DE1514104C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Brenn- und/oder Brutelementen für Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Brenn- und/ oder Bauelementen für Kernreaktoren, bei denen der. Brennstoff und/oder der Brutstoff in einem von einer aus Kohle, Graphit,.keramischem Werkstoff, Sintermetall od. dgl. gebildeten, vorzugsweise kugelförmig ausgebildeten Umhüllung und einem den Kern des Brenn- und/oder Brutelementes bildenden Kernkörper aus nichtaktivem Stoff begrenzten, kugelschalenförmigen Hohlraum enthalten ist.

Es ist bekannt, Brennelemente oder Brutelemente für Kernreaktoren herzustellen, bei denen in einer kugelförmigen Umhüllung Brenn- und/oder Brutstoffe, gegebenenfalls vermischt mit dem Werkstoff, aus dem die Umhüllung besteht, eingelagert sind (vgl. R. Schulten, »Atomwirtschaft« 1959, Heft 4, Seiten 377 bis 384). Es ist auch schon bekannt, Brenn- und/oder Brutelemente herzustellen, bei denen der Brennstoff und/oder Brutstoff in zylindrischen, an der Innenwand einer Hohlkugel oder in kugelschalenförmig angeordneten Spalten eingelagert ist. Es ist ferner vorgeschlagen worden, kugelförmige Brennelemente, bei 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

So 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 Partikeln gefordert werden muß.

Zum bekannten Stand der Technik gehört auch ein kugelförmiges Brenn- und/öder Brutelement für Hochtemperaturreaktoren, bei dem der Spaltstoff in einer Ausnehmung eines kugelförmigen, aus Graphit bestehenden Gerüstkörpers angeordnet ist, wobei der Brenn- oder Brutstoff auf die Wand des Hohlraums aufgebracht ist und der restliche Hohlraum mit einer Masse aus Graphit ausgefüllt ist. Dabei ist die Aus· nehmung in der Graphitkugel kugelförmig oder annähemd kugelförmig (deutsche Patentschrift 1 202 910). Dieses bekannte Brennelement wurde dadurch hergestellt, daß der Brenn- und/oder Brutstoff in konzentrierter Form mit einem Bindemittel auf die in-

nenwand der Hohlkugel aufgetragen wurde. Als Bindemittel wurde dabei gelöstes Kunstharz oder ein flüssiges Bindemittel wie Furfuralkohol verwendet. Dabei mußten jedoch besondere Maßnahmen getroffen werden, um die Nachteile zu überwinden, die dadurch entstanden, daß die verwendeten Bindemittel schlechte Wärmeleiter sind. Auch das Ausfüllen des verbleibenden Hohlraums mit Graphitpulver war verhältnismäßig umständlich, da es, um allseitig homogene Verhältnisse zu schaffen, darauf ankommt, daß auch der den Hohlraum ausfüllende Kern keine Fehler aufweist.

Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag zur Herstellung eines Kernreaktorbrennelements, bei dem der Spalt- und der Brutstoff zwischen einer Graphitumhüllung und einem Graphitkern kugelschalenförmig angeordnet ist, ist auch schon vorgesehen worden, den Graphithohlkörper mit einer plastischen, den Spalt- und Brutstoff enthaltenden Masse zu füllen und diese Masse durch Einführung eines Zentralkörpers aus festem Graphit in eine Schicht zu verdrängen (deutsche Patentschrift 1230504). Dabei wurde der Zentralkörper mit Hilfe eines Distanzstückes durch die Füllöffnung in das Zentrum des Hohlraums gedrückt. Die plastische Masse wurde so verdrängt, daß sie den zwischen Oberfläche des Zentralkörpers und der Innenwandung des Graphithohlkörpers gebildeten Zwischenraum ausfüllte. Bei diesem Verfahren besteht jedoch die Schwierigkeit darin, den Mittelpunkt des Kernkörpers so genau in den Hohlkörper einzubringen, daß ein gleichmäßiger Zwischenraum zwischen Kern- und Hohlkörper gebildet wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Durchmesser der Öffnung in dem Hohlkörper größer sein muß als der Durchmesser des Kernkörpers. An dieser Stelle ergibt sich somit nach dem Verschließen durch einen Korken eine Ungleichmäßigkeit der Zwischenschicht für den Brenn- und Brutstoff, die sich nachteilig auf den Reaktorbetrieb auswirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Brenn- und/oder Brutelementen für Kernreaktoren unter Verwendung von Kohle, insbesondere Hartkohle, Graphit, keramischen Werkstoffen oder Sintermetallen sowie eine zur Durchführung eines wesentlichen Verfahrensschrittes geeignete Vorrichtung zu schaffen, durch die Brenn- und/oder Brutelemente in einfacher und wirtschaftlicher Weise herstellbar sind. Gleichwohl sollen bei diesen Brenn- und/oder Brutelementen die Hohlräume überall mit der für den Reaktorbetrieb erforderlichen Genauigkeit den gleichen Abstand von der Oberfläche haben. Durch das neue Verfahren soll es ferner ermöglicht werden, die Hohlräume für die Brenn- und/oder Brutstoffe den jeweiligen Erfordernissen anzupassen, ohne daß dadurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt wird. Es soll ferner ermöglicht werden, den Kern im Bedarfsfall aus einem anderen Werkstoff herzustellen als die Umhüllung.

