DE1514216A1

DE1514216A1 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE1514216A1
Application number: DE19651514216
Authority: DE
Inventors: Sowman Harold G; Johnson James R
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1964-07-09
Filing date: 1965-07-05
Publication date: 1970-09-24
Also published as: US3436307A; GB1115452A; AT274162B; CH493903A; DE1514216B2

Description

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Minnesota Mining and Manufacturing Company, St.Paul, Minnesota, T.St.A.

Kernbrennstoffelement

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement, in dem Teilchen aus spaltbarem Material in einer Matrix verteilt sind, die mit Metall umkleidet ist.

Es ist bekannt, zum Sohutz von Reaktorbrennstoffelementen diese mit Metallmänteln oder -hüllen zu umgeben, was bei Anwendung mäßiger Temperaturen erfolgreich war. Derartige umhüllte bzw. ummantelte Brennstoffelemente waren jedoch bisher auf verhältnismäßig einfache Formen und Größen beschränkt, wie Zylinder oder Stäbe.

Ummantelte Platten wurden hergestellt, indem Metallbleohe unter starkem Druck zueammeng«walzt wurden, die zwlaohen sich eine Sohioht spaltbaren Materials hatten. Bti diesem Verfahren

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werden jedoch, die Brennetoffteilchen zerbrochen oder verlieren ihre ursprüngliche form.

In der Schrift " 4. Plansee Seminar ", Seite 483-506, wird z.B. über übliche Preßtechniken zur Herstellung einer Matrix berichtet, wobei jedoch lediglich die Herstellung eines homogenen Kerns bzw„ einer Matrix erreicht wird. Dieser Kern muß mit Metall ummantelt werden, um die Spaltprodukte zu schützen. Eine derartige Ummantelung ist aber mit dem Auftreten einer Naht- oder Verbindungsstelle zwischen Ummantelung und Matrix verbunden. Bei der beschriebenen Preßtechnik wird das Metallpulver zunächst zu einem formbeständigen Gebilde gepreßt, welches im allgemeinen sehr leicht zerbrechlich ist. Überdies haben Verfahren unter Anwendung hoher Drucke zur Verdichtung des Pulvermetall den schwerwiegenden Nachteil, daß die Teilchen aus spaltbarem Material zerbrochen bzw. zerkleinert werden. Dadurch wird Porosität und eine Änderung der Verteilung des Brennstoffes im Element hervorgerufen. Zudem muß neben dem Sintern noch heiß verpreßt werden, womit dieser bekannten Lehre mehrere Nachteile anhaften.

In der USA-Patentschrift 2 986 504 wird eine Abwandlung der übliohen "Sandwioh-Technik" zur Herstellung von Brennstoffelementen beschrieben. Auoh hierbei treten Naht- und Verbindungsstellen auf. Die Ummantelung ist nicht ein kontinuierlicher Teil der Matrix, sondern liegt lediglich auf dieser Matrix bzw. auf dem Kern. Außerdem wird naoh diesem bekannten Verfahren in üblioher Verfahrensweise gewalzt, gestanzt usw., was jedoch zu einer Zerkleinerung der Brennstoffteilchen und

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möglicherweise zu Streifenbildung führt, was Leerstellen

entstehen läßt. i

In der USA-Patentschrift 3 006 832 wird ein Verfahren zur ; Herstellung von Brennstoffelementkernen beschrieben, an die Metallstücke für Dichtungszwecke angebracht werden. Um die Brennstoffelemente herzustellen, müssen die nach dieser Lehre erhaltenen Kerne noch mit Metall ummantelt werden. Diese ummantelten Kerne stellen jedoch keine einheitlichen und nahtlosen Elemente dar, wie sie erfindungsgemäß vorgeschlagen werden. .

Es ist bekannt, z.B. aus "Nuclear Fuel Elements" von Hausner, Seite 193 bis 223, daß verschiedene Metalle und Oxide als Materialien zur Herstellung von Brennstoffelementen verwendbar' sind.

