DE1055143B

DE1055143B - Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennelementen fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1055143B
Application number: DEU5627A
Authority: DE
Inventors: Frank Baldwin Quinlan; William Earl Roake
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1957-11-13
Filing date: 1958-09-23
Publication date: 1959-04-16
Also published as: GB841608A; BE572280A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Brennelementes für Kernreaktoren.

Man hat vorgeschlagen, keramische Stoffe, wie Urandioxyd (UO₂) und Thoriumdioxyd (ThO₂), wegen ihrer Stabilität bei oxydierend wirkenden Bedingungen, ihrer guten Korrosionsbeständigkeit, dem Fehlen unerwünschter Phasentransformationen und des hohen Schmelzpunktes in Kernreaktoren zu verwenden.

Die Herstellung keramischer Brennelemente erfolgte bisher in einer Reihe aufeinanderfolgender Arbeitsgänge, wobei erstens Bindemittel und Gleitmittel ein verleibt wurden, zweitens durch Kaltpressen bei hohen Drücken, wie 197 t/cm², isostatisches Pressen, Strangpressen oder Warmpressen ein »grüner« verdichteter Körper erzeugt und drittens in einer inerten Atmosphäre (Argon, Helium, Dampf) oder einer reduzierend wirkenden Atmosphäre (Wasserstoff) bei erhöhten Temperaturen (bis zu 1843° C) gesintert wurde, viertens das gesinterte Gut auf vorgeschriebene Dimensionen geschliffen und fünftens der fertige Körper in eine Schutzumkleidung eingekapselt wurde, die vorher durch Formung oder spanabhebende Bearbeitung mit innerhalb enger Toleranzen liegender Masse erzeugt wurde.

Im Gegensatz hierzu vereinigt das erfindungsgemäße Verfahren eine Anzahl üblicher Arbeitsgänge in einer einzigen Stufe, und das erhaltene Produkt besitzt in keiner Weise zu erwartende bessere Eigenschaften.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Brennelementes für Kernreaktoren. Sie bezweckt weiter die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines keramischen Brennelementes für Kernreaktoren, bei dem in viel einfacherer Weise als bei den bisher angewandten Methoden ein Brennelement erhalten wird, dessen Eigenschaften die Erwartungen weit übertreffen. Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum gleichzeitigen Umkleiden und Verdichten von pulverförmigem UO₂ für den Einsatz als Brennelement in Kernreaktoren.

Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird ein keramisches Pulver aus Spaltstoff oder Brutstoff in einer Metallkapsel eingeschlossen und anschließend der Kapseldurchmesser durch Drehstauchung reduziert.

Das Drehstauchen ist eine Verformung, bei welcher rotierende Gesenke in rascher Folge zahlreiche Schläge auf das Werkstück ausüben. Es stellt eine Schlagbearbeitung dar, bei welcher die Gesenke rasch hin- und hergehen, während sich die Spindel, in welcher sie angeordnet sind, rotiert. Das Hin- und Her-

Verfahren zur Herstellung

von keramischen Brennelementen

für Kernreaktoren

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission, Washington, D. C. {V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 13. November 1957

Frank Baldwin Quinlan und William Earl Roake,

Richland, Wash. (V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

gehen der Gesenke wird durch Rotation innerhalb eines Walzenkäfigs bewirkt, der an ein großes Kugellager erinnert. Eine eingehendere Erläuterung des Drehstauchens ist in A. U. Seybolt and J.E.Burke, »Procedures in Experimental Metallurgy«, Copyright 1953 John Wiley and Sons, Inc., New York, auf S. 234 bis 238 enthalten.

Wie später gezeigt, stellt die Anwendung des Stauchens ein kritisches Merkmal der Erfindung dar, und andere Methoden zur Verdichtung des Pulvers durch Druckanwendung führen nicht zu zufriedenstellenden Brennelementen.

