DE1158641B - Verfahren zur Herstellung von Brennelementen fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

D 32717 Vmc/21g

ANMELDETAG: 24. F E B RU AR 1960

BEKANNTMACHUNG D"ER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 5. DEZEMBER 1963

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kernreaktor-Brennelementen, bei denen das Spalt- und/oder Brutmaterial im zentralen Bereich eines Formkörpers, insbesondere einer Kugel, aus im wesentlichen aus Graphit bestehendem Moderatormaterial angeordnet ist.

Zur Verwendung in gasgekühlten thermischen Reaktoren sind kugelförmige Brennstoffelemente bekannt, die hochtemperaturbeständig sind und gleichzeitig den Moderator und den eigentlichen Brennoder Brutstoff in sich enthalten. Zwei Brennelementtypen, von denen auch einige Modifikationen bekannt sind, haben sich aus dieser Konzeption herausgeschält: das heterogene und das homogene Element. Beide Typen haben gemeinsam den Brenn- bzw. den Brutstoff, nämlich Uran- bzw. Thoriumcarbid, weiterhin den Moderatorstoff, nämlich nuklearreinen Graphit. Sie unterscheiden sich durch die Anordnung des Brenn- bzw. Brutstoffes und damit durch ihre Eigenschaften.

Beim heterogenen Element ist der Brenn- bzw. Brutstoff zumeist im Zentrum der Graphitkugel in Ausnehmungen oder Bohrungen, die nach der Einbringung verschlossen werden, angeordnet. Eine bevorzugte Ausführungsform ist die, daß der Brennstoff in einer Füllpatrone durch eine zylindrische Bohrung in das Zentrum der Moderatorkugel gebracht wird; die Bohrung wird dann mit einem Gewindepfropfen, der dicht eingekittet wird, verschlossen. Zur Vergrößerung der Oberfläche und zur Vermeidung einer flüssigen Phase wird der Brennstoff mit dem Moderatorstoff verdünnt und liegt in der Füllpatrone als UC + UC₂ + UC_x vor.

Beim homogenen Element ist der Brenn- bzw. Brutstoff in der Graphitkugel gleichmäßig verteilt. Er wird z.B. in flüssiger Form (z.B. Ammoniumuranat) durch Durchtränkung in die Moderatorkugel eingebracht, oder bei der Herstellung derselben dem Ausgangsmaterial (Graphitpulver) untergemischt, oder auch durch Einbringen eines UC-Körpers in das Zentrum der Kugel durch anschließendes Schmelzen und Druck in die Poren und Porenkanäle gebracht.

Beide Elementtypen können nun — beim homogenen muß man dazu allerdings erst gewisse Vorbehandlungen durchführen — in ihrer äußeren Zone (Kugelschale) mit Moderatorsubstanz imprägniert werden bis zu einer Dichte, die die Spaltgasdiffusion bedeutend herabgesetzt, im Inneren aber so viel Raum läßt, daß sich kein Überdruck aufbauen kann.

Sowohl das heterogene als auch das homogene Element haben jedoch außer den durch aus unter-Verfahren zur Herstellung
von Brennelementen für Kernreaktoren

Anmelder:

Deutsche Gold- und Silber-Scheideanstalt

vormals Roessler,
Frankfurt/M., Weißfrauenstr. 9

Dr. Wilhelm Krummeich, Hanau/M.,

ist als Erfinder genannt worden

schiedlichen fabrikatorischen Schwierigkeiten einige Nachteile, ζ. B. das Problem des einwandfreien Wärmeüberganges zwischen £/C_v-Füllkörper und Bohrangswandung in der Graphitkugel oder das Problem des Uranabriebes in den Außenzonen des homogenen Typs und die damit zusammenhängende Verseuchung des Kühlkreislaufes.

Vorliegende Erfindung umgeht die technologischen Schwierigkeiten und physikalischen Nachteile, indem ein Element in einfachen und überschaubaren Prozessen aus der Graphitgrundsubstanz aufgebaut wird. Nach der Erfindung wird das Spalt- bzw. Brutmaterial vor dem Pressen des Formkörpers im zentralen Bereich des in pulverförmigem Zustand befindlichen Moderatormaterials angeordnet, wobei das als Moderator dienende Graphitpulver vor dem Pressen mit Ruß und einem flüssigen Bindemittel vermischt, die Mischung einer Wärmebehandlung unterzogen und die gebildete Masse in feinkörniges Pulver übergeführt wird und dann eine Verfestigung des Formkörpers durch Pressen und eine anschließende Wärmebehandlung durchgeführt wird.