Erfindungsgegenstand ist ein Kernbrennstoffelement, in dem _; Teilchen aus spaltbarem Material in einer Matrix verteilt sind, die mit Metall umkleidet ist. Dieses Kernbrennstoffelement ist dadurch gekennzeichnet, daß es aus mindestens einem einheitlichen, nahtlosen, niohtporösen Blatt aus schwer- _: schmelzbarem Metall besteht, das in einer inneren Zone in vorherbestimmtem Abstand und vorherbestimmter Lage Teilchen aus einem spaltbaren Actiniden-Brennstoff praktisch gleichmäßig verteilt enthält, der gegenüber dem Metall bei der _; Sintertemperatur inert ist, und daß eine äußere Zone des Blattes, die sich von allen Oberflächen und Rändern nach innen : erstreckt, frei von Brennstoffteilchen ist, und daß das Metall

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des Blattes eine durchgehend homogene Kernstruktur aufweist und mechanisch nicht bearbeitet ist.

Erfindungsgemäß werden verhältnismäßig leichte, hochtemperaturbeständige Brennstoffelemente zugänglich, die in komplizierten Formen ausgebildet sein können, z.B. mit gewellten Mänteln, Röhren und dgl. für Isolier- und Kühlöffnungen usf..

Die neuartigen Brennstoffelemente der Erfindung bedeuten einen großen technischen Fortschritt insofern, als sie im wesentlichen einheitlich, nahtlos und nicht-porös sind, als der Kernbrennstoff im fertigen Element nicht zerstückelt oder zerkleinert, vielmehr in vorbestimmtem Abstand und in vorherbestimmter Lage gehalten wird. Die erfindungsgemüßen Brennstoffelemente sind so beschaffen, daß praktisch ein aus homogenem Metall bestehendes Brennstoffelement aus schwerschmelzbarem Metall vorliegt, wo sich die äußere Zone, welche frei von Brennstoffteilchen ist, nicht von dem die spaltbaren Teilchen enthaltenden Material unterscheiden läßtj dies bedeutet einen beträchtlichen Vorteil hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit des fertigen Gebildes, wenn man mit der geringen Temperaturbeständigkeit vergleicht, die durch Hartverlöten von Metallteilen zu dünnwandigen Metallbehältern und dgl. erzielt wird. Die erfindungsgemäßen Brennstoffelemente können .zusammengesetzte Kurven und dünn· Mäntel haben, die flache Blätter oder Platten verbinden, so daß ein außerordentlich wirksamer Wärmeaustausch mit dem Kühlgas oder der Kühlflüssigkeit möglich ist. Die in den erfindungsgemäSen Brennstoffelementen verwen- ; deten Metalle können Niob, Wolfram, Molybdän, Tantal öder an-

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dere schwerschmelzbare Metalle seinj daher sind sie sehr beständig bei außerordentlich hohen Temperaturen und gegenüber
Erosion durch die heißen Gase, die sich mit beträchtlicher
Geschwindigkeit bewegen.

Das erfindungsgemäße Kernbrennstoffelement kann die spaltbaren
Materialien in Teilchenform in vorherbestimmter Lage innerhalb
verhältnismäßig dünner Blätter oder Platten aus Metall enthalten, wobei das spaltbare Material vollständig von dem Metall
umgeben ist, so daß es gegen Korrosion, Wärme- und Gaserosion
geschützt ist.

