DE1514104A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Brenn- und/oder Brutelementen fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Amtl. Ak'tenz,: P 15 14 104.5

Verfahren und Vorrichtung zur Here teilung vpn Brenn«· und/oder Urutolamonten für.Kernreaktoren

Die Erfindung betrifffc ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Horateilung von Bronn- und/oder Brutelemonton für Kornrealctoron, bei donen dar Brennstoff und/oder Brutatoff in einem aus Kohle - insbesondere Hartkohle Graphit, keramischen Werkstoff, Sintermetall oder der- ■: gleichen umschlossenen Hohlraum vorliegt, woboi die Umhüllung vorzugsweise kugelförmig ausgebildet ist·

Es ist bekannt, Brennelemente oder Brutelemente für Kernreaktoren herzustellen, bei denen in einer kugelförmigen ™ Umhüllung Bronn- und/oder Brutstoffe, gegebenenfalls vermischt mit dom Werkstoff, aus dem die Umhüllung besteht, Gingelagert sind (vergl. R« Schulten, "Atorawirtschaft" 1S>5J Heft k_t Seiten 377 bis 384). Es ist auch schon bekannt, Bronn- und/oder Brutelemonte herzustellen, bei denen der Brennstoff und/oder Brutstoff in zylindrischen, an der Innenwand einer Hohlkugel oder in kugeisohalenfürmig angeordneten Spalten eingelagert ist* Es ist ferner vorgeschlagen worden, kugolf&rmlg© Bronnolemento, bei

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Unterlagen U-n ? ■: I Abs. 2 Nr. I Satz 3 das Änderungsges. v. 4. 9.

denen zwei halbkugelförmige Schalen mittels Distanzhaltern gegen einen kugelförmigen Körper abgestützt sind, durch Verschrauben oder Verklemmen der beiden Kugelschalen herzustellen. Nachteilig ist bei den nach den bisher bekannten Verfahren hergestellten Brenn- und/oder Brutelementen, daß es nicht möglich war, den Abstand zwischen dem Kernkörper und der äußeren Schale mit der Genauigkeit einzuhalten, die für die einzufüllenden beschichteten Partikel gefordert werden muß.

Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag zur Herstellung von Körpern zur Aufnahme von Brenn- und/bder Brutstoffen soll mittels einer Preßmatri->;ze ein nach Form und Ab-

™ messungen dem Hohlraum für die Brenn- und/oder Brütstoffe entsprechender Körper in eine plastische pulverförmige Masse aus Kunstkohle eingepreßt werden. Der den Hohlraum zunächst ausfüllende Füllkörper soll nach diesem Vorschlag aus Kunststoff oder Metall bestehenj er wird entweder während der für die Graphitisierung der Kunstkohle erforderlichen Wärmebehandlung herausgeschmolzen oder vor der Wärmebehandlung mittels Lösungsmitteln herausgelöst. Aus thermischen und neutronenphysikalischen Gründen müssen jedoch die Kammern oder Kanäle innerhalb des kugelförmigen Körpers überall den gleichen Abstand von der Oberfläche aufweisen. Dies läßt sich durch das vorgenannte Verfahren

fe insbesondere dann nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erreichen, wenn die Brenn- und/oder Brutstoffe in einem von einem Kern und der Umhüllung gebildeten Hohlraum eingelagert werden sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Hörstellung von Brenn- und/oder Brutelementen für Kernreak·* toren unter Verwendung von Kohle, insbesondere Hartkohle, Graphit, keramischen Werkstoffen oder Sintermetallen sowie eine zur Durchführung eines wesentlichen Verfahrens-

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sohrittes geeignet© Vorrichtung zu schaffen! durch die Brenn- und/oder Erutolomonto in einfacher und wirtschaftlicher Weise herstellbar sind* Gleichwohl «ollen bei dieser Brenn« und/öder Brutöleraonten die Hohlräume überall mit de:

für den Reaktorbotrieb erforderlichen..Genauigkeit den glei clLQXi Abstand von dor Oberfläche haben« Durch das neue Vor» fahren soll 00 ferner ermöglicht werden, die Hohlräume für dia Bronn- und/oder Brutetoffe den jeweiligen Erfordemissen anzupassen, ohne daß dadurch die Wirtschaftlich· koit des Verfahrens beeinträchtigt wird* Ee soll ferner ermöglicht worden, don Korn im Bedarfsfall aus einem anderen Werkstoff herzustellen als die Umhüllung.

