DE1452486A1 - Verbundkoerper,insbesondere Kernreaktor-Brennelement und Verfahren und Vorrichtung zum Strangpressen solcher Verbundkoerper - Google Patents

Verbundkoerper,insbesondere Kernreaktor-Brennelement und Verfahren und Vorrichtung zum Strangpressen solcher Verbundkoerper

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DE1452486A1 DE1965U0011738 DEU0011738A DE1452486A1 DE 1452486 A1 DE1452486 A1 DE 1452486A1 DE 1965U0011738 DE1965U0011738 DE 1965U0011738 DE U0011738 A DEU0011738 A DE U0011738A DE 1452486 A1 DE1452486 A1 DE 1452486A1
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Description

\ "" Tlf «*n)324«
PATENTANWALT \ }
DIPL-ING. ERICH SCHUBERT \_ J "" Telefon=
Telegramm-Adr.: Pafschub, Siegen Postscheckkonten: Köln 10i931,Esien 20362 Bankkonten: Deutsche Bank AG.,
Abt.: Patentanwalt Dipl.-Jng. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner SfraSe 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.)
Postfach 325
65 052 Br.Btt/Sohm 20. Mai 1965
United Kingdom Atomic Energy Authority, Patents Branch, 11 - 12, Charles II Street, London, SW1, England
Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 21 576/64 vom 25. Mai 1964 beansprucht·
Verbundkörper, insbesondere Kernreaktor-Brennelement, und Verfahren und Vorrichtung zum Strangpressen solcher Verbundkörper
Die Erfindung betrifft das Strangpressen zusammengesetzter Körper bzw. Verbundkörper und befaßt sich insbesondere, aber nicht ausschließlich, mit der Herstellung von Kernreaktorbrennelementen·
Eine solche Form von Brennelementen schließt röhrenförmige Kerne aus einer Uran/Aluminium-Legierung ein, die nach innen und
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— ti. —
außen mit einer Aluminiumhülse ummantelt aiacl*
Es ist in letzter Seit vorgeschlagen worden, aussmmenge·- setzte Brennelementröhren durch gemeinsames Strangpressen der Uran/Aluminium-Legiertmg sit dem Uberzugsiaaterial dadurch hersusteilen, daß simächst eine geeignete StrangpreSraasseneinheit hergestellt und diese dann stranggeprslt wird. Die Masseneinheit kann innere und äußere lluminiumhülseii. mit einer Fran/Aliiminium-LegierungsbueSise aufweisen, die genau passend zwischen den Hülsen angeordnet ist* ladessen sind iahwierigkeiten mangels einer metallurgischen Verbindung zwischen &©r üran/Aluminium-Legierung und den Hülsenoberflächen» insbesondere an den Enden der Uran./ Aluminium-Legierungsbuclise» aufgetreten«
Insbesondere ist der Grad der Tarbindung-zwisohen der Kernlegierung und der Aluminiusihülle deshalb ungenügend, weil die Bindung einer nachfolgenden Erhitzung auf lemperaturen im Bereich von 600 - 620°C während der Prüfung und des Zusammenbaus standhalten muß. Niehtverbundene Stellen neigen zur Blasen- und Warzenbildung bei diesen Temperaturen* Zusätzlich führt das Fehlen einer Verbindung zwischen dem Kern rnid der Hülse zu Änderungen in den etranggepreßten Längen der Kernlegierung, was der Länge des Kopfteiles bzw. der Voreilung /lead/ und des Sohwanzteiles /trail/' des Kerns zuzuschreiben ist, d.h. der Länge verminderter Dicke, mit der die Kernlegierung sioh an jedem Ende des Kerne nach dem Strangpressen sich ausdehnt.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren sum Strangpressen zusammengesetzter Körper zu schaffen, in dem die vorerwähnten Schwierigkeiten auf ein Minimum herabgemindert sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Strangpressen oder Ziehen zusammengesetzter Körper besteht in erster Linie in der Bildung einer zusammengesetzten Masseneinheit aus den erforderlichen Materialien als Vorstufe für das Strangpressen und in der Einverleibung einer die Verbindung fördernden Materialaohioht zwisohen den aneinanderliegenden Komponenten der Masaeneinheit, wobei dieses Material die Eigenschaft besitzt, unter den Deformationsbedingungen des Strangpressens zertrümmert zu werden.
Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung besteht das Verfahren sum Strangpressen eines zusammengesetzten Körpers, bei dem eines der Materialien Aluminium ist, in der Bildung einer zusammengesetzten Masse aus den erforderlichen Materialien, wobei die Aluminiumkomponente der StrangpreSmasse an wenigstens dem Teil ihrer Oberfläche anodisiert wird, die einer anderen Komponente anliegt·
Vorzugsweise wird die anodisierte Oberfläche mittels des Chromeäureverfahrens hergestellt·
Bei einer weiteren Anwendungsform der Erfindung besteht das Verfahren zum Strangpressen oder Ziehen eines Brennstoffelementes
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in der Bildung einer zusammengesetzten Masseneinheit für das Strangpressen, wobei diese Masseneinheit eine äußere Aluminiumhülse, eine innere Aluminiumhülse und eine Buchse aus einer Kernbrennst off legierung, die zwischen der inneren und der äußeren Hülse eingepaßt ist, umfaßt und wobei wenigstens ein Teil der Oberfläche der inneren und äußeren Hülse, die der Brennstoffbuchse anliegen, mittels des Chromsäureverfahrens anodisiert ist.
Die innere und die äußere Hülse können mit Absatzteilen oder Aussparungen versehen sein, so daß, wenn die Hülsen konzentrisch montiert werden, ein ringförmiger Zwischenraum für den Kernbrennstoff vorgesehen ist und die Absatzteile anodisiert werden. Vorzugsweise werden die Absatzteile verrundet und der Kernbrennstoffeinsätζ entsprechend gestaltet, damit er mit dem verrundeten Teil in innige Berührung kommt.
Bei einer bevorzugten Anwendungsform kann die Erfindung, dazu benutzt werden, gebogene oder flache Brennstoffbleche herzustellen und zwar durch .Zusammenbau zu einem zusammengesetzten Körper als Vorstufe für das Strangpressen, wobei der Körper eine äußere Ummantelung, eine innere Ummantelung und eine zusammengesetzte Buchse aus abgesonderten Mengen Kernbrennstoff, peripherisch umgeben von Hülsenmaterial und zwischen der äußeren und der inneren Hülse eingesetzt, besitzt, und wenigstens ein Teil der. Oberflächen (der inneren und äußeren Hülsen), der den Brennstoffteilen" anliegt, durch das Chromsäureverfahren anodisiert · 90 9 819/0233
Eine Ausführungsart der Erfindung soll nun an Hand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben werden, und zwar zeigt
Figur 1 eine perspektivische Darstellung in auseinandergezogener Anordnung eines zusammengesetzten Körpers, der für das Strangpressen eines Brennelementrohres hergestellt wurde,
Figur 2 eine Darstellung eines Mittenschnittes durch einen zusammengebauten Körper, während
Figur 3 eine Schnittebene einer Brennstoffbuchse darstellt, die für die Herstellung von Elementen der Plattentype /plate type elements/ geeignet ist»
Um ein für die Verwendung in einem Kernreaktor geeignetes Brennstoffelement herzustellen, ist es wesentlich, daß eine metallurgische Verbindung an den Grenzflächen der Aluminiumhülse und dem Uran/Aluminium-Kern während des Strangpreßvorganges zustande kommt, und die Verbindung muß so sein, daß nachfolgendes Erhitzen auf 600 - 62O0O keinen Zusammenbruch bewirkt. Herkömmliohe Verfahren, um eine Verbindung sicherzustellen, die eine Ent· fettung und Bearbeitung der Aluminiumoberfläche mit Drahtbürsten einschließen, um den auf den Komponenten durch Aussetzen der Atmosphäre entstandenen Oxidfilm zu entfernen oder zu zerstören, haben eich nicht als zufriedenstellend erwiesen, wenn die so behandelte Oberfläche anders als parallel zur Strangpreßriohtung lag.
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Weil die Gestalt der Endflächen des Kerns dazu neigt, die länge des Anfangs bzw. Kopfstücks /"lead"/ und des Schwanzstücks /"trail"/ des stranggepreßten Kerns zu regeln, ist es besonders notwendig, die Verbindung des Kerns mit der inneren und äußeren Hülse an den Enden sicherzustellen.
Es wurde herausgefunden, daß eine geeignete Verbindung entsteht, wenn die inneren und äußeren Hülsen unter Verwendung des Chromsäure-Prozesaes anodisiert werden, wenigstens an dem Teil ihrer Oberfläche, die an dem Kern anliegt»
Die annähernd 0,13 mm (0,005") dicke anodische Schicht ist relativ spröde und neigt dazu, sobald die Strangpreßdeformation beginnt, zu zersplittern, aber sie schafft für eine kurze Zeit im wesentlichen oxidfreie Berührungsflä-chen, die sich leicht miteinander verbinden. Die Oxidteilchen aus der anodischen Schicht dringen in die Berührungsflächen ein und verbessern die Metall-Fließcharakteristiken während der Extrusion.