Kernbrennstoffelemente sollen viele Durchlässe haben, in denen
die Schichten und anderen Teile des Gebildes einen dünnen
Querschnitt haben j das erfindungsgemäße Element ist für die ■'. Herstellung metallischer Kernbrennstoffelemente mit außerordentlich unregelmäßiger Form geeignet.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein
Kernbrennstoffelement, bei dem das Element im wesentlichen aus ·

Metallteilchen besteht, die sich zu einer starren Form zusam- '

mensintern lassen, aus mindestens einem verformbaren Blatt aus j

feinteiligem Metall und etwa 1 bis 10 Gew.~$, bezogen auf das j

Metall, an einem organischen Bindemittel besteht, wobei das ;

Blatt Teilchen aus einem spaltbaren Aktiniden-Brennstoff in j

vorherbestimmter Lage darin verteilt enthält j und auf der ; gesamten äufleren Oberfläche des Blatte ein praktisoh gleioh-

Bäßig starker Überzug aue feinteiligen Metallteilohen im |

Gtjuiaoh alt etwa 1 toi· 10 G«w.-# Bindemittel liegt und damit j

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verbunden ist und das Blatt und der Überzug isotrop sind.

Die erfindungsgemäßen selbsttragenden ungebrannten Platten, die teilchenförmiges spaltbares Material und Metallpulver mit einem Bindemittel für dasselbe enthalten, sind wertvolle Zwischenprodukte und zur Verarbeitung zu komplizierten Gebilden geeignet, die zu Hoohtemperatur-Kernbrennstoffelementen gesintert werden können.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Herstellung von Metallblättern vorgeschlagen, die teilchenförmiges spaltbares Material, in einer inneren Zone in dem Blatt verteilt enthalten.

Die Herstellung derartiger Gebilde, wie sie in den Zeichnungen angegeben sind, sowie von ähnliohen Gebilden, erfolgt nach dem folgenden Verfahren: Ein weichgemachtes Rohgemisch, das feinteilige Metallteilohen (Metallpulver), weichmachende und bindende Bestandteile, z.B. organische polymere Harze, und flüchtige Mittel zur Einstellung der Viskosität enthält, wird nach einem geeigneten Verfahren zu einem dünnen Film oder Blatt verformt, z.B. durch Beschichten, Besprühen, Auspressen,

Gießen, Walzen und dgl.. , · |

Derartige Filme lassen sich beliebig dünn, z.B. etwa 0,025 mm : stark, herstellen, solange der Film eine ausreichende Koriei- ^! stenz hat, naoh Entfernung der die Viskosität beeinflussenden Flüssigkeiten seinen Zusammenhalt bei der Verarbeitung zu er- j

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halten. Sehr dünne Filme sind aber so empfindlich, daß sie

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sich schwierig verarbeiten -und Jhandhaben lassen, -während Filme von mehr als 3 mm Stärke für die hier beschriebene Verarbeitung zu stark werden.

TJm die Einhüllung zu bewirken, wird ein erster Film oder ein Blatt, das Metallpulver und ein organisches Bindemittel enthält, derart hergestellt, daß es winzige Teilchen eines spaltbaren Materials in einer chemischen Form eingebettet oder gleichmäßig verteilt enthält, in der es nicht mit dem Metall reagiert oder sich in diesem löst. Hierfür werden die Oxyde der Aetiniden bevorzugt, doch können auch andere schwerschmelzbare Actinidenverbindungen, z.B. Carbide, Nitride und dgl., verwendet werden, auch die Metalle selbst sind in manchen Fällen geeignet.

Wenn auch die Form der verwendeten Teilchen gewöhnlioh nicht wesentlich ist, werden diese spaltbaren Actinidenverbindungen bevorzugt in Form sehr kleiner Kugeln oder kugelartiger Gebilde verwendet, weil sie in dieser Form fester sind als unregelmäßig geformte'Teilchen.

Das so erhaltene Rohblatt wird dann auf seiner gesamten Oberfläche mit Blättern gleicher oder anderer Stärke aus einem Rohfilm überzogen, der das gleiche Metallpulver, Bindemittel und die gleichen die Viskosität senkenden Medien, aber keine Kernbrenne toffteilchen enthält. Sie Blätter werden miteinander mittels «eines Kittes verklebt, der Metallteilchen und Bindemittel in Form einer Aufschlämmung oder Paste enthält. Nach einem anderen Verfahren können die Blätter miteinander ver-

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einigt werden, indem ihre aufeinanderliegenden Oberflächen mit einem Lösungsmittel, wie es zur Herstellung der Blätter verwendet wurde, befeuchtet werden und das vereinigte Schichtgebilde mit Walzen zur Vereinigung und zur Entfernung von Luft zusammengepreßt wird.