Diese Aufgab® wird daüorch gelöst_f daß zunächst der körpor horgestollt und sodann durch Aufspritzen oder Gießen der Füllkörper schalenförmig oder nach Art eines Käfigs auf don Kornkörpor in der Weise aufgebracht wird, daß der Füllkörper an mindestens zwei Stellen von ausreichender Ausdehnung zum Abstützen der Umhüllung gegen den KornkÖrper unterbrochen ist, worauf in einer weiteren Verfahrensstufα die Umhüllung, aufgebracht und anschliessend der Füllkörper herausgelöst wird· Im Anschluß daran werden die Brenn- und/oder Brutetoff« eingebracht und die Umhüllung in an eich bekanntes* Weise verschlossen.

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Vorteilhaft ist es, an. dem Füllkörper mindestens zwei einander diametral gegenüberliegend angeordnete, radial geriohtete Stifte von einer die Umhüllung durchdringenden Längs anzubringen, Biese Stifte dienen bei der an das Auf« spritzen oder Aufgießen dos Füllkörper« auf den Kern anschließenden Verfahrensstufej beide* die Umhüllung zweckmäßig durch Prssaen aufgebracht wird, sum Zentrieren dee

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Kornlcörpers in der Preßvorrichtung. Dia Unterbrechungen dee schalenförmig den Kernkörper umhüllenden Füllkörpore dienen zum Abstürzen der Umhüllung nach dom Herausnehmen des Füllkörpörs. ; · . , .

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es ohne weitereo möglich ist, im Bedarfsfall für den Kern und die Umhüllung unterschiedliche Werkstoffe zu verwenden. In diesen Fällen hat es sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, Umhüllung ui¥d Kernlcörper aus demselben Workstoff herzustellen« Als Werkstoffe für die Körper zur Aufnahme der.Brenn- unid/oder Brutstoffe werden Kohle, insbesondere Hartkohle» Graphit» keramische Werkstoffe oder Sintermetalle verwendet« ■ ,

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen · Verfalirens besteht darin, daß dor Füllkörper aus Polyäthylen oder einem sonstigen thermisch, mechanisch oder chemisch aus dor Umhüllung oder aus dem zwischen Umhüllung und Ksrnkürparn gebildeten Zwischen- raum leicht herauslösbareii Kunststoff gebildet wird« .''So". ist es auch möglich, den Füllkörper aus einem Metall oder einer Metallogi©rung entweder mit niedrige« Schmelzpunkt, von leichter ohemlschor Auflösbarkeit oder, von leichter biö» chänischer Zerstörbarkeit h©rr»uateilen. ',

Wird für die Umhüllung und den Kern Qraphitpulver, das in an sich bökanntar ¥eia® mit Phenolharss„ Pech und/oder sonstigem Bindematerial vernisoht ist, verwendet, so wird nach einem bevorzugton Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst ein kugelförmiger Kornkörper unter Anwendung eines Preßdruoke» von 1500 hie 2000 Up/cm g@- preßt· Dabei werden die £reßwerkzeug0 * mittels Heizmansoh'etten - auf einer Temperatur von

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gehalten..Dadurch wird weitgehend vermieden, daß die haxa· * ;

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gonal aufgebauten Graphitkristalle sich so ordnen, daß -Ί. bei den¹ fertig graphitisieren Preßkörpern » und eben« j falls bei den noch ungebrannten Kugeln, den sogenannten j Grünlingen, - in der Äquatorzone Zonen mit unregelmäßiger -Orientierung, die sogenannten Druokkeile, gebildet werden ' Diese unregelmäßige Orientierung hat die unerwünschte FoI j ge, daß die Fallfestigkeit der Kugeln stark herabgesetzt/. ist. Worden Kernkörpor und Umhüllung aus Graphit und der Füllkörper aus Polyäthylen hergestellt, so wird der aus Kern- und Füllkörper gebildete Körper nach*dem Aufpressen dor Umhüllung über einen Zeitraum von einigen Wochen auf einer Temperatur von etwa 1250° C gehalten. Bei dies« Vorgang schmilzt dor im Zwischenraum zwischen Kornlcörper und Umhüllung eingelagerte Käfig und gibt die gewünschten Hohlräume frei« Außerdem verkokt das als Bindemittel vor«· wendete Phenolharz. In einer weiteren Vorfahrensstufe wird sodann im Anschluß an den Verkokungeprozeß der zur Aufnahme der Brenn- und/oder Brutstoffe bestimmte Körper ; zum ©raphitisiorcn im Elektroofen auf 3500 bis 3000° ö ' erwärmt« Dabei erfolgt die Erwärmung zweckmäßig langsam / "-. im direkten Stromdurchgang. Ein großer Vorzug der nach dem orfindungsgemäßon Verfahren hergestellten Körper zur Aufnahme von Brenn*· und/oder Brutstoffen besteht darin, . Λ daß keine mechanische Nachbehandlung erforderlich ist, wonn nicht - wie dies nur in ganz besonderen Fällen not* wendig ist - extrem hohe Anforderungen an die Oberflächen besohaffenheit gestellt werden* '

