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Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffelementen Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffelementen
ovalen, eckigen oder runden Ouerschnittes mit einem äußeren metallischen Hüllrohr.
Die Erfindung besteht darin, daß zunächst in das äußere Hüllrohr ein oder mehrere
mit Füllstoffen gefüllte, dünnwandige Führungsröhrchen eingebracht werden und sodann
der Kernlarennstoff in den Ringspalt zwischen Führungsröhrchen und äußerem Hüllrohr
eingefüllt und anschließend auf bekannte Weise, gegebenenfalls durch Drehsta.uchung
oder andere bekannte Methoden, bei Raum-oder auch bei höheren Temperaturen, verdichtet
wird. Nach einer weiteren Maßnahme der Erfindung wird für das Material des Führungsröhrchens
ein solcher Stoff gewählt, der während der ersten vollen Inbetriebnahme des Brennstoffelementes
im Reaktor oder während eines dem Herstellungsprozeß nachgeschalteten Bearbeitungs-
oder Inbetriebsetzungsvorganges, wie es beispielsweise ein Glühen oder chemisches
Bearbeiten darstellt, verändert und mit Stoffen seiner Umgebung neue Verbindungen
bildet. Dabei können dem Kernbrennstoff oder dem Füllstoff zusätzliche Stoffe beigegeben
werden, die es ermöglichen; da.ß sich das Material des Führungsröhrchens bei Erwärmung
chemisch mit diesen Stoffen verbindet. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung
wird die Erwärmung des Führungsröhrchens bei dem der Herstellung nachgeschalteten
Glühvorgang durch Induktion oder Hochfrequenz vorgenommen und, falls es erforderlich
ist, während des Glühvorganges das äußere Hüllrohr gekühlt. Es hat sich als besonders
zweckmäßig erwiesen, dem Füllstoff verbrennbare Neutronengifte zum Ausgleich der
Reaktivität beizumischen. Diese können auch dem Material des Führungsröhrchens beigefügt
werden. Es ist beispielsweise auch möglich, das Führungsröhrchen aus einem Kunststoff
zu machen, der sich während des Betriebes des Reaktors auflöst oder eine Verbindung
mit dem Füllstoff eingeht, ein Gel bildet oder in anderer Weise in den Prozeß eingefügt
wird.
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Für Kernreaktoren ist eine Vielzahl stab- und röhrenförmiger Brenns,toffelemnente
bekannt. So ist beispielsweise bei einem röhrenförmigen Brennstoffelement der Kernbrennstoff
zwischen zwei konzentrisch angeordneten Rohren eingebracht, und der Werkstoff der
beiden Rohre ist so gewählt, daß beim Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur
das innere Rohr schmilzt und ein Teil des Brennstoffes durch die Schwerkraft aus
dem äußeren Rohr ausfließt. Bei einem anderen bekannten rohrförmigen Brennstoffelement
wird der Brennstoff ebenfalls zwischen zwei konzentrisch angeordnete Rohre eingefüllt,
wobei jedoch die Rohre mit radialen Bohrungen versehen sind, durch welche das Kühlmittel
hindurchgeleitet wird.
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Für stabförmige Brennstoffelemente hat sich die Verwendung des Kernbrennstoffes
in keramischer Form, beispielsweise als Oxyd, bewährt, da ein derartiger Brennstoff
hohen Temperaturen gewachsen ist, keine Gefügeumwandlung, wie beispielsweise das
metallische Uran bei bestimmten Temperaturen, erfährt und auch weniger stark mit
dem Kühlmittel reagiert als ein Metall. Der keramische Brennstoff wird dabei meist
in Form von einzelnen gepreßten und gesinterten Tabletten in Rohre aus 18/8-Stahl,
Zircalloy oder Beryllium eingesetzt.
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Nach einem anderen Verfahren wird der Brennstoff gegebenenfalls pulverförmig
in eine äußere metallische Hülle eingefüllt und diese Hülle durch ein Spezialverfahren,
das sogenannte »Swaging«, im Durchmesser verringert. Die Dichte des Brennstoffes
steigt dabei auf 85 bis 90% des theoretisch erreichbaren Wertes.. Um die mit dem
Brennstoffpulver in die Hülle gelangten Gasreste, hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff
abzubinden, wird bei diesem Verfahren dem keramischen Brennstoffpulver häufig noch
etwa 1% metallisches Uranpulver zugesetzt.
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Der Durchmesser der Brennstoffelemente richtet sich nach physikalischen
und wärmetechnischen Gesichtspunkten und soll mit Rücksicht auf die Herstellungskosten
möglichst groß sein, zumindest aber einen bestimmten Wert nicht unterschreiten.
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Bei wassergekühlten Reaktoren werden bereits mit Brennstoffelementen
von verhältnismäßig großem Durchmesser befriedigende Werte erzielt, da auch diese
Elemente schon eine ausreichende Kühlfläche bieten. Ungünstiger liegen die Verhältnisse
jedoch bei Gaskühlung. Hier ist eine wesentlich größere Heizfläche
erforderlich,
die bei gleichbleibender Gesamtbrennstoffmenge nur mit einer sehr viel größeren
Anzahl von Einzelstäben und einem entsprechend kleineren Durchmesser erzielt werden
kann. Der Durchmesser ist dabei meist so niedrig, daß die Stäbe nicht mehr wirtschaftlich
hergestellt werden können.