Die für diese Art der Herstellung und Vereinigung der Schichtgebilde angewendeten Mittel erhalten mindestens in erheblichem Maße die ursprüngliche isotrope Natur der Blätter. Eine übermäßige Dehnung beim Walzen muß also vermieden werden. Einfaches Pressen und andere für diesen Zweck geeignete mechanische Maßnahmen sind bekannt.

Das so erhaltene zusammengesetzte Schichtgebilde ist ein rohes (ungebranntes) Gebilde, das zur weiteren Verformung oder Vereinigung mit anderen Blättern oder Gebilden zu einem komplizierteren Produkt geeignet ist, das aber auch allein als Blatt weiterbehandelt werden kann. In Jedem Falle läßt sich das Rohprodukt leicht zu Jeder erforderlichen Form, z.B. zu gewellten Blättern und dgl., verformen, die wie hier beschrieben weiter verarbeitet werden können.

Wenn die Rücken der Wellen an einer Seite eines gewellten Filmes mit einer ebenen Platte verschweißt werden sollen, kann das Rohmaterial, aus dem der zu sinternde Film bzw. das Blatt hergestellt wird, mit organischen Lösungsmitteln verdünnt, als Klebmedium zur Befestigung der Teile aneinander über die Wellenrücken gestrichen werden. Nooh einfacher können die zu vereinigenden aneinanderstoßenden Teile mit einem Löaungsmit-

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tel für das Bindemittel befeuchtet und dann zusammengepreßt werden, w or auf die rollen Blätter aneinander haften. Wenn das Gebilde, z.B. durch Verdampfen des Lösungsmittels trocknet, •wird eine vorläufige, aber feste Bindung zwischen den Teilen des Gebildes hergestellt, die nach dem Brennen eine feste und starre Verschweißung wird. Die vorläufige Verbindung kann auch auf andere Weise, z.B. durch Warmverschweißen hergestellt werden.

Wenn bei der Verbindung ein Lösungsmittel verwendet wird, wird der fertig geformte Gegenstand solange trocknen gelassen, bis praktisch alle flüchtigen Lösungsmittel oder organischen Flüssigkeiten aus den Verbindungsstellen entwichen sind. Die erhaltenen Rohgebilde sind für-die Handhabung fest genug und können sogar zurechtgeschnitten, geglättet oder anderweitig bearbeitet werden. Dann werden die Gebilde in der Wärme ver- ; einigt, indem sie Temperaturen unterworfen werden, die zum ' Sintern der sinterfähigen Bestandteile in bekannter Weise i ausreichen. i

Bei der Herstellung der Gebilde werden Maßnahmen, bei denen eich die Teilchen auf irgendeine Weise absondern, z.B. durch Auerichtung der Achsen oder Verschiebung der gleichmäßigen Verteilung, vermieden oder durch entsprechende Maßnahmen zur Erhaltung der Gleichmäßigkeit kompensiert. Die rohen ungebrannten Gebilde sind also im wesentlichen isotrop. Sie ■ohrumpfen daher bei» Brennen in allen Richtungen pralctiaoh gleichaäSif und ergeben ein Gebilde, dae praktieoh keine Ver-

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werfungen und inneren Spannungen enthält.

