Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrei ben eines Kernreaktors, welches dadurch gekennzeich net ist, dass man eine Kernreaktion herbeiführt und da durch einen Neutronenfluss bewirkt und die Neutronen bremst und gegebenenfalls reflektiert, indem man in den Weg der Neutronen geformte Reaktorteile bringt, die im wesentlichen durch Graphitierung von verkok- tem Gilsonit hergestellt sind.
Die beschriebenen Graphitprodukte sind sehr ge eignet zur Verwendung in Kernreaktoren, in denen das spaltbare Material, wie z. B. Uranoxyd, Urancarbid oder Plutonium, oder ein Brutmaterial (orig.: fertile material) und der als Moderator dienende Graphit in der Reaktionskammer angeordnet werden und die in nerhalb derselben erzeugte Wärme abgeleitet wird.
Die se Graphitprodukte können nicht nur als Moderator in der Reaktionszone, als Behälter für Brennstoffelemente oder als Brennstoffelemente selbst, sondern auch als Materialien für einen die Reaktionszone von Kernreak toren umgebenden Reflektormantel dienen, um einen Teil der Neutronen, die die Reaktionszone verlassen, zu reflektieren. In jedem Falle kann gesagt werden, dass sich die Graphitkörper in der Flusszone bzw. Feldzone der Kernreaktoren befinden, da sie sich un ter der Berührung bzw. Einwirkung der Neutronen be finden.
In diesen und anderen möglichen Fällen ist es wünschenswert, die Graphitkörper in Form von Plat ten, Blöcken, Rohren oder Kugeln mit einem typischen Durchmesser von 1;27 cm oder darüber bzw. in Form anders gestalteter Stücke zu verwenden, d. h. also in Form von Stücken, die man als massive Strukturkör per bezeichnen kann, und nicht in Form von kleinen Teilchen bzw. Pulver.
Derart gestaltete Stücke können durch Pressen bzw. Formen eines Gemisches aus einem Bindemittel und ei nem besonders geeigneten kohlenstoffhaltigen Material - das im Anschluss hieran noch ausführlicher beschrie ben wird - auf die gewünschten Abmessungen und die gewünschte Gestalt und anschliessendes Brennen und Graphitisieren der auf diese Weise erhaltenen Form körper hergestellt werden.
In sämtlichen Fällen liegen die Kristallite in den graphitierten Körpern der Erfindung in einer hoch un geordneten, unorientierten Anordnung vor. Dieser Zu stand zeigt sich an der Isotropie in den Eigenschaften des fertigen Graphitstückes. Das einzigartige kohlen stoffhaltige Material, das bei der Herstellung der gra- phitierten Körper verwendet wird, ist nicht nur im ma- kroskopischen,
sondern auch im mikroskopischen Sinne praktisch isotrop. Die Unordnung der Kristallite lässt sich durch Röntgenstrahlenbeugungs- und magnetische Verfahren nachweisen und zeigt sich an den graphiti- sierten Körpern an den hohen Wärmeausdehnungs- koeffizienten.
Es wurde gefunden, dass geformte und graphitierte Körper, die durch eine derartige ungeordnete, unorien- tierte Kristallit-Anordnung gekennzeichnet sind und un ter Verwendung des weiter unten ausführlicher erläu terten Ausgangsmaterials hergestellt worden sind, zur Verwendung in Kernreaktoren - insbesondere bei Tem peraturen oberhalb von 500 C, wie sie in Hochtempe- ratur-Kernreaktoren auftreten - sehr geeignet sind und gegenüber der Verwendung von Graphitkörpern, die aus anderen Ausgangsmaterialien hergestellt worden sind, in der gleichen Umgebung verschiedene Vorteile bieten,
von denen die meisten auf ihre Formbeständig keit unter Neutronenbestrahlung zurückzuführen sind.
Das einzigartige und besonders geeignete kohlen stoffartige Material, von dem hier die Rede ist und das zur Herstellung von erfindungsgemäss verwendbaren Graphitkörpern verwendet werden kann, leitet sich vom Gilsonit ab, einem der reinsten natürlichen Bitumen, der in typischer Weise zu 99 % in Schwefelkohlenstoff löslich ist und nur eine Spur von 1 % Mineralbestand- teilen aufweist.
