DE1286228B

DE1286228B - Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelementes

Info

Publication number: DE1286228B
Application number: DEU11942A
Authority: DE
Inventors: Howard Ronald Albert; Kellar Arnold Arbuthnot; Lawrenceburg Tenn; Meers Joseph Tinsley
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1964-08-07
Filing date: 1965-08-05
Publication date: 1969-01-02
Also published as: GB1093776A; US3439073A

Description

diese Zwischenräume sehr schädlich. Sie setzen die Wärmeübertragung herab und verringern die Druckfestigkeit der Brennstoffelemente.

In den USA.-Patentschriften 1137373 und 1191383 ist ein Verfahren zum Behandeln natürlichen und synthetischen Graphiten beschrieben. Nach diesem Verfahren werden Graphitteilchen mit einem oxydierenden Medium, z. B. mit Gemischen von Schwefelsäure und Salpetersäure oder mit Ge-

dem Gemisch im Inneren und der Umhüllung. Wäh- io in erster Linie abhängig von der Art und der Menge rend des Backens wird das flüchtige Material aus des Bindemittels. Im allgemeinen werden zufriedendem Kern ausgetrieben und das Bindemittel wird stellende Ergebnisse erhalten, wenn man 1 bis 20 Geverkohlt, wodurch das Volumen abnimmt. Da die wichtsprozent expandierbaren Graphit zusetzt, beäußere Hülle starr ist, nimmt ihr Volumen nicht ab. zogen auf das Gewicht der Mischung ohne den Kern-Für die Beständigkeit der Brennstoffelemente sind 15 brennstoff. Verwendet man zuviel des expandierbaren

Graphits, so steigt der innere Druck zu hoch an und kann einen Bruch der starren äußeren Umhüllung verursachen.

Man kann aber auch so vorgehen, daß man die von ao innere Oberfläche der Umhüllung mit einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel überzieht, das genügend expandierbaren Graphit enthält, um das Schrumpfen des Inneren auszugleichen.

Gegebenenfalls kann man auch beide Maßnahmen mischen von Salpetersäure und Kaliumchlorat, be- 35 gleichzeitig anwenden, besonders dann, wenn die handelt, dann gut ausgewaschen und bei mäßigen Brennstoffelemente stark und lange beansprucht Temperaturen getrocknet. Es entsteht hierbei ein so- werden.

genannter »expandierbarer« Graphit. Geeignete kohlenstoffhaltige Bindemittel enthalten

Erhitzt man diesen expandierbaren Graphit auf feinverteilte Kohle oder Graphit, ein verkohlbares etwa 350 bis 600° C, so dehnt er sich in Richtung 3° Kunstharz und expandierbaren Graphit in solchen der c-Achse auf etwa das 25fache oder mehr aus. Der Mengen, daß ein guter Zusammenhang zwischen dem Graphit in dieser Form wird »expandierter« Graphit Inneren und der starren äußeren Hülle nach dem genannt. Backen sichergestellt ist. Geeignete verkohlbare Binde-

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man mittel sind Epoxydharze, Phenolharze, Furfurol oder mit ausgezeichnetem Erfolg expandierbaren Graphit 35 Peche aus Kohlenteer, Bindemittel mit einer Verzur Herstellung von Brennstoffkernelementen verwen- kokungszahl von 40% oder darüber sind vorzuziehen. Beispielsweise kann man Gemische verwenden, die 48,4 Gewichtsprozent synthetischen Graphit, 48,4 Gewichtsprozent eines flüssigen phenolischen Stoffelement, das expandierten Graphit enthält. Bei 4° Kunstharzes, z. B. eines Furfurol-Phenol-Kunstharzes, diesen Kernbrennstoffelementen sitzt der Kern sehr und 3,2 Gewichtsprozent des expandierbaren Graphits

enthalten.

