DE1167037B - Plutoniumlegierung und deren Verwendung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WTTWk PATENTAMT Internat. Kl.: C 22 c

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 40b-31/00

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1 167 037
U 7921 VIa/40 b
7. April 1961
2. April 1964

Die Erfindung betrifft Brennstoffsysteme für Kernreaktoren, insbesondere nichtkorrodierende Brennstoffsysteme, bei denen geschmolzenes Plutonium in einer Brennstoffumschließung aus Tantal eingesetzt wird.

Das Plutonium ist als zweckmäßig spaltbares Element für den Einsatz in einem homogenen Leistungskernreaktor erkannt worden. Die Verwendung von reinem Plutonium als flüssiger Reaktorbrennstoff hat jedoch zwei Hauptnachteile. Diese Nachteile be- ίο stehen in dem verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt des Plutoniums (etwa 640° C) und dem Umstand, daß Plutonium die gewöhnlich verwendeten Materialien für Brennstoffbehälter oder -Umschließungen angreift und aktiv korrodiert. Der erstgenannte Nachteil ist durch Legieren des Plutoniums mit einem neutronisch verträglichen Element, wie Eisen, Kobalt oder Nickel, überwunden worden. Zum Beispiel hat, wie in der auf Plutoniumlegierungen gerichteten USA.-Patentschrift 2 890 954 beschrieben, das binäre PIutonium-Eisen-System bei 9,5 Atomprozent Eisen und 410° C einen eutektischen Punkt.

Der letztgenannte Nachteil konnte bisher nur zum Teil durch Auswahl der Umschließungswerkstoffe und durch Aufbringung bestimmter Überzüge auf die Umschließungsflächen abgeschwächt werden. Es hat sich gezeigt, daß Tantal und Wolfram korrosionsbeständiger als andere in Frage kommende Umschließungswerkstoffe sind, wobei man das Tantal am häufigsten einsetzt, da es sich leichter in die gewünschten Formen arbeiten läßt. Aber trotzdem sich das Tantal als das etwa beste Material für Brennstoffumschließungen erwiesen hat, ist die Korrosionswirkung des Plutoniums nach wie vor ein ernsthaftes Problem. Es hat sich auch gezeigt, daß der Korrosion des Tantals entgegengewirkt werden kann, indem man die mit Brennstoff in Berührung kommenden Umschließungsflächen mit Tantalcarbid, TaC, überzieht. Winzige Diskontinuitäten des Überzugs, welche das Tantal der Einwirkung des Plutoniums freigeben, bilden jedoch einen Angriffspunkt für die Korrosion durch das Plutonium. In dem Überzug können auch nach einer gewissen Zeit winzige Risse auftreten, wodurch das Tantal der korrodierenden Einwirkung des Plutoniums in dem Brennstoff ausgesetzt wird.

Die vorliegende Erfindung stellt ein nichtkorrosives Brennstoffsystem für einen Kernreaktor zur Verfügung. Sie schafft ein nichtkorrodierendes Brennstoffsystem für einen Kernreaktor unter Verwendung von geschmolzenem Plutonium in einer Brennstoff-Umschließung aus Tantal. Sie macht weiter ein nichtkorrodierendes Brennstoffsystem für einen Kern-Plutoniumlegierung und deren Verwendung

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Claude Cummings Herrick, Los Alamos, N. Mex.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 25. April 1960 (24 625) --

reaktor verfügbar, bei dem geschmolzenes Plutonium in einer mit Tantalcarbid überzogenen Brennstoffumschließung aus Tantal eingesetzt wird. Die Erfindung stellt schließlich Reaktorbrennstoffe aus niedrigschmelzenden Plutoniumlegierungen zur Verfügung, die mit der Brennstoffumschließung verträglich sind.

Die Brennstofflegierung gemäß der Erfindung kennzeichnet sich durch die Zusammensetzung 8 bis 15 Atomprozent Eisen, Kobalt oder Nickel; Kohlenstoff in einer Menge, die größer ist als üblicherweise als Verunreinigung im Plutonium enthalten ist, bis zu etwa 2 Atomprozent; Rest Plutonium. Das entspricht etwa 2,0 bis 4,0 Gewichtsprozent Eisen bzw. etwa 2,1 bis 4,2 Gewichtsprozent Kobalt oder Nickel, bis etwa 0,11 Gewichtsprozent Kohlenstoff, Rest Plutonium.

