Temperaturen führt dann zum Expandieren. 



   Durch diese Behandlung erzielte man eine Ausdehnung von Partikeln aus natürlichem Graphit bis zum 25-fachen des ursprünglichen Volumens. 



   Die Verwendung von Expansivgraphit gleicht die Schrumpfung des brennstoffhaltigen Kernes aus und sichert durchgehenden Kontakt zwischen dem brennstoffhaltigen Kern und dem Aussenmantel. 



  Durch Ausschaltung des Spaltes zwischen dem brennstoffhaltigen Kern und dem Mantel wird der Wärmeübergang erhöht und die Leistung des Brennstoffelementes sowie dessen mechanische Festigkeit verbessert. 

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