DE1040710B - Reaktorbrennstoffelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Brennstoffelemente für Kernreaktoren mit einer Schutzhülle aus hochschmelzendem Metall, die einen den. Spaltstoff in disperser Form enthaltenden Körper umschließt.

Die gebräuchlichen Brennstoffelemente, die heute in erster Linie aus natürlichem Uran oder aus angereichertem Uran oder aus deren Legierung bestehen, werden im allgemeinen so hergestellt, daß das Uran oder die Uranlegierungen unter besonderen Vorsichtsmaßregeln (Hochvakuum, Edelgasatmosphäre) eingeschmolzen und die Schmelzblöcke dann zu Stäben oder Platten durch Walzen, Strangpressen, Schmieden verarbeitet werden. Infolge der großen Reaktionsfähigkeit der Brennstoffe mit den in den Reaktoren verwendeten Moderatoren und Kühlmitteln ist es notwendig, diese Uranformstücke gegen den Angriff zu schützen. Dieser Schutz wird hauptsächlich dadurch erreicht, daß die Uranformstücke mit korrosionsfestem Material (Aluminium, Zirkonium, rostfreiem Stahl usw.) ummantelt werden. Wichtig ist dabei, daß ein guter Kontakt zwischen dem Atombrennstoff und der Umhüllung erreicht wird, um den Wärmeübergang möglichst günstig zu gestalten.

Neben den technischen Schwierigkeiten, die Uranformstücke einwandfrei zu umhüllen, tritt eine zweite Schwierigkeit auf, die sich dadurch ergibt, daß das Uran in einigen Modifikationen auftritt; die Umwandlungspunkte (z. B. α ->- β und β -> γ) liegen bei 668 bzw.774° C. Bei der wechselnden thermischen Belastung führt die Ausdehnung des α— und ß— Urans, die in den verschiedenen kristallographischen Richtungen verschieden ist, sowie die bei der Umwandlung auftretende Volumenänderung zu Änderungen der geometrischen Abmessungen der Uranformstücke, die von solchen mechanischen Kräften begleitet sind, daß die Umhüllungen der Uranstäbe gesprengt werden. In diesem Sinne wirken auch bei der Spaltung auftretende feste, flüssige und insbesondere gasförmige Spaltprodukte.

Die nachfolgend beschriebene Erfindung hat die Aufgabe, diese bei der Herstellung und beim Einsatz der Brennstoffelemente auftretenden Schwierigkeiten zu verringern bzw. ganz zu vermeiden·.

Bei den Brennstoffelementen nach der Erfindung besteht der Spaltstoffkörper aus einem Körper aus einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen oder deren intermediären Verbindungen mit Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium, der entstanden ist durch Tränken einer Pulvermasse oder durch Tränken porös gesinterter, vorzugsweise stabförmiger Körper mit schmelzflüssigem metallischem Uran oder einer schmelzflüssigen Uranlegierung.

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffelemente werden in der Pulvermetallurgie zum

Reaktor-brennstoffelement
und Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

Metallwerk Plansee Gesellschaft m. b. H., Reutte, Tirol (Österreich)

Vertreter: Dr.-Ing. H. v. Schwarze, Patentanwalt,
Krefeld, Oberschlesienstr. 16

Beanspruchte Priorität:
Österreich vom 18. Juli 1956

Dr. ph.il. nat. Richard Kieffer
und Dr.-Ing. Karl Sedlatschek, Reutte,

Tirol (Österreich),
sind als Erfinder genannt worden

Teil bekannte Arbeitsmethoden angewandt. So kann man in die Schutzhülle aus hochschmelzendem Metall das Pulver aus einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen einfüllen und darauf Uran oder Uranlegierungen in Pulverform oder kompakter Form auflegen. Beim Erhitzen über den Schmelzpunkt des Urans läuft die Schmelze in der Schutzhülle nieder, so daß die Hohlräume zwischen den Füllstoffen vollkommen ausgefüllt werden,. Dabei wird gleichzeitig eine feste Verschweißung mit der Innenseite der Schutzhülle erreicht. Nach dem Tränken wird die Schutzhülle beispielsweise durch Schweißen verschlossen.

Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann man aus dem hochschmelzenden Teil der Füllstoffe einen stabförmigen Körper z. B. durch Plastischstrangpressen herstellen, diesen nach Austreiben des Bindemittels entweder in die Schutzhülle einführen und die flüssige Phase von oben einseigern lassen, oder man tränkt zuerst den porösen stabförmigen Körper und führt ihn dann in das Rohr ein. Besonders im letzten Falle hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das Element durch Hämmern, Ziehen durch Ziehdüsen oder durch Walzen einer Nachverdichtung unterzogen wird. Weiterhin können auch

809 657/37:

Wärmebehandlungen über den Schmelzpunkt des Urans vorgenommen werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Reaktorbrennstoffelement mit einer Schutzhülle aus hochschmelzendem Metall, die einen den Spaltstoff in disperser Form enthaltenden Körper umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoffkörper aus einem Körper aus einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen oder deren intermediären Verbindungen mit Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium usw. besteht, der entstanden ist durch Tränken einer Pulvermasse oder durch Tränken porös gesinterter, vorzugsweise stabförmiger Körper mit schmelzflüssigem metallischem Uran oder einer schmelzflüssigen Uranlegierung.

2. Verfahren zur Herstellung von Brennstoffelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schutzhülle aus hochschmelzendem Metall, wie z. B. Zirkonium, Niob, Tantal, Molybdän, Nickel, Eisen oder deren Legierungen, ein Pulver aus einem oder mehreren hochschmelzenden Metallen oder deren intermediären Verbindungen mit Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium einzeln oder in Mischungen eingefüllt, Uran bzw. Uranlegierungen aufgelegt und über den Schmelzpunkt im Vakuum oder bei Edelgas-Unterdruck erhitzt wird, so daß die Schmelze in die Schutzhülle einläuft, das in diesem befindliche Pulver durchtränkt und mit der Schutzhülle verschweißt.

3. Verfahren zur Herstellung von Brennstoffelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochschmelzende Phase des Tränkwerkstoffes durch ein Preß verfahren, vorzugsweise

ίο Plastischstrangpressen, verformt, das Bindemittel ausgetrieben, in einem Uranbad getränkt und in das Rohr eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle mit eingesetztem Tränkkorper über den Schmelzpunkt der flüssigen Phase erhitzt und gegebenenfalls durch Hämmern, Ziehen durch Ziehsteine oder Walzen unter dem Uranschmelzpunkt mechanisch nachverdichtet wird.
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In Betracht gezogene Druckschriften:
»Principles of Nuclear Reaktor Engineering«,
Glasstone, 1956, S. 765/766;

»Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1956, S. 182 bis 184.