Das erhaltene fertige Metallgebilde ist im wesentlichen ein zusammenhängendes Metallblatt oder eine Anzahl von Metallblättern und Mänteln, die in einer inneren Zone Teilchen aus i einem spaltbaren Material gleichmäßig verteilt in vorherbestimmter Lage enthalten, wobei die Teilchen von einer äußeren Zone umgeben sind, die von Brennstoffteilchen· frei ist und einen zusammenhängenden Mantel darstellt; der Metallanteil des Blatts ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß er sich homogen aus Metallkörnern zusammensetzt und mechanisch nicht bearbeitet ist. Die spaltbaren Teilchen behalten ihre ursprüngliche Größe und Form, weil die zur Herstellung der Rohprodukte angewendeten Verfahren, auch bei kompliziertester Form, die Teilchen nicht zerstören oder verändern.

Diese Merkmale des erfindungsgemäßen Produkts sind sehr wertvoll. Die Gebilde sind außerordentlich beständig gegen Verziehen in der Wärme. Die Kernbrennstoffteilchen sind in den Blättern an bekannten und gewählten Stellen und in der gewünschten Verteilung angeordnet. Sie sind durch einen zusammenhängenden Mantel überzogen, der sie vor ihrer Umgebung schützt und die bestmögliche Wärmeübertragung erlaubt. Sie sind fest, und kein Teil des Gebildes ist durch eine Verbindung, weder |

geschweißt nooh gelötet, aus einen anderen Material oder mit ' unterschiedlicher Kornstruktur des Metalls geschwächt.

Erfindungsgemäß können Kernbrennstoffelemente aus sinterfähigen, iOhwerschmelebaren, verhältnismäßig hoonsohmeisenden Metallen, ^!

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wie Wolfram, Molybdän, Chrom, Titan, Zirkonium, Vanadium, Niob, Tantal, Eisen, Nickel und Legierungen derartiger Metalle, die für Kernreaktoren geeignete Eigenscliaften aufweisen, hergestellt werden» Rostfreier Stahl ist z.B. eine sehr brauch-* bare Legierung, wenn mäßig hohe Temperaturen angewendet werden. ·

Mit der Bezeichnung "schwerschmelzbar" sollen hier die angegebenen Metalle und Legierungen und gleichwertige Materialien ' gemeint sein. Diese Metalle schmelzen oberhalb 1300 0.

Eine Vielzahl organischer Bindemittel kann zur Herstellung der biegsamen (plastischen) rohen sinterfähigen !filme und Blätter verwendet werden, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kernbrennstoffelemente dienen. In der Wärme härtbare oder thermoplastische hochmolekulare Kunststoffe oder Elastomere ; könnenverwendet werden, z.B. Polyvinylharze, wie Polyvinyl- ; chlorid, Polystyrol, Polyvinylacetat, Polymethylmethacrylat, i Polyvinyläthyläther, Polyvinyloctyläther und dgl., Polyester, _; wie Poly-diäthylenglykoladipat, Polyäthylenglykolterephthalat, Poly-i^-butylenglykolsebacat, Poly-2,2-dimethyl-1,3-propandioladipat und dgl.j mit Diisocyanaten vernetzte Polyester, Phenol-IOzBaldehyd-Harze, Melaminharze, Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Polyäthylen, fluorierte Alkylacrylatharze, wie Poly-1,1-, dihydroperfluorbutylacrylat und flgl.{ Polyvinylidenfluorid, Mischpolymerisate aus den Monomeren der genannten und anderer Harze, Elastomere, wie Polystyrol-Butadien, Nitrilkautsohuke, Butylkautschuke und dgl.j wasserlösliche Bindemittel, wie Methylcellulose, Polyvinylalkohole und dgl..

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In manchen Fällen ist es zweckmäßig, einen Weichmacher für ■bestimmte Harzgemische zu verwenden, um die Biegsamkeit und Verarbeitbarkeit des lösungsmittelfreien Films zu verbessern. ; Bei anderen Harzen ist gewöhnlich kein Weichmacher erforder- : lieh, manche Polymerisate werden als innerlich weichgemacht ! bezeichnet (z.B. Polyacrylsäureester von langkettigen Alko~ holen).