Bei der Durchführung der Erfindung kann man so vorgehen, daß man ein Gemisch aus einem geeigne-45 ten temperaturbeständigen Füllstoff, einem Kernbrennstoff, expandierbarem Graphit und einem verkohlbaren Bindemittel in eine Hohlkugel aus Graphit einfüllt. Dann erwärmt man, um das Bindemittel auszuhärten. Nach dem Aushärten des Bindemittels brennstoffgemisch Graphit enthält und/oder die innere 5° wird das Brennstoffelement gebacken, wobei das Oberfläche der Umhüllung mit einer graphithaltigen Bindemittel verkohlt oder graphitiert und der expan-Schicht überzogen ist. Das Verfahren ist dadurch dierbare Graphit gleichzeitig expandiert wird. Hierbei gekennzeichnet, daß den Ausgangsstoffen des Graphit erhält man ein Brennstoffelement mit einem Kernenthaltenden Gemisches ein Graphit zugesetzt wird, brennstoff enthaltenden Inneren und einer äußeren der mit oxydierenden Mitteln vorbehandelt und da- 55 Umhüllung ohne Zwischenräume zwischen beiden,
nach ausgewaschen ist, worauf im zusammengebauten In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin-

Kernbrennstoffelement durch Erhitzen das Binde- dung besteht das innere Gemisch aus 80 Gewichtsmittel ausgehärtet, dann verkohlt und eine Expansion prozent von graphitiertem Petroleumkoks, 3,8 °/o exdes vorbehandelten Graphits bewirkt wird. pandierbarem Graphit, 12 bis 22 Gewichtsprozent

Vorzugsweise werden dem Graphit enthaltenden 60 eines verkohlbaren Binders. Ein solches Gemisch

den kann, die aus einem Kernbrennstoff enthaltenden Gemisch in einer hitzebeständigen Umhüllung bestehen. Bei dem Verfahren entsteht ein Kernbrennfest und ohne Hohlräume in der Umhüllung, so daß mechanische Beschädigungen vermieden werden und die Wärme aus dem Kern gut auf die Umhüllung übertragen wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelementes, das aus einem Kernbrennstoff enthaltenden Gemisch in einer hitzebeständigen Umhüllung besteht, bei dem das Kern-

Gemisch 1 bis 20 Gewichtsprozent vorbehandelter Graphit, bezogen auf das Gewicht des Gemisches ohne Kernbrennstoff, zugesetzt.

Der vorbehandelte Graphit sollte möglichst gleichwird hergestellt und gemengt mit einer bestimmten Menge des Kernbrennstoffes. Diese Menge hängt ab von den Erfordernissen, die an das fertige Brennstoffelement gestellt werden. Dann bringt man das Ge

mäßig in dem Graphit enthaltenden Gemisch verteilt 65 misch in eine Hohlkugel aus Graphit unter einem werden. Druck von weniger als 70 kg/cm². Bei Verwendung

Verwendet man bei der Herstellung des Kernbrenn- eines in der Wärme härtbaren Bindemittels erwärmt Stoffelementes eine Umhüllung aus Graphit, so kann man auf etwa 100° C. Das Bindemittel kann unter

Druck ausgehärtet werden, man kann aber auch den Einfülldruck aufheben, bevor man mit dem Härten beginnt. Dann backt man das Brennstoffelement, um das Bindemittel zu verkohlen und den Graphit zu expandieren. Während des Backens steigert man die Temperatur um etwa 200° C stündlich bis zu einer Höchsttemperatur zwischen 1000 und 2000° C. Die obere Temperaturgrenze ist durch die Zersetzungstemperatur des Kernbrennstoffs gegeben.

Es ist wichtig, daß in dem im Inneren befindlichen Gemisch der Kernbrennstoff gleichmäßig verteilt ist. Hierfür verwendet man beliebige an sich bekannte Verfahren, durch welche eine gleichmäßige Verteilung erreicht wird. Vorteilhaft geht man so vor, daß man zunächst das Bindemittel mit etwa Vs des Füllstoffs mischt. Dann gibt man den Kernbrennstoff diesem Gemisch zu. Schließlich gibt man den Rest des Füllstoffs und den expandierbaren Graphit zu und mischt das Ganze so lange, daß seine Bestandteile gleichmäßig verteilt sind. Im allgemeinen empfiehlt es sich, den expandierbaren Graphit zuletzt zuzugeben, so daß seine Expansionsfähigkeit während der Behandlung nicht verringert wird, z. B. durch Abrieb und andere Einwirkungen.

