DE1021514B

DE1021514B - Fuer atomtechnische Zwecke dienende Formkoerper aus Kohlenstoff

Info

Publication number: DE1021514B
Application number: DEG8053A
Authority: DE
Inventors: Herbert Greiner
Original assignee: GRAPHITWERK KROPFMUEHL AG
Current assignee: GRAPHITWERK KROPFMUEHL AG
Priority date: 1952-01-30
Filing date: 1952-01-30
Publication date: 1957-12-27

Description

Für atomtechnische Zwecke dienende Formkörper aus Kohlenstoff In der Atomtechnik wird zur Bremsung und Reflexion von Neutronen unter anderem elementarer Kohlenstoff verwendet, der sich wegen seiner geringen Neutronenabsorption als besonders brauchbar erwiesen hat. Er stand bisher ausschließlich in Gestalt von hochreinem Kunstgraphit zur Verfügung. Dieser weist bei nahezu amorpher, extrem mikrokristalliner Struktur nur eine verhältnismäßig geringe Dichte (von etwa 1,7 auf). Eine möglichst hohe Dichte der Kohlenstoffmasse wäre jedoch dringend erwünscht, weil dadurch unter anderem das Brems- und Reflexionsvermögen für Neutronen gesteigert und somit eine Ersparnis an aktivem Material (z. B. Uran) bzw. eine Verkleinerung des gesamten Atombrenners erzielt werden könnte.
Die Erfindung ist demzufolge auf die Verwendung von eindeutig kristallinem Graphit gerichtet, der die höchsterreichbare Graphitdichte 2,2 aufweist. In hochreinem (bzw. hochgereinigtem) Zustand liegt dieser zumeist in lockerer Form vor, z. B. als grobes bis feines Pulver aus plättchenförmigen Einzelkristallen oder Kristallbruchstücken (Graphitschuppen).
Erfindungsgemäß bestehen nun für atomtechnische Zwecke, insbesondere zur Bremsung und Reflexion von Neutronen dienende Formkörper aus derartigen hochreinen kristallinen Graphitschuppen. Zur Erzielung einer hohen Brems- und Reflexionswirkung wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vo.rgeschladen, das Porenvolumen, d. h. die Zwischenräume zwischen den einzelnen Graphitschuppen, möglichst vollständig zu beseitigen.
Bei der Herstellung kompakter Körper aus pulverförmigem Schuppengraphit kann man aus der kristallinen Struktur und der Plättchengestalt der Graphitteilchen noch besondere Vorteile ziehen. Hinreichend große Graphitschuppen (von beispielsweise 0,1 mm Durchmesser und darüber) lassen sich leicht in paralleler Orientierung ausrichten, und die so aufgebauten kompakten Graphitkörper ähneln dann als Ganzes großen Graphit-Einkristallen mit ausgedehntem Schichtengitter. An ihnen können langsame Neutronen eine regelrechte Beugung und spiegelnde Reflexion erfahren. Es lassen sich also gewisse Richteffekte auf diese Neutronen ausüben, während in Formkörpern aus nahzu amorphem Kunstgraphit infolge des regellosen Durcheinanders seiner Mikrokriställchen nur eine diffuse Streuung eintritt. So, kann man beispielsweise mit einem Reflexionsmantel aus einkristallähnlichen Graphitkörpern, deren Schichtung parallel zu den Wänden der umschlossenen Bremsmatrix ausgerichtet ist, viele schräg auftreffende langsame Neutronen aktiv in den Reaktor zurücklenken und damit, zusätzlich zu der Auswirkung der hohen Dichte, eine weitere Verringerung der Diffusionsverluste und folglieh eine bedeutende Erhöhung des effektiven Neutronenwirkungsgrades im Atombrenner erzielen.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen kompakten Formkörper aus pulverförmigem Schuppengraphit sind mehrere technische Wege gangbar.
Beispiel 1 Ein besonders wirksames Verfahren besteht in der Ausfüllung der Hohlräume zwischen den einzelnen Graphitschuppen mit geschmolzenem und wiedererstarrtem Kohlenstoff, der bekanntlich ebenfalls eine nahezu maximale Graphitdichte besitzt.
Nach dem in der deutschen Patentschrift 439 843 beschriebenen Verfahren läßt sich das Schmelzen von Kohlenstoff in der Weise erreichen, daß eine Kohleelektrode (Schmelzelektrode) unter Durchgang eines elektrischen Stromes hoher Stärke und niedriger Spannung auf einer Kohle-Gegenpolplatte mit leichtem Druck bewegt wird. Der an der Berührungsstelle infolge des hohen Übergangswiderstandes und der damit verbundenen starken örtlichen Erhitzung geschmolzene bzw. hochplastisch gewordene Kohlenstoff wird von der bewegten Elektrode ständig auf der Kohleplatte abgestrichen und erstarrt dabei sehr schnell, so daß sich immer neue Schichten Kohlenstoff ablagern können. Die auf diese Weise hergestellten mikrokristallinen Kohlenstoffmassen weisen eine praktisch 100°/aige Reinheit auf.