Während auch andere Anodisierungsarten als die des Ghromsäure-Verfahrens für die Schaffung der bindungsfordernden Schicht auf den Aluminiumteilen angewendet werden können, ist festgestellt worden, daß das Chromsäure-Verfahren befriedigende Ergebnisse ergibt, insbesondere dann, wenn die Brennstoffelemente hohen !Temperaturen (6200G) standhalten sollen. Beispielsweise scheint der Schwefelsäure-Prozeß gute Bindung an den Berührungsflächen
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hervorzurufen, aber nachfolgendes Erhitzen der Brennstoffröhre auf etwa 5000C läßt einzelne Vorsprünge oder Warzen /"pimpels"/ an den Enden des Uran/Aluminium-Kerns in Erscheinung treten. Die Warzen verursachen das Zusammenbrechen des Aluminiumsulfats» das in dem durch den Schwefelsäure-Prozeß hervorgerufenen anodisohen Film anwesend ist.
Wie aus der Zeichnung ersiehtTich, besteht ein für das Ziehen eines Kernbrennstoffelementrohres hergestellter, zusammengesetzter Körper aus drei kreisrunden Hülsen, nämlich einer äußeren Aluminiumhtilse 1, einer inneren Aluminiumhülse 2 und einem Uran/Aluminium-Legierungskern 3» der zwischen der inneren und der äußeren Hülse eingesetzt wirde Die inneren und äußeren Hülsenrohre sind mit abgerundeten Absätzen oder Aussparungen 4 und 5 versehen, und das innere und das äußere Hülsenrohr lassen, wenn sie konzentrisch zusammengestakt sind (Fig.2), einen ringförmigen Zwischenraum frei, der genau den Kern 3 lokalisiert. Die Enden des Kernes sind abgerundet und entsprechen engstens bzw. möglichst genau den Absätzen 4 und 5»
Vor dem Zusammenbau werden das innere und das äußere Hülsenrohr 1 und 2 rings um die Oberflächen der verrundeten Absätze 4 und 5 unter Verwendung des herkömmlichen Chromsäure-Verfahrens für 99»5 #iges Aluminium anodisiert. Hierfür werden die Eohre entfettet und als Anode in ein Bad aus 2,5 #iger wässriger Chromsäure (frei von Schwefelsäure und Sulfaten) bei 400C eingesetzt. Die Spannung wird von 0 bis auf 40 Volt während 10 Minuten
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gesteigert und bei 40 Volt für 20 Minuten konstant gehalten, sodann während der nächsten 5 Minuten auf 50 Volt langsam gesteigert und bei 50 Volt in den letzten 5 Minuten gehalten, was zusammen eine Gresamtbehandlungszeit von 40 Minuten ergibt. Die Rohre werden dann, gewaschen und getrocknet«
Nach &en Zusammenbau wird der Körper im Gesenk gedrückt» vorzugsweise in entgegengesetzter Richtung zur Strangpreßrichtung, um etwa noch vorhandene Hohlräume zwischen den Einzelteilen zu beseitigen, und der ganze Zusammenbau wird dann bei 625°C während zwei Stunden als Vorbereitung für den Ziehprozeß entwässert.
Sie Entwässerung kann im Vakuum oder in strömender Luft ausgeführt werden, in welch letzterem Fall der Körper durch Einschlagen in eine Aluminiumfolie zu schützen ist.
Zur Verminderung der Schwierigkeiten, die als Begleiterscheinung bei einer nur teilweisen Anodisierung der Htilsenrohroberfläche auftreten, kann die ganze innere Oberfläche des äußeren Hülsenrohrs und die ganze äußere Oberfläche des Innenhülsenrohrs anodisiert werden, falls dies gewünscht wird* Wahlweise kann auch das den Brennstoff enthaltende Kernrohr anodisiert werden, aber der Uran235-Grehalt der Legierung neigt dazu, das Verfahren zu komplizieren, und in der Praxis hat es sich als einfacher erwiesen, die anderen Komponenten zu anodisieren.
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Ba ame betont werden, daß der Ausdruck "Aluminium" so zu verstehen ist, daß er Aluminiumlegierungen und insbesondere Aluminiumlegierungen, die als Ummantelungsmaterial für Kernreaktorbrennelemente verwendet werden» einschließt.