Diese Aufgabe wird — soweit sie das eingangs bezeichnete Verfahren betrifft - gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hohlraum in der Weise gebildet wird, daß eine dem Volumen des Hohlraumes entsprechende, plastische Masse aus einem bei einer weit unterhalb des Schmelzpunktes oder des Erweichungspunktes der Umhüllung und des Kernkörpers liegenden Temperatur sich verflüchtigenden oder sich verfestigenden, nach der Verfestigung mechanisch leicht zerstörbaren oder chemisch gut lösbaren Stoff kugelschale nförmig auf den Kernkörper so aufgebracht wird, daß die dadurch gebildete Füllkörperschale an mindestens zwei Stellen von ausreichender Ausdehnung zum Abstützen der Umhüllung gegen den Kernkörper unterbrochen ist, worauf die Umhüllung aufgebracht und anschließend der Füllkörper herausgelöst wird, die Brenn- und/oder Brutstoffe eingefüllt werden sowie die Umhüllung verschlossen wird. Dabei ist es zweckmäßig, daß die plastische Masse durch

ίο Aufspritzen oder durch Gießen auf den Kernkörper aufgebracht wird.

Zum bekannten Stand der Technik gehört zwar auch schon ein Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Brennelemente für Kernreaktoren, bei dem aus einer Graphitmasse durch Verpressen eine den Brennstoff umhüllende kugelförmige Schale gebildet wird (deutsche Patentschrift 1194 992). Bei diesem bekannten Verfahren wird jedoch der Innenraum des Brennelements von einer Spaltstoffkugel gebildet.

Das danach hergestellte Brennelement weist daher nicht die Vorzüge eines Kernreaktorelements mit schalenförmiger Anordnung des Brennstoffs auf.

Vorteilhaft ist es, an dem Füllkörper zwei oder mehrere um 180° gegeneinander versetzte, radial gerichtete Stifte von die Umhüllung durchdringender Länge durch Aufspritzen oder Gießen anzubringen. Diese Stifte dienen bei der an das Aufspritzen oder Aufgießen des Füllkörpers auf den Kern anschließenden Verfahrensstufe, bei der die Umhüllung zweckmäßig durch Pressen aufgebracht wird, zum Zentrieren des Kernkörpers in der Preßvorrichtung. Die Unterbrechungen des schalenförmig den Kernkörper j umhüllenden Füllkörpers dienen zum Abstützen der Umhüllung nach dem Herausnehmen des Füllkörpers.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es ohne weiteres möglich ist, im Bedarfsfall für den Kern und die Umhüllung unterschiedliche Werkstoffe zu verwenden. In vielen Fällen hat es sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, Umhüllung und Kernkörper aus dem gleichen Werkstoff Herzustellen. Als Werkstoffe für die Körper zur Aufnahme der Brenn- und/ oder Brutstoffe werden Kohle, insbesondere Hartkohle, Graphit, keramische Werkstoffe oder Sintermetalle verwendet.

Eine bevorzugte Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Füllkörper aus Polyäthylen oder einem sonstigen thermisch, mechanisch oder chemisch aus dem zwischen der Umhüllung und dem Kernkörper gebildeten Zwischenraum leicht herauslösbaren Kunststoff oder aus Metall hergestellt wird. So ist es auch möglich, den Füllkörper aus einem Metall oder einer Metallegierung entweder mit niedrigem Schmelzpunkt, von leichter chemischer Auflösbarkeit oder von leichter mechanischer Zerstörbarkeit herzustellen.

Wird für die Umhüllung und den Kern Graphitpulver, das in an sich bekannter Weise mit Phenolharz, Pech und/oder sonstigem Bindematerial vermischt ist, verwendet, so wird nach einem bevorzugten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst ein kugelförmiger Kernkörper unter Anwendung eines Preßdruckes von 1500 bis 2000 kp/cm² gepreßt. Dabei werden die Preßwerkzeuge — beispielsweise mittels Heizmanschetten — auf einer Temperatur von 250° C gehalten. Dadurch wird weitgehend vermieden, daß die hexagonal aufgebauten Graphitkristalle sich so ordnen, daß bei den fertig graphitisierten Preßkörpern