Der Gehalt an Kohlenstoff beträgt insbesondere 2 Atomprozent. Von der zu Kohlenstoff und Plutonium hinzutretenden ternären Komponente wird das Eisen bevorzugt; es wird vorzugsweise in einer Menge von 8 bis 12 Atomprozent, insbesondere 9,5 Atomprozent (Eutektikum mit Plutonium) eingesetzt.

Das Nickel und das Kobalt werden vorzugsweise in den mit dem Plutonium ein Eutektikum ergebenden Mengen von 14 bzw. 12 Atomprozent eingesetzt.

Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer Brennstoffumschließung aus Tantal als Reaktorbrennstoff eine Legierung eingesetzt,

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die aus 8 bis 12 Atomprozent (etwa 2 bis 3,1 Gewichtsprozent) Eisen, etwa 2 Atomprozent (etwa 0,11 Gewichtsprozent) Kohlenstoff, Rest Plutonium, besteht. Die Einverleibung einer genügenden Menge Kohlenstoff in die Plutonium-Eisen-Brennstoffgrundlegierung führt zu der gewünschten Nichtkorrosivität; wenn die geschmolzene Legierung _;mit /Tantal zusammenkommt, vermag der Kohlenstoff leicht aus der Brennstoff legierung auszutreten und sich mit dem Tantal unter Bildung eines Überzuges von ungefähr 0,25 mm Dicke aus Tantalcarbid, TaC, auf dem Tantal zu vereinigen. Ein Tantalcarbidüberzug der Brennstoffumschließung aus Tantal zeigt somit beim Einsatz der Legierung gemäß der Erfindung die Eigenschaft, sich selbst zu »heilen«, da bei Einwirkung der Brennstofflegierung auf das unter dem Überzug befindliche Tantal sich rasch Tantalcarbid bildet und dadurch die Unversehrtheit des Tantalcarbidüberzuges aufrechterhalten wird. Die Legierung kann, wenn gewünscht, auch in einer keinen Überzug aufweisenden Tantalumschließung eingesetzt werden, da beim Erhitzen der Legierung in der Umschließung leicht der Überzug gebildet (und aufrechterhalten) wird. Ein Kohlenstoffgehalt der Legierung von etwa 2 Atomprozent reicht zur Bildung des 0,25 mm starken Carbidüberzuges unter Zurückbleiben einer genügenden Kohlenstoffmenge in der Legierung aus, um die Unversehrtheit des Überzuges durch Schließung von Rissen oder anderen Diskontinuitäten aufrechtzuerhalten. Diese kleine Menge Kohlenstoff, die der Plutonium-Eisen-Grundlegierung einverleibt wird, bewirkt keine wesentliche Verschiebung der Liquiduslinien in dem Pu-Fe-Phasendiagramm. Man kann daher die statthafte Abweichung von der eutektischen Pu-Fe-Zusammensetzung für gewünschte Arbeitstemperaturen des Reaktors leicht bestimmen. (2 Atomprozent Kohlenstoff stellen auch die Maximalmenge dar, die man der Legierung einverleiben kann, ohne das Pu-Fe-Phasendiagramm zu beeinflussen.) Die Zusammensetzung von Plutonium-Eisen-Legierungen mit einem Eisengehalt von 8 bis 12 Atomprozent ist dem Eutektikum genügend angenähert, damit die Legierungen bei weniger als etwa 480° C schmelzen.