Die Erfindung ist nioht auf die Herstellung von ringförmigen Brennelementen beschränkt, sondern es können auch andere Formen, beispieleweise von hexagonalem oder quadratischem Querschnitt, vorgesehen werden und Brennelemente des Plattentyps, die zunächst als gezogene Rohre verformt werden, worauf die Rohre ddr länge nach gespalten und flach gerollt werden. Vorzugsweise wird der Brennstoffkern in dem zu ziehenden Körper in mehrere voneinander getrennte Kernstücke aufgeteilt, die durch Streifen von Hülaenmaterlal voneinander getrennt sind, und das erhaltene Rohr wird in der Mitte der Streifen gespalten und ergibt Brennstoffplatten, in denen das Kernmaterial vollständig eingeschlossen ist. In einer Anordnung, die in Figur 3 dargestellt ist, wird das Brennstoffrohr 6 durch vier Segmente gebildet, zwei aus Uranlegierung 7 und 8 und zwei aus Aluminium 9 und 10. Die Brennstofflegierungsteile sind durch die Aluminiumteile getrennt.
Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Brfindungsmerkaale, die im einzelnen — oder in Kombination ~ in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.
Patentansprüche 909819/0233

Claims (12)

DlPL-ING. ERICH SCHUBERT Te!efa-^3240? TeSegramm-Adr.: Pafschub. Siegen Fcrfsdiedticonien: Köln 10Ä931, Essen 20362 . Fkmlicnfen: Deu'jdis Bank AG., Abs.: Patentanwalt Dipl.-!ng. SCHUBERT, 59 Siegsn, Eiserner StraSs 227 Fühlten Siegen u. Oberhausen (RhSd.j Poslfadi 325 " 65 052 Dr.Bü/Sciim 20. Mai 1965 Pateatansprüolie
1. Verfahren' zvim Strangpressen oder Ziehen eines zusammengesetzten Körpei's, dadurch gekennaeicbiiet ? ä&B eine auaammengesetsta Masseneinheit aus den erforderlichen Materialien als Torstufe für den Strangpreß- oder ZiehproseS unter Einverleibung einer Soh'joht aus einem die Verbindung zwischen den anliegendlen Bjomponenten der Masseneinheit fördernden Material hergestellt wird, wobei dieses Material die Eigenschaft hat, unter &®n deformierenden Strangpreßoder Ziehbedingungen zu zersplittern.
2« Verfahren zum Extrudieren eines zusammengesetzten, Körpers, bei dem ein Material aus Aluminium bestehtP d&duroh gekennzeichnet» daß eine zusammengesetzte Masaeneinheit aus den erforderlichen Materialien gebildet wird, wobei die Alumlniumkomponente der Masseneinheit wenigstens an dem Teil ihrer Oberfläche, die einer anderen. Komponente anliegt, anodisiert wird.
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3. Verfahren sum Extrudieren eines zusammengesetzten Körpers, bei dem eines der Materialien aus Aluminium besteht, daduroh gekennzeichnet, daß eine zusammengesetzte Masseneinheit aus den erforderlichen Materialien gebildet wird, wobei die Aluminiumkomponente der Masseneinheit durch das Chromsäure-Verfahren ah wenigstens dem Heil ihrer Oberfläche, die einer anderen Komponente anliegt, anodisiert wird.
4. Verfahren sum Strangpressen eines Kernbrennstoffelements, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusammengesetzte Masseneinheit als Vorstufe für das Strangpressen gebildet wird, daß diese Masseneinheit aus einem äußeren Aluminiumrohr, einem inneren Aluminiumrohr und einem Rohr aus einer Kernbrennstofflegierung, das zwischen dem inneren und dem äußeren Hülsenrohr eingebaut ist, wobei wenigstens ein Teil der Oberflächen des inneren und des äußeren Hülsenrohrea, der dem Brennstoffrohr anliegt, duroh das Chromsäure-Verfahren anodisiert ist.
5. Verfahren sum Extrudieren eines Brennstoffelementes nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das innere und das äußere Hülsenrohr mit Absätzen oder Aussparungen hergestellt werden, so daß, wenn die Hülsenrohre konzentrisch zusammengebaut werden, ein ringförmiger Zwischenraum für den Kernbrennstoff vorgesehen wird und die Aussparungsteile anodisiert werden.
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6. Verfahren zum Extrudieren eines Kernbrennstoff θ nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesparten Teile verrundet und die Kernbrennstoffeinlage entsprechend gestaltet wird, um einen innigen. Kontakt mit den gerundeten Teilen zu ergeben.