Netzmittel können in kleinen Mengen verwendet werden, um die Dispersion der Metallteilchen in dem Bindemittel zu fördern. Die Lösungsmittel, die verwendet werden, um dem Gemisch von Bindemittel und Metallpulver eine so kleine Viskosität zu verleihen, daß man daraus Blätter und andere Gebilde herstellen kann, können natürlich organische Lösungsmittel oder Wasser oder wäßrige Lösungsmittel sein. Bevorzugt werden die verschiedenen Bestandteile des Bindemittelsystems so gewählt, daß ! sie miteinander verträglich sind.

Die Menge des polymeren Bindemittels kann verhältnismäßig klein sein. Mengen von etwa 1 bis 10 Gew.~%, bevorzugt 1 bis 5 Gew.-#,; organisches Bindemittel, auf das Gewicht des Metalls bezogen, werden verwendet. Zum Brennen der rohen Gegenstände werden die Blätter oder anderen Gebilde, die durch Entfernung eines größeren Teils des Lösungsmittels stabilisiert worden sind, zunächst erwärmt, um sie vollständig von Lösungsmittel zu befreien, und dann bei einer Temperatur gebrannt, bei der das Bindemittel verdampft oder sich zersetzt, worauf sie in einer inerten oder Wasserstoffatmossphäre gebrannt werden, um eine Oxydation des

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Metalls zu verhindern und alle restlichen Spuren von Bindemittel oder dessen Zersetzungsprodukten zu entfernen. Wenn die Metalle in feuchtem oder trockenem Wasserstoff ohne Bildung von Hydriden gebrannt werden können, die eine unerwünschte Versprödung bewirken, können entweder flüchtige (verdampfbare, nicht verkohlende) oder in der Wärme zersetzbare Bindemittel verwendet werden. Wenn die Metalle unter den Bedingungen des Brennens in Wasserstoff Hydride bilden, werden flüchtige Bindemittel verwendet, und es wird im Vakuum oder in inerten Gasen gebrannt.

Weitere Merkmale der gesinterten Kernbrennstoffelemente vorliegender Erfindung werden nun an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert:
Fig. 1 ist eine auseinandergezogene Ansicht eines aus rohen Blättern zusammengesetzten Gebildes.

Pig. 2 ist ein Querschnitt durch ein aufeinandergeschichtetes Gebilde nach Fig. 1, und zeigt, daß in den Rohblättern die Kernbrennstoff enthaltenden Teile vollständig von Teilen ohne Kernbrennstoffe umgeben sind. Fig. 3ist ein Querschnitt durch den Stapel von Fig. 2 nach dem Brennen.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines zusammengesetzten gesinterten Schichtgebildee aus gewellten Blättern zwischen dünnen ebenen Blättern, das eine Einheit für ein Brennstoffelement darstellt, das mittels Gaa gekühlt werden kann„
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Teils von Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen dünnen PiIm 10, der die Unterlage darstellt₉ einen ähnlichen dünnen PiIm 12 mit kleinerer Fläche, in dem das teilchenförmige spaltbare Material verteilt ist, ein Blatt 13 mit einer Aussparung, die dem Brennstoffblatt entspricht, und sonst mit der gleichen Fläche wie Blatt 10} Blatt 14 ist wieder genau wie Blatt 10 aufgebaut und bildet die Deckschicht für daß Ganze. Durch Aufeinanderschichten mit einem Leimmedium zwischen den Blättern und den Rändern von Blatt 12 und der Aussparung in Blatt 13 aus dem Rohmaterial, aus dem die Blätter 10 und 14 hergestellt worden sind, verdünnt mit organischen Lösungsmitteln oder Flüssigkeiten zur Verringerung der Viskosität zu der eines dünnen Kitts, wird das Ganze vorläufig zu einer Einheit verschweißt.