- und ebenfalls bei den noch ungebrannten Kugeln, den sogenannten Grünlingen — in der Äquatorzone Zonen mit unregelmäßiger Orientierung, die sogenannten Druckkeile, gebildet werden. Diese unregelmäßige Orientierung hat die unerwünschte Folge, daß die Fallfestigkeit der Kugeln stark herabgesetzt ist. Werden Kernkörper und Umhüllung aus Graphit und der Füllkörper aus Polyäthylen hergestellt, so wird der aus Kern- und Füllkörper gebildete Körper nach dem Aufpressen der Umhüllung über einen Zeitraum von einigen Wochen auf einer Temperatur von etwa 1250° C gehalten. Bei diesem Vorgang schmilzt der im Zwischenraum zwischen Kernkörper und Umhüllung eingelagerte Käfig und gibt die gewünschten Hohlräume frei. Außerdem verkokt das als Bindemittel verwendete Phenolharz. In einer weiteren Verfahrensstufe wird sodann im Anschluß an den Verkokungsprozeß der zur Aufnahme der Brenn- und/oder Brutstoffe bestimmte Körper zum Graphitisieren im Elektroofen auf 2500 bis 3000° C erwärmt. Dabei erfolgt die Erwärmung zweckmäßig langsam im direkten Stromdurchgang. Ein großer Vorzug der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Körper zur Aufnahme von Brenn- und/oder Brutstoffen besteht darin, daß keine mechanische Nachbehandlung erforderlich ist, wenn nicht — wie dies nur in ganz besonderen Fällen notwendig ist - extrem hohe Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit gestellt werden.

Besonders geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorrichtung, be- , stehend aus zwei Rohren, die zur Führung von als Preßstempel ausgebildeten Preßformen dienen und in ; denen mindestens je eine Öffnung zum Einfüllen des Werkstoffes für die Umhüllung vorgesehen ist, wobei zur Verbindung der Rohre Bunde vorgesehen sind, in denen Ausnehmungen zur Aufnahme der an dem Füllkörper angeordneten, zur Zentrierung des Kernkörpers samt des Füllkörpers dienenden Stifte angeordnet sind.

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 Führungsrohre 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 Führungsrohren 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 einzufüllen, daß sich der gleiche Schließdruck je cm² 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 - aufheizbar ausgebildet. Sie werden bei der Durchführung des Verfahrens so hoch aufgeheizt, daß eine plastische Formänderung des Füllkörpers vermieden wird und eine etwaige elastisehe 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 möglieh, große Stückzahlen in kurzer Zeit bei niedrigem Preis herzustellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Brenn- und/ oder Brutelementen für Kernreaktoren, bei denen der Brennstoff und/oder der Brutstoff in einem von einer aus Kohle, Graphit, keramischem Werkstoff, Sintermetall od. dgl. gebildeten, vorzugsweise kugelförmig ausgebildeten Umhüllung und einem den Kern des Brenn- und/oder Brutelements bildenden Kernkörper aus nichtaktivem Stoff begrenzten, kugelschalenförmigen Hohlraum enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum in der Weise gebildet wird, daß eine dem Volumen des Hohlraums entsprechende, plastische Masse aus einem bei einer weit unterhalb des Schmelzpunktes oder des Erweichungspunktes der Umhüllung und des Kernkörpers liegenden Temperatur sich verflüchtigenden oder sich verfestigenden, nach der Verfestigung mechanisch leicht zerstörbaren oder chemisch gut lösbaren Stoff kugelschalenförmig auf den Kernkörper so aufgebracht wird, daß die dadurch gebildete Füllkörperschale an mindestens zwei Stellen von ausreichender Ausdehnung zum Abstützen der Umhüllung gegen den Kernkörper unterbrochen ist, worauf die Umhüllung aufgebracht und anschließend der Füllkörper herausgelöst wird, die Brenn- und/oder Brutstoffe eingefüllt werden sowie die Umhüllung verschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plastische Masse durch Aufspritzen oder durch Gießen auf den Kernkörper aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 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.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllkörper aus Polyäthylen oder einem sonstigen thermisch, mechanisch oder chemisch aus dem zwischen der Umhüllung und dem Kernkörper gebildeten Zwischenraum leicht herauslösbaren Kunststoff oder aus Metall hergestellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung und der Kernkörper aus dem gleichen Werkstoff hergestellt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernkörper durch Pressen von Graphitpulver, das mit einem geeigneten Bindematerial wie Phenolharz oder Pech vermischt ist, mittels auf einer Temperatur von etwa 250° C gehaltenen Preßwerkzeugen unter Anwendung eines Preßdrucks von 1500 bis 2000 kp/cm² hergestellt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Graphit als Werkstoff für den Kernkörper und die Umhüllung sowie von Kunststoff oder Metall für den Füllkörper, der zur Aufnahme der Brenn- und/oder Brutstoffe vorgesehene Körper über einen Zeitraum von einigen Wochen auf einer Temperatur von etwa 1250° C gehauen und nach dem Abkühlen zum Graphitisieren auf 2500 bis 3000° C aufgeheizt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung auf 2500 bis 3000° C im Elektroofen im direkten Stromdurchgang vorgenommen wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch zwei Rohre (3, 4), die zur Führung von als Preßstempel ausgebildeten Preßformen (1, 2) dienen und in denen mindestens je eine öffnung (12) zum Einfüllen des Werkstoffes für die Umhüllung (13) vorgesehen ist, wobei zur Verbindung der Rohre (3,4) Bunde (5, 6) vorgesehen sind, in denen Ausnehmungen (11) zur Aufnahme der an dem Füllkörper (9) angeordneten, zur Zentrierung des Kernkörpers (8) samt des Füllkörpers (9) dienenden Stifte (10) angeordnet sind.