Ein Brennelement gemäß der Erfindung wird beispielsweise folgendermaßen hergestellt: Ein vorher gesintertes und gemahlenes UO₂ wird so gesichtet, daß es ein 48 - Maschen - Sieb passiert und auf 200-Maschen - Sieben zurückgehalten wird. Man mischt 1 Gewichtsprozent Uranpulver bei, um den in der Kapsel enthaltenen Stickstoff und Sauerstoff zu binden. Dieses Gemisch wird dann in Kapseln (Länge etwa 5,1 cm, Durchmesser etwa 1,6 cm) aus einer Zinnlegierung, die 1,5% Zinn. 0,12% Eisen, 0,10% Chrom und 0,05% Nickel, Rest Zirkon, enthält (Handelsbezeichnung Zircalloy - 2), gepackt und durch Stampfen auf eine Dichte von 5 oder 6 g/cm³ verdichtet. Die Kapseln werden durch eine Inertschutzgasschweißung verschlossen. Durch einen Endstopfen wird ein sehr kleines Gasauslaßloch gebohrt.

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Die so erhaltenen Kapseln werden auf einer Drehstauchmaschine in aufeinanderfolgenden Durchgängen durch verschieden große Gesenke einer Durchmesserverringerung unterworfen. Vor dem letzten Durchgang wird das Gasaustrittsloch zugeschweißt. Nach dem letzten Reduktionsgang wird die Kapsel nach den Methoden der Röntgenuntersuchung geprüft; es zeigt sich, daß sie »gesund« ist und daß in der Umkleidung keinerlei Risse oder sonstigen Diskontinuitäten festzustellen sind.

Nach dem Stauchen hat das Brennelement eine Gesamtlänge von 13,13 cm, Innenlänge von 11,43 cm und einen Durchmesser von 9,65 mm bei einer Wanddicke von 0,97 mm. Die Dichte des UO₂ beträgt 9,31 g/cm³, d. h. 85% des theoretischen Wertes.

Es hat sich gezeigt, daß außer der starken Vereinfachung der Herstellung, die sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt, die Güte des Brennelementes selbst die Erwartungen weit übertrifft. Durch diese Behandlung erhält das UO₂ eine Dichte, die über den bisher bei jeglichen anderen Arten der Kaltverdichtung erzielten Werten liegt. Außerdem vermag die Behandlung eine Massenrelokation und ein Kristallwachstum zu erzeugen, wodurch man ein Brennelement mit unerwartet hoher thermischer Leitfähigkeit erhält. Dieses Ergebnis beruht sowohl auf dem Kristallwachstum innerhalb des UO₂ als auch auf dem innigen mechanischen Kontakt zwischen dem UO₂ und der Umkleidung.

Eine Untersuchung von Proben, die aus den durch Drehstauchen bearbeiteten Kapseln genommen werden, ergibt die Anwesenheit von Kristallen in dem U O₂. Es wird angenommen, daß die Bildung der Kristalle das Ergebnis einer örtlichen Wärmeerzeugung ist, die sich aus der extrem raschen Übertragung der von der Stauchmaschine gelieferten kinetischen Energie und ihrer Umwandlung in Wärme im mikroskopischen Maßstab ergibt. Aus diesem Grunde sind nur durch Größenverringerung mittels Stauchen Brennelemente mit diesen Vorteilen erzielbar.

Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Leichtigkeit, mit welcher Brennelemente von extrem kleinem Durchmesser erhältlich sind. Dies ist von großer Wichtigkeit, da ein Hauptproblem keramischer Brennelemente auf Grund der schlechten thermischen Leitfähigkeit dieser Stoffe die Wärmeabfuhr ist.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der ungewöhnlichen Festigkeit des Umkleidungsmaterials. Mikrophotographien lassen keine Rißbildung oder Korndehnung im Längs- oder Querteil erkennen. Diese Eigenschaften sind für den vorliegenden Grad der Kaltbearbeitung ungewöhnlich, werden aber erhalten, weil die Kaltbearbeitung durch Stauchen über hartgepacktem UO₂ ohne Streckdeformation erfolgt. Berechnungen zeigen, daß die Spaltgasdrücke eine geringere Größenordnung haben, als sie für ein Bersten der Kapsel aus der obigen Zirkonlegierung erforderlich sind.

Ein anderer Vorteil wird erhalten, wenn das UO₂ vorher in einem Reaktor als Brennstoff eingesetzt war. Wenn nicht jede Plutoniumspur entfernt wurde, muß sehr sorgfältig darauf geachtet werden, eine Schwermetallvergiftung zu verhindern und die Alphastrahlung abzuhalten. Nach den bisherigen Methoden müßte das UO₂, das Plutoniumspuren enthält, in einem Arbeitskasten gesintert werden. Diese Behandlung ist durchführbar, aber außerordentlich schwierig. Bei der Stauchung einer Kapsel, welche das UO₂ enthält, ergeben sich keine Schwierigkeiten, da das Plutonium sich in der festen Kapsel befindet, vyelche das Austreten von Alphateilchen und einen Kontakt mit dem Plutonium verhindert.