Um für die angegebenen Zwecke eine Kohlenstoffmasse zu gewinnen, in welcher kristalline Graphitschuppen durch geschmolzenen und wiedererstarrten Kohlenstoff kompakt miteinander verkittet sind, wird unter Beibehaltung des obigen Schmelzverfahrens in Durchführung der Erfindung eine Spezial-Schmelzelektrode verwendet, die überwiegend aus Schuppengraphit neben relativ geringen Mengen einer Kittsubstanz aus verkohlten oder graphitierten Kohlenstoffverbindungen besteht. Man erhält diese Schmelzelektrode dadurch, daß man pulverförmigen Schuppengraphit, zweckmäßig in hochreinem Zustand, mit einem kohlenstoffreichen Bindemittel, wieTeer od. dgl., verrührt und unter Druck zu einer Elektrode formt. Beim Pressen können die Graphitschuppen bei hinreichender Größe auch in bestimmter Orientierung gelagert werden, beispielsweise parallel in der Längsrichtung der Elektrode, ähnlich -wie dies in der deutschen Patentschrift 310 603 beschrieben ist. Anschließend wird das Bindemittel durch Erhitzen der Elektrode verkohlt oder graphitieTt, womit der Gebrauchszustand der Schmelzelektrode erreicht ist. Nach Möglichkeit sollen die Einzelteilchen des kristallinen Schuppengraphits in der fertigen Schmelzelektrode einander nicht direkt berühren, sondern allseitig von einer verhältnismäßig dünnen Schicht der Kittsubstanz umgeben sein.
Bei der Durchführung des Schmelzprozesses unter Verwendung der beschriebenen Spezial-Schmelzelektrode kommt die verkohlte oder graphitierte Kittsubstanz infolge ihrer nahezu amorphen Struktur und deshalb relativ schlechten elektrischen Leitfähigkeit bevorzugt zum Schmelzen (und Wiedererstarren), ehe noch die gut leitenden kristallinen Graphitschuppen ernstlich in Mitleidenschaft gezogen werden. Das Endprodukt, die von der bewegten Schmelzelektrode abgestrichene, sehr kompakte Masse, besteht somit aus kristallinen, gegebenenfalls parallel orientierten Graphitschuppen mit geringen Mengen eines Bindemittels aus geschmolzenem und wiedererstarrtem Kohlenstoff. Beispiel 2 Abweichend von dem vorgenannten Schmelzverfahren kann man zur Herstellung erfindungsgemäßer Kohlenstoffmassen auch die Tatsache ausnutzen, daß Graphitschuppen unter hohem Druck eine ausgesprochene Plastizität und Schmierbarkeit aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird daher hochreiner Schuppengraphit, beispielsweise in Pulverform, einem Druck etwa von der Größenordnung 104 kg/cm2 ausgesetzt. Dieser beseitigt zunächst das Pörenvolumen des Graphitpulvers und bringt anschließend die kristallinen Graphitteilchen oberflächlich zum Fließen, so daß sie zu einer maximal dichten Graphitmasse verschweißen. Eine Parallelrichtung von hinreichend großen Graphitschuppen ist hier ebenfalls möglich und stellt sich sogar nahezu von selbst ein, wenn das Graphitpulver in jeweils kleinen Teilmengen in die Preßmatrize eingefüllt und letztere leicht gerüttelt wird. Beim anschließenden Pressen erfolgt sodann die endgültige Parallellagerung der Graphitschuppen.
Den dichten Massen aus kristallinem Schuppengraphit kann man die für die spätere Verwendung erforderliche Form (von Platten, Ziegeln, Würfeln od. dgl.) entweder schon bei der Herstellung oder aber durch entsprechende Nachbearbeitung erteilen.
Aus solchen Formkörpern läßt sich z. B. die Bremsmatrix oder der Reflexionsmantel für Atombrenner wie üblich nach dem Baukastensvstem zusammensetzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Für atomtechnische Zwecke, insbesondere zur Bremsung und Reflexion von Neutronen dienende Formkörper aus Kohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus hochreinen, bei hinreichender Größe vorzugsweise parallel orientierten kristallinen Graphitschuppen bestehen.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitschuppen durch ein Bindemittel aus geschmolzenemundwiedererstarrtem Kohlenstoff kompakt miteinander verkittet sind.
3. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spezial-Schmelzelektrode, die aus Graphitschuppen und einer Kittsubstanz aus verkohlten oder graphitierten Kohlenstoffverbindungen besteht, unter Durchgang eines elektrischen Stromes hoher Stärke auf einer Gegenelektrode bewegt und dadurch an der Berührungsstelle bis zum Schmelzen der Kittsubstanz erhitzt wird.
4. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitschuppen durch Anwendung hohen Druckes oberflächlich zum Fließen gebracht und kompakt miteinander verschweißt sind.
5. Verwendung von Formkörpern mit parallel orientierten Graphitschuppen nach Anspruch 1 zur Ausübung von Richteffekten auf Neutronen: In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 310 603, 439 843; schweizerische Patentschrift Nr. 141417.