7. Verfahren zum Extrudieren eines Kernbrennstoffelements, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusammengesetzte Masseneinheit als Vorstufe für die Extrusion gebildet wird, daß die Maseeneinheit aus einem äußeren Aluminiumrohr, einem inneren Aluminiumrohr und einem Rohr aus einer Kernbrennstofflegierung, das zwischen dem inneren und dem äußeren Hülsenrohr eingebaut ist, besteht, wobei wenigstens ein Teil der Oberflächen des inneren und des äußeren Hülsenrohrs, der dem Brennstoffrohr anliegt, durch das Chromsäureverfahren anodisiert wird, und daß der Aufbau zwecks Entferhens radialer Hohlräume zwischen den Komponenten im Gesenk gedrückt und anschließend der Aufbau vor dem Extra- v dleren entwässert wird.
8. Verfahren zum Extrudieren eines Brennstoffelementes, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusammengesetzte Hasseneinheit als Vorstufe für die Extrusion gebildet wird, daß die Hasseneinheit aus einem äußeren Aluminiumrohr, einem inneren Aluminiumrohr und einem Rohr aus einer Kernbrennst off legierung, das zwischen dem inneren und dem äußeren Hülsenrohr eingebaut' ist, besteht, wobei wenigstens ein Teil der Oberflächen des inneren und des äußeren Hülsenrohrs, der dem Brennstoffrohr anliegt, durch das Ohrom-
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eäureverfahren anodisiert ist, daß der Aufbau in Gegenrichtung zur Extrueionsrichtung zwecks Entfernens radialer Hohlräume zwischen den Komponenten im Gesenk gedrückt wird, und daß anschließend der Aufbau für wenigstens zwei Stunden auf 6250O vor der Extrusion erhitzt wird·
9* Verfahren zum Extrudieren eines Brennstoffelementes nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen unter Takuum-Bedingungen ausgeführt wird.
10. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelementes, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenbau einer zusammengesetzten Maaseneinheit als Vorstufe für die Extrusion erfolgt, wobei die Haeseneinheit aus einem äußeren Hülsenrohr, einem inneren Hülsenrohr und einem zusammengesetzten Rohr besteht, das aus gesonderten Teilen einer Kernbrennstofflegierung gebildet wird, die in Umfangerichtung durch Teile des Hülsenmaterials getrennt und zwischen dem inneren und äußeren Hülsenrohr untergebracht sind, wobei wenigstens ein Teil der Oberflächen des inneren und des äußeren Hülsenrohre, der an den Brennstoff teilen in dem zusammengesetzten Rohr anliegt, durch das Chromsäureverfahren anodisiert ist, daß der Aufbau zwecks Entfernens radialer Hohlräume zwischen den Komponenten im Gesenk gedrückt wird, daß die Masseneinheit entwässert und anschließend zu einem röhrenförmigen Element ext radiert wird, und daß das Element der länge nach durch das Ummantelungnurterial hindurch aufgeschnitten bzw. gespalten wird, welche» die Seile des Kernbrennstoffs in ümfangsrichtung trennt.
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11. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelementß, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenbau einer zusammengesetzten Masseneinheit als Vorstufe für die Extrusion erfolgt, wobei die Masseneinheit aus einem äußeren Hülsenrohr, einem inneren Hülsenrohr und einem zusammengesetzten Eohr besteht, das aus getrennten Teilen einer Kerabrennstofflegierung gebildet wird, die in ümfangsrichtung durch Teile des Hülsenmaterials getrennt und zwischen dem inneren und dem äußeren Hülsenrohr untergebracht sind, wobei wenigstens ein Teil der Oberflächen des inneren und des äußeren Hülsenrohrs, der an den Brennstof fteilen in dem zusammengesetzten Rohr anliegt, durch das Chromsäureverfahren anodisiert wird, daß der Aufbau in Gegenrichtung zur Extrusionsriohtung zwecks Entfernens radialer Hohlräume zwischen den Komponenten im Gesenk gedrückt, für wenigstens zwei Stunden auf 625°C erhitzt und darauf der Aufbau zwecks Bildung eines röhrenförmigen Elementes extrudiert wird, und daß das Element der Länge nach durch die Teile, die die Brennstoff teile in Umfangsrichtung trennen, aufgeschnitten bzw. gespalten wird, um gebogene Platten zu bilden»
12. Verfahren zur Herstellung von Kernbrennstoff elementen
nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Rohr abwechselnde Segmente aus Kernbrennstoff und Hülsenmaterial enthält.
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