Gilsonit ist auch als schwarzer, fester Kohlenwasserstoff mit hohem Harzgehalt oder Asphal- tit umschrieben worden, der sich vermutlich durch Po lymerisation von Ölen aus Tertiärformationen, die den Lagerstätten zugrundeliegen, gebildet hat. Gilsonit wird auch als Uintait bzw. Uintahit bezeichnet und wird in den Vereinigten Staaten in Utah und Colorado gefun den.
Er besitzt im allgemeinen ein spezifisches Gewicht von etwa 1,01 bis 1,10 (15,6 /15,6 C), eine Härte (nach der Mohs'schen Härteskala) von etwa 2 und ei nem Schmelzpunkt von etwa 110 bis 204 C.
Der aus Gilsonit hergestellte Koks weist einzigartige Eigenschaften auf, und die Kristallite, aus denen der Koks besteht, liegen in unorientiertem bzw. ungeord netem Zustand vor. Roher Gilsonit-Koks erfordert da her keine Spezialbehandlung, um die Kristallite in die sen Zustand der Unordnung zu bringen, bevor er kal- ziniert wird. Mit anderen Worten: die einzigen erforder lichen Massnahmen bestehen darin, dass der rohe bzw.
grüne Gilsonit-Koks kalziniert, gemahlen und nach der Teilchengrösse klassifiziert wird, bevor man ihn mit einem geeigneten kohlenstoffhaltigen Bindemittel vermischt. Das Gemisch kann dann nach den bei der Herstellung von Kohle- und Graphitelektroden üblichen Verfahren geformt, gebrannt und graphitiert werden. In typischer Weise können etwa 20 bis 40 % eines üblichen kohlenstoffhaltigen Bindemittel, z. B. Pech, verwendet werden.
Der rohe bzw. grüne Gilsonit-Koks wird aus dem Gilsonit im allgemeinen unter Verwendung einer übli chen Schwelverkokungsanlage (orig.:
delayed coker) hergestellt und besitzt in typischer Weise einen Gehalt an flüchtigen Stoffen von etwa 8 bis 14 %, was von der Durchführungsweise der Verkokung abhängt.
(Die hier gemachten Angaben über den Gehalt an flüchtigen Stoffen beziehen sich auf das ASTM-Prüfverfahren D 271-48, modifiziert für Zündbrennstoffe , und ver stehen sich ausschliesslich der Feuchtigkeit und des freien Öles, die durch Erhitzen auf Temperaturen von 204 bis 260 C entfernt werden. Der Gehalt an flüch tigen Stoffen wird bestimmt, indem in einem Platin tiegel in einem elektrisch beheizten Ofen erhitzt wird, der auf Temperaturen von 950 20 C gehalten wird.
Eine 1/g-Probe trockenen Kokes mit einer solchen Teilchengrösse, dass die Teilchen durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,250 mm hindurch gehen, wird bei Temperaturen unterhalb von 950 vor erhitzt und sodann 6 Minuten bei einer Temperatur von 950 50 C gehalten. Der auftretende Gewichts verlust wird als Gehalt an flüchtigen Stoffen bezeich net). Beim Kalzinieren verringert sich der Gehalt des Kokses an flüchtigen Stoffen in typischer Weise auf 0,5 0/0 oder darunter.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert. <I>Beispiel 1</I> 100 Teile kalziniertes Gilsonit-Koksmehl (50 % der Teilchen gehen durch ein Sieb mit einer lichten Ma schenweite von 0,075 mm hindurch) wurden in einem Kollergang-Mischer bei 155 C etwa 30 Minuten mit 23 Teilen Erdölpech (Erweichungspunkt 96 C) als Bindemittel gemischt. Das Gemisch wurde sodann in eine zylindrische Form gebracht und bei 100 C und einem Druck von 112,5 kg/cm2 zu einem Zylinder von 10,15 cm Durchmesser und 30,5 cm Länge geformt.
Der Formkörper wurde sodann in einen Brennofen gebracht, mit Packungsmaterial umgeben und über ei nen Zeitraum von 10 Tagen auf eine Temperatur von 950 C erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde der ge brannte Körper in einen Graphitierungsofen gebracht und über einen Zeitraum von 40 Stunden auf eine Tem peratur oberhalb von 2500 Cerhitzt.
Die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieses graphi- tierten Körpers in den Richtungen X, Y und Z wur den durch Schneiden von Prüfstücken parallel zur Rich tung der Formkraft (X-Richtung) und in zwei senk recht zueinander und senkrecht zur Richtung der Form kraft stehenden Richtungen (Y- und Z-Richtung) be stimmt.