Bei einem vorhergehend beschriebenen heterogenen Element müssen Graphitkugel und -pfropfen unter ganz bestimmten Voraussetzungen aus einem mit großem Aufwand unter saubersten Bedingungen hergestellten und gereinigten Graphitstab oder -block herausgearbeitet und spanabhebend bearbeitet werden, und beim homogenen Element muß der Brenn- oder Brutstoff, in hochangereicherter Form vorliegend, schon beim ersten Arbeitsprozeß mitgehandhabt werden. Dies alles wird beim Verfahren nach

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der Erfindung vermieden, wodurch eine entsprechende Verbilligung und erhöhte Sicherheit möglich ist.

Die Herstellung von Brennelementen aus einem Spaltstoff-Graphit-Gemisch, das mit einem organischen Bindemittel, z. B. Teer, versetzt ist, ist an sich bekannt. Bei einer derartigen einstufigen Herstellung eines Elementes ist nicht möglich, die sich bei dem Verdampfen des flüssigen Bindemittels ergebenden Poren mit dem festen Moderatormaterial auszufüllen. Wird dagegen die nach der ersten Verfahrensstufe gemäß der Erfindung sich ergebende kompakte Masse in feinkörniges Pulver übergeführt und dieses zur Herstellung eines Formkörpers verwendet, so entsteht ein außerordentlich dichter Körper, der in allen seinen Eigenschaften einen einwandfreien Dauerbetrieb eines Kernreaktors gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Element wird z.B. wie folgt hergestellt: Nuklearreines Graphitpulver bestimmter Korngröße wird mit einem flüssigen Binder und einen bestimmten Reinstraßanteil innigst vermischt. Als Binder kommen vorzugsweise hochkohlenstoffhaltige und neutronenökonomisch günstige Substanzen in Frage, wie z. B. aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Phenol, Phenolharze, Phenolplaste, oder auch Additionsprodukte des Naphthalins. Vor der Lösung in einem organischen Lösungsmittel wird der Binder einer Temperaturbehandlung unterzogen; er wird gewissermaßen von einem Zustand A in einen Zustand B übergeführt.

Die homogene Mischung von Graphitpulver, Reinstraß und Binder wird dann im Vakuum bis 300⁰C behandelt und ausgehärtet und dabei das Lösungsmittel herausgedampft. Nach einer entsprechenden Feinstmahlung und Fraktionierung wird der trockene Masseansatz mit etwa 8 t/cm² in einer festeingespannten Matrize hydraulisch mit Ober- und Unterdruck verpreßt.

Der Preßvorgang wird so gesteuert, daß Texturen vermieden werden und die Anisotropie des in einem Arbeitsgang hergestellten Brennelementes möglichst gering gehalten wird.

Wie gesagt, wird in diesem einen Arbeitsgang das Brennelement im Grünlingszustand komplett hergestellt. Der Brenn- bzw. Bratstoff kann dabei auf verschiedene Weise eingebracht werden, z. B. als vorgebildete und bei 1900⁰C hergestellte Füllpatrone; diese muß nur in die Pulverschüttung in der Matrize so eingebracht werden, daß sich ihre unterschiedliche thermische Ausdehnung gerade mit der der Graphitkugel kompensiert. Weiter kann der Brennstoff jetzt mit reinstem Kohlenstoff noch weiter verdünnt werden und in Kugelform in die zu pressende Graphitkugel eingebracht werden, und zwar so, daß um diese Brenn- bzw. Bratstoffüllung eine brenn- bzw. brutstofffreie Kugelschale aus reinster Moderatorsubstanz entsteht. Ebenso kann auch der Brennstoff z. B. in Form von Uranmonocarbidkörnern in bestimmter Korngröße in das Zentrum der Moderatorsubstanz eingebracht werden.