Eine weitere Probe wird identisch nach obigem Arbeitsverfahren hergestellt, die Kapsel jedoch unmittelbar vor dem letzten Reduktionsgang kurze Zeit in einem Salzbad bei 750° C geglüht. Die Behandlungsdauer ist zu kurz, als daß eine Reaktion zwischen der Zirkonlegierung und dem UO₂ erfolgen

ίο könnte. Diese Probe besitzt nach der Stauchung eine Gesamtlänge von 10,74 cm, Innenlänge von 5,72 cm und einen Durchmesser von 9,65 mm bei einer Wanddicke von 0,97 mm. Die Dichte des UO₂ beträgt 9,87 g/cm³ oder 90% des theoretischen Wertes.

Andere Proben wurden mit Mänteln aus rostfreiem Stahl und aus Aluminium hergestellt, wobei UO₂-Dichten von bis zu 90% des theoretischen Wertes erzielt wurden. Da das Stauchen bei dünnwandigem Aluminiumrohr nicht direkt erfolgen kann, wird der Rohr-Oxyd-Körper in einem dickwandigen Außenmantel aus Flußstahl eingeschlossen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind keramische Körper erhältlich, die einen beliebigen nuklearen Brennstoff oder Brutstoff enthalten. Das als Ausgangsgut dienende Pulver kann nach irgendeiner der bekannten Methoden hergestellt werden. Eine besonders erwünschte Methode zur Herstellung von reaktionsfähigem UO₂ besteht in der Oxydation und darauffolgenden Reduktion des Materials. Zum Beispiel kann man UO₂ mit Luft bei 500° C zu U₃O₈ oxydieren und dann mittels gecracktem Ammoniak, Wasserstoff oder Kohlenmonoxyd bei 650° C reduzieren. Das Produkt ist im gesinterten Zustand reaktionsfähiger und besitzt ferner eine höhere Dichte als unbehandeltes UO₂.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung keramischer rohrförmiger Brennelemente, die ein verdichtetes Oxyd mit einer Dichte von mehr als 85% des theoretischen Wertes enthalten, mit verhältnismäßig geringen Kosten. Die Notwendigkeit, die Brennelemente bei hoher Temperatur zu bearbeiten, ist vollständig beseitigt, und dennoch werden Elemente erhalten, die den nach irgendeiner anderen Kaltbearbeitungsmethode erhaltenen Produkten in unerwarteter Weise überlegen sind, da andere Verdichtungsmethoden kein Brennelement liefern, das die beschriebenen erwünschten Eigenschaften aufweist.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Einzelheiten beschränkt, in ihrem Rahmen liegen vielmehr, wie in den Ansprüchen erläutert, zahlreiche weitere Ausführungsformen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Brennelementes für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein keramisches Pulver aus Spaltstoff oder Brutstoff in einer Metallkapsel eingeschlossen und anschließend der Kapseldurchmesser durch Drehstauchung reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als keramisches Pulver UO₂ verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallkapsel aus einer Legierung mit einem Gehalt an 1,5% Zinn, 0,12% Eisen, 0,10% Chrom und 0,05% Nickel, Rest Zirkon, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallkapsel eine Aluminium-

kapsel verwendet und die Drehstauchung derselben in einem Stahlmantel durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man UO₂-Pulver von einer Korngröße zwischen 48 und 200 Maschen durch Stampfen in eine Kapsel aus einer Zirkonlegierung packt, die Kapsel mit Ausnahme einer Gasaustrittsöffnung verschließt, den Kapseldurchmesser durch Drehstauchen verringert, das Gasaustrittsloch verschließt und den Kapseldurchmesser in einem weiteren Durchgang durch eine Drehstauchvorrichtung verringert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem U O₂ 1 Gewichtsprozent pulverförmiges Uran zugesetzt wird.

7. Verfahren zur Verdichtung von pulverförmigem UO₂ auf eine bisher nicht erreichte Dichte durch Kaltverdichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein das pulverförmige UO₂ enthaltender Körper einer Drehstauchung unterworfen wird.

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