Die über den Temperaturbereich von 20 C bis 100 C gemessenen mittleren Wärmeausdehnungs- koeffizienten waren wie folgt:
EMI0002.0077
X-Richtung: <SEP> 49 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> -7 <SEP> cm/cm. <SEP> <SEP> C
<tb> Y-Richtung: <SEP> 42 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> - <SEP> 7 <SEP> cm/cm. <SEP> <SEP> C
<tb> Z-Richtung:
<SEP> 42 <SEP> x <SEP> 10-7 <SEP> CM/CM. <SEP> <SEP> C Prüfstücke von dieser Probe wurden in einen Kern reaktor eingeschoben, um ihre Formbeständigkeit un ter den im Kernreaktor herrschenden Bestrahlungsbe dingungen zu prüfen. Die Prüfstücke wurden bei einer Temperatur von etwa 650 C bestrahlt und jeweils einer Gesamtbestrahlung von 1730 Mwd/At (Megawatt- Tage pro angrenzende Tonne [vgl. Nuclear Graphite , Academic Press, 1962, Kapitel 8 über angewendete Bestrahlungsverfahren]) unterworfen.
Sodann werden die Veränderungen in den Abmessungen der Prüfstücke gemessen, um die prozentualen Veränderungen in den Richtungen parallel und quer zur Richtung der Form- kraft zu bestimmen.
Es wurden die folgenden Ergeb nisse erhalten:
EMI0002.0087
Durchschnittliche
<tb> Richtung <SEP> Längenveränderung
<tb> <U>in <SEP> o/o</U>
<tb> parallel <SEP> + <SEP> 0,017 <SEP> <SEP> 0,008
<tb> quer <SEP> + <SEP> 0,007 <SEP> <SEP> 0,004 Dieses Beispiel zeigt, dass graphitierte Körper, die aus kalziniertem Gilsonit-Koksmehl und einem kohlen stoffhaltigen Bindemittel hergestellt worden sind, eine sehr gute Formbeständigkeit aufweisen und bei der Bestrahlung in jeder Richtung nur geringe Verände rungen in den Abmessungen eingehen.
Im Gegensatz zum vorstehenden Beispiel besassen Graphit-Prüfkörper, die durch gründliches Mischen von 100 Teilen handelsüblichem kalziniertem Erdölkoks- mehl (mit einer solchen Teilchengrösse, dass 50 % der Teilchen durch ein Sieb mit einer lichten Maschen weite von 0,075 mm hindurchgehen) mit 23 Teilen Erd ölpech als Bindemittel,
Auspressen bei 100 C und 112,5 kg/cm' zu einem Zylinder von 10,15 cm Durch messer und 30,5 cm Länge, Brennen und Graphitieren wie in Beispiel 1 hergestellt worden waren, mittlere Wärmeausdehnungskoeffizienten (über den Tempera turbereich von 20 bis 100 C) in den X-, Y, und Z- Richtungen von 10 X 10 - 7, 25 X 10 - 7 bzw. 25 X 10 - 7 und gingen bei der Prüfung im Kernreaktor unter den gleichen Bedingungen die folgenden Veränderungen in bezug auf die Abmessungen ein:
EMI0003.0001
Durchschnittliche
<tb> Richtung <SEP> Längenänderung
<tb> <U>in <SEP> 0/0</U>
<tb> parallel <SEP> + <SEP> <B>0,017</B> <SEP> <SEP> 0,008
<tb> quer <SEP> + <SEP> 0,056 <SEP> <SEP> 0,019 Neben den zwischen den Typen von Graphitkörpern vorliegenden Unterschieden in bezug auf die Isotropie (bzw. Anisotropie) zeigen diese Daten, dass graphitierte Körper, die aus kalziniertem Gilsonit-Koksmehl und ei nem kohlenstoffhaltigen Bindemittel hergestellt worden sind, eine beträchtlich bessere Formbeständigkeit unter Bestrahlungsbedingungen bzw.
eine beträchtlich bessere Strahlungsbeständigkeit aufweisen als Graphitkörper, die aus einem typischen Erdölkoks als Ausgangsmate rial hergestellt worden sind.
Das folgende Beispiel erläutert ebenfalls die Her stellung eines graphitierten Körpers aus kalziniertem Gilsonit-Koks und zeigt verschiedene Abänderungen in der Herstellungsweise sowie zusätzliche Eigenschaften der graphitierten Körper.