Jedenfalls ist es nach der Erfindung im Vergleich zu den vorhergehend beschriebenen bekannten Elementtypen nicht mehr notwendig, Graphitkugel und Verschlußpfropfen aus vorgebildetem Stabmaterial herauszuarbeiten, in die Graphitkugel zur Aufnahme des Brenn- bzw. Bratstoffes Ausnehmungen oder 6g Bohrungen einzubringen und diese anschließend -wieder zu verschließen. Dafür hat man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren den Vorteil eines Arbeitsganges, die jetzt noch größere Oberfläche der Spaltstoffpatrone, die nahezu homogene Verteilung desselben mit wesentlich verbessertem Wärmeübergang und die verbesserte Ausdehnungsmöglichkeit für die Spaltgase.

Das Grünlings-Brennelement wird sodann einem gesteuerten Verkrackungsprozeß bis 1000° C im Vakuum behandelt. Durch den dabei auftretenden Schwund wird eine nochmalige Dichtezunahme der Moderatormasse erreicht, was zur Folge hat, daß die Brennstoff- bzw. Bratstoffüllung fester umschlossen wird.

Liegt das spezifische Gewicht der so fertiggestellten Moderatorsubstanz über 1,9 g/cm³ mit einer ausreichenden Druck- und Abriebfestigkeit, so gibt die oben beschriebene Mischung mit der entsprechenden Behandlung auch noch die Garantie dafür, daß die Dichtigkeit des ganzen Elementes oder seiner äußeren Schale (je nach Wahl) so hervorragend ist, daß Diffusionskonstanten mit Werten über 10~⁶ bis 10~⁸ cm²/sec erreicht werden. Damit ist auch die bei den oben beschriebenen Elementtypen notwendige Imprägnation in diesem einen Arbeitsgang mit einbezogen. Die mechanischen Eigenschaften dieses semiheterogenen Elementes können durch spezielle Härtungsverfahren noch verbessert werden.

Das beschriebene Verfahren ist — und das ist ein wesentlicher Vorteil — unabhängig vom Graphitausgangsmaterial. Sowohl Naturgraphit als auch Kunstgraphit ist verwendbar, sie ergeben beide die gleichen Eigenschaften. Der Naturgraphit liegt allerdings in einer wesentlich besseren Reinheit vor und kann direkt als Pulver verwendet werden, während der Kunstgraphit erst einen Graphitierungs- und Reinigungsprozeß durchlaufen muß.

Das nach dem vorliegend beanspruchten Verfahren hergestellte semiheterogene Brenn- bzw. Bratstoffelement gibt die Garantie dafür, daß es in all seinen Eigenschaften, wie Festigkeit, Dichtigkeit und thermisches Verhalten, hochtemperaturbeständig ist und eine Reinheit besitzt, die den neutronenphysikalischen Anforderungen genügt.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von Kernreaktor-Brennelementen, bei denen das Spalt- und/oder Bratmaterial im zentralen Bereich eines Formkörpers, insbesondere einer Kugel, aus im wesentlichen aus Graphit bestehendem Moderatormaterial angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Spalt- bzw. Brutmaterial vor dem Pressen des Formkörpers im zentralen Bereich des in pulverförmigem Zustand befindlichen Moderatormaterials angeordnet wird, wobei das als Moderator dienende Graphitpulver vor dem Pressen mit Ruß und einem flüssigen Bindemittel vermischt, die Mischung einer Wärmebehandlung unterzogen und die gebildete Masse in feinkörniges Pulver übergeführt wird, und daß dann der Formkörper durch Pressen und eine anschließende Wärmebehandlung verfestigt wird.

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Moderator dienende Graphitpulver im Gemisch mit Ruß und kohlenstoffhaltigen Flüssigkeiten, wie Phenol, Phenol-

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verbindungen und Naphthalinverbindungen, der deutsche Auslegeschrift Nr. 1037 605;

Wärmebehandlung unterzogen wird. französische Patentschrift Nr. 1189 743;

»Proceedings of the Second United Nations Inter-In Betracht gezogene Druckschriften: national Conference on the Peaceful Uses of Atomic Deutsche Patentschrift Nr. 950 833; 5 Energy«, Vol. 7, 1958, S. 748 bis 750.

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