Beispiel 1

Es wurden 80 g eines gesiebten synthetischen Graphits, 4 g expandierbaren Graphits und 16 g eines flüssigen Furfurol-Phenol-Harzes gemischt. Diesem Gemisch wurden 25 g Uraniumcarbid, dessen Teilchen mit pyrolytischer Kohle überzogen waren, zugesetzt, worauf das Ganze innig gemischt wurde. Diese Mischung wurde dann in das Innere einer Hohlkugel aus Graphit mit einem Innendurchmesser von 4,4 cm und einem Außendurchmesser von 6 cm eingefüllt.

Beispiel 2

Es wurden 16 g eines verkohlbaren flüssigen Kunstharzes in kaltem Zustand in einen Mischer gegeben, worauf man 16 g des synthetischen Graphits zugab und mischte. Dann gab man 25 g Urancarbid, dessen Teilchen mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen waren, zu und mischte wieder. Schließlich gab man 64 g des synthetischen Graphits zu. Am Schluß wurden 4 g expandierbarer Graphit zugesetzt und man mischte das Ganze eine Stunde lang.

Beispiel 3

Man mischte 9,00 g von gereinigtem und ausgesiebtem synthetischem Graphit in der Kälte mit 9,02 g eines flüssigen Furfurol-Phenol-Harzes. Dann gab man 24,20 g Urandicarbid, dessen Teilchen mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen waren, zusammen mit 36,10 g des synthetischen Graphits unter Rühren zu. Schließlich gab man unter weiterem Mischen 1,81 g expandierbaren Graphit zu. Das Ganze wurde Minuten lang gemischt. 80,1 g dieser Mischung wurden dann unter einem Druck von 20 kg/cm² durch ein Loch in das Innere einer Hohlkugel aus Graphit eingepreßt. Das Loch wurde dann mit einem Schraubenstopfen aus Graphit verschlossen, der mit einem Bindemittel aus 48,4 Gewichtsprozent synthetischem

ίο Graphit, 48,4 Gewichtsprozent eines flüssigen Furfurol-Phenol-Harzes und 3,2 Gewichtsprozent expandierbaren Graphits, überzogen war. Man härtete Stunden lang bei 100° C. Danach wurde der obere Teil des Stopfens entfernt, so daß das Brennstoffelement eine Kugelform erhielt. Die Kugel wurde dann gebacken, wobei die Temperatur in dem Intervall zwischen 50° C und 500° C um 130° C stündlich und in dem Intervall zwischen 500° C und 1450° C um 250° C stündlich erhöht wurde. Die Temperatur

ao von 1450° C wurde 30 Minuten lang gehalten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrenn- »5 Stoffelementes, das aus einem Kernbrennstoff enthaltenden Gemisch in einer hitzebeständigen Umhüllung besteht, bei dem das Kernbrennstoffgemisch Graphit enthält und/oder die innere Oberfläche der Umhüllung mit einer graphithaltigen Schicht überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß den Ausgangsstoffen des Graphit enthaltenden Gemisches ein Graphit zugesetzt wird, der mit oxydierenden Mitteln vorbehandelt und danach ausgewaschen worden ist, worauf im zusammengebauten Kernbrennstoffelement durch Erhitzen das Bindemittel ausgehärtet, dann verkohlt und eine Expansion des vorbehandelten Graphits bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Graphit enthaltenden Gemisch 1 bis 20 Gewichtsprozent vorbehandelter Graphit, bezogen auf das Gewicht des Gemisches ohne Kernbrennstoff, zugesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbehandelte Graphit gleichmäßig in dem Graphit enthaltenden Gemisch verteilt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Verwendung einer Umhüllung aus Graphit das Kernbrennstoff enthaltende Gemisch unter einem Druck von 15 bis 20 kg/cm² in die Umhüllung bringt und das Ganze dann schließlich auf 1000 bis 2000° C erhitzt.