DE1192337B - Regel- bzw. Spaltstoffstab fuer Kernreaktoren und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G 21

Deutsche KL: 21g-21/31

Nummer: 1192337

Aktenzeichen: U 8673 VIII c/21 g

Anmeldetag: 1. Februar 1962

Auslegetag: 6. Mai 1965

Die Erfindung betrifft einen Regel- bzw. Spaltstoffstab für Kernreaktoren, bestehend aus einem gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Rohr, welches mit neutronenabsorbierendem Stoff bzw. Spaltstoff gefüllt ist und welches an den Enden mit gasdurchlässigen Stopfen verschlossen ist.

Regelstäbe und Spaltstoffeinsätze in Kernreaktoren sind durch den sich innerhalb der Einsätze ausbildenden, durch die gasförmigen Umwandlungsoder Spaltprodukte bedingten Gasdruck einer zum Bruch führenden Belastung unterworfen. Bor ζ. Β. ist in vieler Hinsicht ein ideales Regelstabmaterial oder ein idealer Neutronenabsorber, der Helium bildet, was eine Druckausbildung zur Folge hat. Es wurden bisher verschiedene Verfahrensmaßnahmen vorgeschlagen, um die Drücke dieser Art sicher in den Regelstäben oder Spaltstoffstäben zu begrenzen, jedoch traten trotz dieser Anstrengungen Brüche in den Stäben infolge der inneren Gasdrücke auf, so daß die Arbeitsweise des Reaktors oftmals sehr ernstlich in Mitleidenschaft gezogen wurde.

Es ist bereits ein Spaltstoffstab bekannt, der aus einem gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Rohr besteht, das mit einem Spaltstoff gefüllt ist und an den Enden mit gasdurchlässigen Stopfen verschlossen ist, und das zur Verwendung in einem Gas als Kühlmittel bestimmt ist. Die in dieser Anordnung verwendeten Stopfen weisen eine verhältnismäßig hohe Porosität auf, so daß zwar der innere, im Stab auftretende Gasdruck begrenzt wird, jedoch bei Verwendung des Stopfens in flüssigkeitsgekühlten Reaktoren eine Abdichtung gegen die Flüssigkeit nicht gewährleistet ist.

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Einsatz für einen Kernreaktor zu schaffen, der nicht der Bruchgefahr durch den sich im Inneren des Stabes ausbildenden Gasdruck ausgesetzt ist, und der sich zur Verwendung in natriumgekühlten Kernreaktoren eignet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß für den Einsatz des Regel- bzw. Spaltstoffstabes in natriumgekühlten Reaktoren die Stopfen aus verdichteter, natriumundurchlässiger Metallwolle bestehen.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert.

F i g. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Regelstabes;

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht, an der das Verfahren zur Abdichtung des Stabes, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, erläutert wird;

F i g. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Endes eines fertigen Stabes.

In Fig. 1 ist ein Bor enthaltender Regelstab3

Regel- bzw. Spaltstoffstab für Kernreaktoren und Verfahren zu seiner Herstellung

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:

David Edward Walker, Park Forest, JlL;

Steve Matras, Chicago, JH. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 6. Februar 1961 (87 513)

dargestellt. Er besitzt einen hohlen zylindrischen Metallteil 4 und poröse Stopfen 5 an jedem Ende, von denen eines in der perspektivischen Ansicht zu sehen ist. Die Borfüllung in dem hohlen zylindrischen Teil zwischen den Stopfen kann natürlich in der perspektivischen Ansicht nicht gesehen werden.

Wie in F i g. 2 dargestellt ist, wird der Regelstab 3 hergestellt, indem eine bestimmte Menge von aus Bor bestehendem Pulver 6 in dem zylindrischen Teil 4 in einer dichten Packung eingebracht wird. Preßlinge oder Stopfen 5 aus Metallwolle mit einer Dichte von etwa 30 bis 50 % der theoretisch möglichen — d. h. mit einer Dichte, die verglichen mit der Dichte einer festen Masse des Metalls, aus dem die Metallwolle hergestellt ist, 30 bis 50% beträgt —, wird in den zylindrischen Teil 4 in vorläufigen Stellungen, wie bei 5 Γ mit den gestrichelten Linien angedeutet ist, eingesetzt. Die Anordnung wird dann in eine Stempelpresse zwischen Preßstempel 7 eingesetzt, die hierauf aufeinander zu verschoben werden, so daß sie die Stopfen 5 in ihre inneren Endpositionen bringen, wodurch das in granulierter Form vorliegende Bor 6 verdichtet wird.

Die Anordnung wird dann aus der Stempelpresse herausgenommen, und mittels irgendeines der bekannten Verfahren wird der äußere Durchmesser reduziert, beispielsweise durch Kaltziehen, Warmziehen oder Schmieden. Vorzugsweise wird die Re-

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duzierung des Durchmessers durch Kaltschmieden erreicht. Die Verringerung des äußeren Durchmessers mittels irgendeines dieser Verfahren führt zu einer Verkleinerung des inneren Durchmessers und einer starken Vergrößerung der Gesamtlänge des Rohres. Zusammen damit nimmt die Verdichtung der Stopfen aus poröser Metallwolle zu. Die Stopfen erreichen, wenn sie auf diese Weise komprimiert werden, eine Dichte von etwa 95% der theoretisch möglichen Dichte. Ein anderer Vorteil dieses Herstellungsverfahrens besteht darin, daß die Wandstärke neben den Stopfen aus Metallwolle an den Enden geringer ist als in der Stabmitte. Dies führt zu einer Verstärkung der Wandenden, wie bei 8 in Fig. 3 dargestellt ist, wodurch die Stopfen5 an Ort und Stelle gehalten werden.