<I>Beispiel 2</I> 100 Teile kalziniertes Gilsonit-Koksmehl (55 % der Teilchen gingen durch ein Sieb mit einer lichten Ma schenweite von 0,075 mm hindurch) wurden in einem Kollergang-Mischer bei 155 C etwa 30 Minuten mit 27 Teilen Kohlenteerpech (Erweichungspunkt 97 C) als Bindemittel gemischt,
und das Gemisch wurde so dann in eine zylindrische Form gebracht und bei 105 C und unter einem Druck von 253 kg/cm2 zu einem Zylinder von 21,6 cm Durchmesser und 25,4 cm Länge verformt.
Der Formkörper wurde dann in einen Brennofen gebracht, mit einem wärmeleitenden Packungsmaterial umgeben und über einen Zeitraum von 16 Tagen auf eine Temperatur von 950 C erhitzt. Nach dem Abküh len wurde der gebrannte Körper in einen Graphitie- rungsofen gebracht und 40 Stunden auf eine Tempera tur von über 2500 C erhitzt.
Die mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten (über den Temperaturbereich von 20 bis 100 C) in den X-, Y- und Z-Richtungen betragen 49 X 10-7, 43 X <B>1</B>0-7 bzw. 43 X 10-7.
Der graphitierte Körper besass ausserdem die fol genden Eigenschaften:
EMI0003.0032
Scheinbare <SEP> Dichte <SEP> (g/ccm) <SEP> 1,73
<tb> Zugfestigkeit <SEP> (kg/cm2) <SEP> quer <SEP> 260
<tb> parallel <SEP> 211
<tb> Bruchmodul <SEP> (kg/em2) <SEP> quer <SEP> 366
<tb> (Biegefestigkeit) <SEP> parallel <SEP> 309
<tb> Druckfestigkeit <SEP> (kg/cm2) <SEP> quer <SEP> 738
<tb> parallel <SEP> 759
<tb> Elektrischer <SEP> Widerstand <SEP> quer <SEP> 43 <SEP> X <SEP> 10-5
<tb> (Ohm-cm) <SEP> parallel <SEP> 49 <SEP> X <SEP> 10-5
<tb> Wärmeleitfähigkeit <SEP> quer <SEP> 1105
<tb> (kcal/m2.h.m. <SEP> C) <SEP> parallel <SEP> 960
<tb> Brinell-Härte <SEP> 15,0
<tb> Durchlässigkeit <SEP> nach <SEP> D'Arcy <SEP> quer <SEP> 0,06
<tb> parallel <SEP> 0,02 <I>Anmerkungen:
</I> Quer = Prüfstücke mit ihrer langen Abmessung quer bzw. senkrecht zur Formrichtung geschnitten. Parallel = Prüfstücke mit ihrer langen Abmessung parallel zur Formrichtung geschnitten.
Aus Gilsonit hergestellte graphitierte Körper, die in jeder Richtung Wärmeausdehnungskoeffizienten von mindestens 30 X 10-7 cm/cm.' C aufweisen, wobei die Koeffizienten in den einzelnen Richtungen um nicht mehr als 25% voneinander differieren, zeigen bei der Verwendung in Kernreaktoren eine verbesserte Form beständigkeit bzw. eine verbesserte Strahlungsbeständig keit.
Körper mit noch vollkommenerer Isotropie, wie z. B. solche, die in jeder Richtung Wärmeausdehnungs- koeffizienten von mindestens 40 + 10-7 cm/cm.' C auf weisen, wobei die Koeffizienten in den einzelnen Rich- tungen um nicht mehr als 20 % voneinander differie- ren, werden jedoch bevorzugt.
Die Formbeständigkeit von in Kernreaktoren ver wendeten Graphitkörpern ist aus mehreren Gründen von Bedeutung. In vielen Fällen ist die in den Reak toren vorliegende Graphitmasse sehr gross, mit Ab messungen von mehr als 9,15 oder 12,2 m, so dass be reits geringe oder sogar schon sehr geringe Abmes sungsveränderungen zu einer verhältnismässig grossen absoluten Gesamtänderung führen. Die Formunbestän digkeit, wie z.
B. eine zu starke Ausdehnung oder ein zu starkes Schrumpfen, kann ferner einen Bruch der Graphitbauteile bzw. ein Zerbrechen oder Verbiegen der Brennstoffelemente oder anderer Bestandteile des Reaktors hervorrufen. Diese Erscheinungen können ferner ein Zerbrechen bzw. eine Beschädigung von Tei len wie dem Kühlsystem, dem Kontrollsystem, usw., hervorrufen.