Eine Vorrichtung,die zur Durchführung des erfindungsgomäßon Verfahrens besondere geeignet ist, besteht darin, daß in je einem von zwei koaxial angeordneten Führung«- "'. rohren Je eine als Preßstempel ausgebildet» Preßform

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geführt ist. Die Verbindung der beiden Führungsrohre erfolgt mittels einer an sich bekannten lösbaren Rohrverbindung. Entsprechend der Anordnung der an dem Füllkörper angebrachten Stifte sind an der Verbindungsstelle der Führungsrohre sich zu Bohrungen ergänzende Nuten vorgesehen. Gemäß der Erfindung sind außerdem zum Einfüllen des für die Umhüllung vorgesehenen Werkstoffes in den Führungsrohren Einfüllöffnungen angeordnet, die mit einer an sich bekannten Dosiervorrichtung in Verbindung stehen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind die Preßformen 1,2 als Preßstempel ausgebildet und in den koaxial angeordneten Führungsrohren 3, 4 geführt. Zur Verbindung der Führungsrolle sind je an einem Ende Bunde 5, 6 vorgesehen, die mittels Spangen 7 miteinander verbunden sind. Mittels der Stifte 10, die an dem auf den Kernkörper 8 aufgebrachten Füllkörper 9 angeordnet sind, wird der Kernkörper zentriert. Zu diesem Zweck sind in den Bunden 5, 6 Ausnehmungen 11 vorgesehen, die sich zu einer die Stifte ohne Spiel aufnehmenden Bohrung ergänzen. Der Werkstoff - vorzugsweise Graphitpulver wird durch die in den FüJarungsrohren 3, 4 angeordneten Einfüllöffnungen 12 in den von den Füllrohren, den Preßformen und dem Kernkörper gebildeten Raum eingefüllt. Nach dem Einfüllen des Pulvers erfolgt der Preßvorgang durch gleichmäßiges Verschieben der beiden Preßformen 1 und 2. Bei der Herstellung der als Umhüllung dienenden Schale ist es erforderlich, so viel Preßpulver einzu-

2 füllen, daß sich der gleiche Schließdruck je cm einstellt, wie beim Pressen des Kernkörpers, falls der Kernkörper aus dem gleichen Werkstoff hergestellt worden ist wie die Umhüllung. Die Preßgesenke sind - wie aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet ist - aufheiz-

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bar ausgebildet. Sie werden bei der Durchführung des Verfahrens so hoch aufgeheizt, daß eine plastische Formänderung des Füllkörpers vermieden wird und eine etwaige elastische Verformung in den für die Praxis notwendigen Grenzen klein bleibt.

Ein großer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Brenn- und/oder Brutelementen für Kernreaktoren liegt darin, daß es vollständig automatisierbar ist und daß trotz Automatisierung die erforderliche Genauigkeit hinsichtlich der Körperabmessungen und der Hohlräume eingehalten werden kann. Durch die Automatisierung ist es möglich, große Stückzahlen in kurzer Zeit bei niedrigem Preis herzustellen.

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Claims (2)

t t * 1 ' Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Brenn- und/oder Brutelementen für Kernreaktoren, bei denen der Brennstoff und/oder Brut-Stoff in einem von einer aus Kohle, Graphit, keramischem Werkstoff, Sintermetall oder dergleichen gebildeten, vorzugsweise kugelförmig ausgebildeten Umhüllung mit einem den Kern des Brenn- und/oder Brutelements bildenden Kernkörper begrenzten Hohlraum vorliegen, wobei der Hohlraum mittels eines aus einem bei einer weit unterhalb des Schmelzpunktes oder des Erweichungspunktes der Umhüllung liegenden Temperatur sich verflüchtigenden, mechanisch leicht zerstörbaren oder chemisch gut lösbaren Stoff hergestellten Füllkörpers gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkörper durch Aufspritzen oder Gießen schalenförmig auf den Kernkörper in der Weise aufgebracht wird, daß die Füllkörperschale an mindestens zwei Stellen von ausreichender Ausdehnung zum Abstützen der Umhüllung gegen den Kernkörper unterbrochen ist, worauf die Umhüllung aufgebracht und anschließend in an sich bekannter Weise der Füllkörper herausgelöst wird, die Brenn- und/oder Briistoffe eingefüllt werden, sowie die Umhüllung verschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Füllkörper zwei oder mehrere um 180 gegeneinander versetzte radial gerichtete Stifte von die Umhüllung durchdringender Länge durch Aufspritzen oder Gießen angebracht werden.

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