Die Stäbe werden nach dem Schmieden oder einer entsprechenden Bearbeitung hinreichend lang wärmebehandelt, um die Spannungen, die durch die Kaltbearbeitung hervorgerufen werden, zu entfernen. Diese Wärmebehandlung wird jedoch so vorgenommen, daß keine Erweichung der Metallwolle erfolgt, so daß die Porosität der Stopfen erhalten bleibt.

Es wurde gefunden, daß die nach der Erfindung hergestellten Stäbe für Helium durchlässig sind, jedoch für flüssiges Natrium undurchlässig sind. Sie können deshalb als Regelstäbe und Spaltstoffstäbe, wenn sie spaltbares Material wie z.B. Uran und Plutonium enthalten, oder als Mantelstäbe in Brutreaktoren, wenn sie brütbares Material, wie z.B. Uran²³⁸ und Thorium²³² enthalten, verwendet werden.

Beispiel

29,30 g elementares Bor wurde in die Mitte eines korrosionsbeständigen Stahlrohres 4 mit einem inneren Durchmesser von 2,54 cm und einem äußeren Durchmesser von 2,8575 cm und einer Länge von 45,72 cm eingesetzt. In jedes Ende wurde ein Preßling 5 aus Stahlwolle, die aus einem korrosionsbeständigen Stahl hergestellt war und der 352 g wog und eine Dichte von 44,3 % der theoretischen Dichte besaß, eingesetzt. Der korrosionsbeständige Stahl war eine Legierung, die im wesentlichen 0,08 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 18,0 bis 20,0 Gewichtsprozent Chrom, 8,00 bis 11,00 Gewichtsprozent Nickel, 2,00 Gewichtsprozent Mangan und den Rest Eisen enthält.

Die Preßlinge oder porösen Stopfen 5 wurden von Hand in Lagen eingebracht, die 10,16 cm von den Enden des Rohres entfernt waren. Hierauf wurden Preßstempel 7 aus Stahl in beide Enden bis an die Stopfen heran eingesetzt. Die Preßstempel 7 paßten eng, jedoch nicht luftdicht in das Rohr. Die Vorrichtung wurde dann in eine Stempelpresse mit zwei Kolben eingebracht, die gleichzeitig auf die Preßstempel? drückten und dadurch die porösen Stopfen 5 gegen die Mitte des Rohres verschoben, bis die inneren Endflächen der porösen Stopfen bis auf 4,92125 cm einander nahe kamen, was röntgenographisch festgestellt wurde.

Die Anordnung wurde dann durch eine Kaltwalzmaschine bearbeitet, so daß in neun Durchgängen die Querschnittsfläche des Rohres um 83,3% reduziert wurde. Am Ende dieser Behandlung ergab die radiographische Messung einen Innendurchmesser von 1,04394 cm und eine Wandstärke von 1,5494 mm. Der Abstand zwischen den inneren Stirnflächen der porösen Stopfen, d. h. »die Kernlänge« war 17,780 cm im Vergleich zu 4,92125 cm vor dem

ίο Kaltwalzen, wie oben erwähnt wurde. Der Außendurchmesser betrug 1,4224 cm. Es wird hervorgehoben, daß fast über die gesamte Länge der Durchmesser und die Wandstärken die angegebenen Dimensionen besaßen, jedoch daß an den Enden die Wandung verstärkt war, was zu einer Verjüngung nach außen führte, wie in F i g. 3 dargestellt ist.

Der Stab 3 wurde bei 900° C 17 Stunden lang in Luft wärmebehandelt und hierauf mit Luft schnell abgeschreckt. Dann wurde der Stab 3 in Höhe der äußeren Stirnflächen der porösen Stopfen 5 abgeschnitten und auf seinen gesamten Oberflächen in einer spitzenlosen Rundschleifmaschine maschinell poliert. Die Länge des fertigen Stabes betrug 20,320 cm.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Regel- bzw. Spaltstoff stab für Kernreaktoren, bestehend aus einem gas- und flüssigkeitsundurchlässigen Rohr, welches mit neutronenabsorbierendem Stoff bzw. Spaltstoff gefüllt ist und welches an den Enden mit gasdurchlässigen Stopfen verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß für den Einsatz in natriumgekühlten Kernreaktoren die Stopfen aus verdichteter, natriumundurchlässiger Metallwolle bestehen.

2. Stab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Rohres gegen beide Enden hin gleichmäßig zunimmt, wobei sich das Rohrinnere gegen diese Enden hin verjüngt.

3. Stab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung etwa 95% der theoretisch möglichen beträgt.

4. Verfahren zum Herstellen eines Stabes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der neutronenabsorbierende Stoff bzw. der Spaltstoff in ein zylindrisches Rohr eingefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Füllung die porösen Stopfen an jedem Rohrende eingeschoben werden, daß die Stopfen und der Stoff von beiden Enden her verdichtet werden und daß schließlich der äußere Durchmesser des zylindrischen Rohres zur weiteren Verdichtung des Inhalts reduziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung des Rohraußendurchmessers durch Kaltschmieden erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1224 478.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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