Die bequemste Methode zur Herstellung der Legierungen gemäß der Erfindung besteht darin, mit einer Graphitform zu arbeiten, deren Form derjenigen der zu verwendenden Brennstoffumschließung aus Tantal entspricht. Man gibt das Plutonium und das Eisen, in Klumpen- oder Knopfform, in die Form ein, die sich in einem herkömmlichen Vakuumofen befindet, der die Erzielung eines Vakuums von mindestens 10~⁴ mm Hg bei Raumtemperatur gestattet. (Wenn die Metalle geschmolzen sind, vermindert die Abgasbildung das Vakuum auf etwa 10-3 bis 5-10-⁴mm Hg.) Die Metalle werden geschmolzen und genügende Zeit geschmolzen gehalten, daß sie die gewünschte Menge Kohlenstoff aus der Graphitform aufnehmen. Die Menge des Kohlenstoffs, der von der flüssigen Legierung absorbiert wird, ist in erster Linie eine Funktion der Temperatur, der Zeit und der Art des verwendeten Graphits. Wenn ein zylindrischer Formling von ungefähr 16 mm Durchmesser und 203 mm Länge gegossen wird, nimmt die flüssige Legierung etwa 2 Atomprozent Kohlenstoff in weniger als 10 bis 12 Stunden bei einer Temperatur von 1000° C auf. Eine andere Methode besteht darin, die obengenannte Legierung unter Verwendung von reinem JPlutoniurrf, Eisen unä Eisencarbid in den entsprechenden Anteilen herzustellen.

Bei der Herstellung der Legierungen gemäß (Jer Erfindung können auch andere herkömmliche Gußmethöden Anwendung finden, aber die gewünschte Menge an Kohlenstoff muß sich in der Legierung befinden, bevor dieselbe in die Brennstoffumschließung aus Tantal eingeführt wird. Durch Einbringen einer Plutonium-Eisen-Legierung in die Brennstoffumschließung aus Tantal, Zusatz von amorphem Kohlenstoff und Erhitzen kann der gewünschte Überzug nicht erhalten werden.

Wenn eine Legierung gemäß der Erfindung in einem Kernreaktor als flüssiger Brennstoff eingesetzt wird, kann man eine Hilfsheizvorrichtung vorsehen, um die Legierung vorzuschmelzen. Nachdem sich die Legierung einmal in einem kritischen Reaktorbereich im Einsatz befindet, wird sie von der Wärme der Kernreakton in flüssiger Form gehalten.

Das in den Legierungen gemäß der Erfindung eingesetzte Plutonium soll zu mindestens 98 bis 99°/o rein sein und keine wesentlichen Mengen neutronenabsorbierender Elemente enthalten. Man kann zwar ein Plutonium geringerer Reinheit verwenden, wenn die Verunreinigungen keine neutronenabsorbierenden Elemente oder Elemente mit größerer Affinität für Kohlenstoff darstellen, aber die genannten Reinheitsgrade lassen sich leicht erreichen und entsprechen im allgemeinen der Erwartung des Kerntechnikers. Die Legierungselemente müssen eine entsprechend hohe neutronische und chemische Reinheit haben.

Aus Plutonium-Nickel- und Plutonium-Kobalt-Legierungen, deren Zusammensetzungen den entsprechenden eutektischen Weiten angenähert sind, kann man durch Zusatz von etwa 2 Atomprozent Kohlenstoff ebenfalls Reaktorbrennstoffe erhalten, welche beim Einsatz in Verbindung mit einer Tantalumschließung den gleichen nichtkorrodierenden Effekt zeigen.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Brennstofflegierung für homogene Kernreaktoren auf Plutoniumbasis, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung 8 bis 15 Atomprozent Eisen, Kobalt oder Nickel, Kohlenstoff in einer Menge, die größer ist als üblicherweise als Verunreinigung im Plutonium enthalten ist, bis zu etwa 2 Atomprozent, Rest Plutonium.

2. Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt von etwa 2 Atomprozent an Kohlenstoff.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Komponente zu Kohlenstoff und Plutonium Eisen ist.

4. Legierung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 8 bis 12, insbesondere 9,5 Atomprozent an Eisen.

5. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 14 Atomprozent an Nickel.

6. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gehalt von 12 Atomprozent an Kobalt.

7. Verwendung einer Legierung der in einem der Ansprüche 1 bis 6 genannten Zusammensetzung als flüssiger Kernreaktorbrennstoff in

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einem homogenen Reaktor mit einer Umschlie- einem homogenen Reaktor mit einer Umschließung für den Brennstoff aus Tantal. ßung aus mit Tantalkarbid überzogenem Tantal.

8. Verwendung einer Legierung der in einem

der Ansprüche 1 bis 6 genannten Zusammen- In Betracht gezogene Druckschriften:

setzung als flüssiger Kernreaktorbrennstoff in 5 USA.-Patentschrift Nr. 2 890 954.

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