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Um diese Schwierigkeit zu überwinden, hat man vorgeschlagen, die keramischen
Brennstofftabletten mit einer zentralen Bohrung auszuführen, so daß ein Hohlelement
entsteht. Andere Vorschläge sehen vor, den Kernbrennstoff durch andere keramische
Stoffe mit geringer Neutronenabsorption zu verdünnen. Beiden Verfahren haften jedoch
gewisse Nachteile an. Bei dem Hohlelement besteht die Gefahr, daß während des Betriebes
die ringförmigen Tabletten zerspringen, Teile davon in die Mittelbohrung fallen
und die restlichen Bruchstücke dann nicht mehr gleichmäßig an dem äußeren Hüllrohr
anliegen. Bei der homogenen Verdünnung wird der gesamte Herstellungsprozeß verteuert,
und es werden alle sonstigen Eigenschaften des Kernbrennstoffes in einer schwer
zu übersehenden Weise verändert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile auszuschalten
und durch ein neues Verfahren keramische Brennstoffelemente mit einem günstigen
Verhältnis der Kühlfläche zum Brennstoffeinsatz herzustellen und dabei einen für
die Herstellung wirtschaftlichen Durchmesser zu ermöglichen. Das Verfahren ist nur
für Elemente geeignet, bei denen der Kernbrennstoff in Pulverform in das äußere
Hüllrohr eingebracht wird, und dann durch äußere, auf das äußere Hüllrohr wirkende
Kräfte bei Raum- oder auch bei höheren Temperaturen verdichtet wird. Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, den Kernbrennstoff durch Füllstoffe zu verdünnen, die während der
Herstellung durch ein diese Füllstoffe umschließendes Führungsröhrchen zusammengehalten
werden. Das Führungsröhrchen wird dann während eines anschließenden Glühprozesses
oder während der ersten Inbetriebnahme des Brennstoffelementes umgeformt und geht
dabei mit den ihm benachbarten Stoffen eine chemische Verbindung ein. Als Füllstoffe
werden zweckmäßigerweise Stoffe mit hohem Schmelzpunkt und mit geringer Neutronenabsorption
verwendet, wie z. B. Aluminium-, Magnesium- oder Berylliumoxy d. Das diese Stoffe
umschließende Führungsröhrchen kann aus den gleichen oder auch anderen Metallen
bestehen, kann aber auch aus Kunststoffen bestehen.
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" Die Herstellung der Brennstoffelemente nach der Erfindung erfolgt
in der Weise, daß der gewählte Füllstoff, beispielsweise Magnesiumoxyd, in das Führungsröhrchen,
beispielsweise aus Aluminium, eingerüttelt und gegebenenfalls darin zusätzlich verdichtet
wird. Sodann wird dieses gefüllte Röhrchen in das äußere Hüllrohr des Brennstoffelementes
gespannt und der zwischen diesem Führungsröhrchen und dem äußeren Hüllrohr verbleibende
ringförmige Spalt mit Kernbrennstoff aufgefüllt und der Kernbrennstoff in bekannter
Weise durch äußere Kräfte, bei Raum- oder auch bei höheren Temperaturen, verdichtet.
Nachdem das Element mit Endkappen ausgerüstet ist und eine entsprechende Nachbehandlung
und Prüfung durchgemacht hat, kann es in den Reaktor eingebracht werden. Das dünnwandige
Führungsröhrchen, dessen Wandstärke sich während der Verdichtung des Kernbrennstoffes
eventuell noch weiter vermindert hat, ist üblicherweise den während des Reaktorbetriebes
im Inneren des Kernbrennstoffes auftretenden Temperaturen nicht gewachsen und wird
bei der ersten vollen Inbetriebnahme schmelzen. Nach einer gewissen Zeit wird es
mit den umgebenden Stoffen chemische Verbindungen eingehen. Die Eigenschaften des
Gesamtelementes werden wegen der geringen Materialmenge des Führungsröhrchens dadurch
kaum beeinflußt werden. Gegebenenfalls können neben oder in dem Führungsröhrchen
zusätzlich solche Stoffe eingebracht werden, mit denen das Material des Führungsröhrchens
ebenfalls hochschmelzende Stoffe bildet.
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Die Umformung des Führungsröhrchens braucht selbstverständlich nicht
erst während des Reaktorbetriebes zu erfolgen, sondern kann auch vorher während
eines besonderen Glühvorganges vorgenommen werden. Um das äußere Hüllrohr dabei
nicht zu überhitzen,- kann dieses gekühlt und .die Wärme im Inneren des Brennstoffelementes
durch Induktion oder Hochfrequenz erzeugt werden.
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In das nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Brennstoffelemente
lassen sich auch die zum Ausgleich der Reaktivität häufig verwendeten verbrennbaren
Gifte leicht einbringen. Sie können beispielsweise_ dem Füllstoff im Inneren des
Führungsröhrchens zugesetzt werden, so daß die metallurgisch häufig ungünstige Beimengung
zum Brennstoff entfällt und dieser in seinen bekannten Eigenschaften nicht verändert
wird. Die Gifte öder auch der verwendete Kunststoff können zur Druckänderung innerhalb
des Führungsröhrchens herangezogen werden.
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Ein nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestelltes Brennstoffelement
ist in einem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt.
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In das äußere Hüllrohr 1 ist das mit Füllstoffen 2 angefüllte Führungsröhrchen
3 zentrisch oder bei unterschiedlicher Wärmeabgabe azentrisch eingeführt. Nachdem
es in seiner Lage gegenüber dem äußeren Hüllrohr 1 festgelegt ist, wird der Brennstoff
4 in den Ringspalt zwischen dem Führungsröhrchen 3 und dem äußeren Hüllrohr 1 eingefüllt
und in bekannter Weise verdichtet. Die weitere Bearbeitung wird in der beschriebenen
Weise vorgenommen.