In Fig. 2 wird eine derartige vorläufig verbundene Einheit, wie sie aus den in Fig. 1 gezeigten Teilen erhalten wird, im Querschnitt gezeigt. Die Stärke der Blätter ist zur besseren Erkennbarkeit vergrößert. Die Verbindungen zwischen den Teilen sind normalerweise unsichtbar, nachdem das Lösungsmittel verdampft ist, sie sind hier nur angegeben, um die ursprüngliche Lage der Teile zu zeigen.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt duroh das Schichtgebilde von Fig. 1 nach dem Brennen. Auoh hier sind die. Abmessungen vergrößert. Die Brennetoffteilohen sind als kleine Kugeln, angegeben, obwohl, wie erwähnt, auch unregelmäßig geformte Teilchen ■-.-.:-w _;-wdi.'-"- vcr-deri: ;ii,;.-u. Jk'r >-.*'f.»pj:itö Einheit ist zu einer ku«-

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sammenhängenden homogenen Metallmasse gesintert, in der die Brennstoffteilchen 16 in ihrer ursprünglichen Lage verteilt sind.

Die Fig. 4 und 5 sind Beispiele für ein Brennstoffelement unter Verwendung gewellter Filme. Die gewellten Filme 20 des Gebildes sind voneinander durch dünne ebene Blätter 21 getrennt» mit denen sie durch Sintern verschweißt sind. Die Schweißzone 22 ist in Fig. 5 angegeben (brennstoffreies Mantelmaterial mit Abstand von den Enden der Blätter). Die Zone ist unauffällig und zeigt praktisch keine Grenz- oder Verbindungslinie zwischen den gewellten Filmen 20 und den ebenen Blättern 21, die gewellten und ebenen Filme sind also gut miteinander verschmolzen, und das Metallkorn in dem Gebilde ist praktisch homogen.

Wenn hier von "Verschweißen" und "Sinterschweißen¹' die Rede ist, ist damit eine gegenseitige Verbindung durch thermische Erstarrung bzw. Verfestigung gemeint, wobei sich berührende Teile der Filme öder Blätter zusammensintern und nur Materialien verwendet werden, die die gleichen Bestandteile wie die Filme selbst enthalten. Bevorzugt wird die Schweißstelle zwischen den Wellenrücken und den ebenen Blättern oder zwischen den sieh berührenden Teilen anderer Gebilde durch thermische Vereinigung der vorläufigen Verbindungen, die mit den Bestandteilen der zu verbindenden Blätter (oder der Oberflächenschicht der zu verbindenden Blätter, die Kernbrennstoff teilchen enthalten) gebildet werden, wie es die Beispiele

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zeigen, so daß die fertigen gebrannten Gegenstände einen
nahtlosen Aufbau erhalten, bei dem man das Metall der Verbindungen (vgl. Fig. 5) nicht von dem Material der sich berührenden Oberflächen der Blätter unterscheiden kann. Die Verbindungen in diesen Gegenständen haben die gleiche thermische
Beständigkeit wie die verbundenen Blätter.

Fig. 5 zeigt eine Stelle mit einem gewissen Abstand von den Enden der Blätter, um das schichtartig in den gewellten und ebenen Blättern verteilte spaltbare Material zu zeigen. Die gestrichelten Bereiche 23 zeigen die Brennstoffteilchen.

Die Erfindung wird weiter durch die folgenden Beispiele
erläutert, in denen alle Teile, wenn nicht anders angegeben, Gewichtsteile sind.

Beispiel 1

Ein plastisches Rohgemisch wird aus 48,5 Teilen Molybdänpulver (durch ein Sieb mit 0,044 mm lichter Maschenweite passiert), 5 Teilen eines Tetrapolymerisats und etwa 20 Teilen eines
Lösungsmittelgemisches aus 22,1 fo Äthylacetat, 38,9 $ Cellosolveacetat und 38,95 $> Nitroäthan hergestellt. Das Tetrapolymerisat besteht aus etwa 30 Gew.-$ Octadecylacrylat, 30 %
Acrylsäurenitril, 35 i° Cyclohexylacrylat und 5 °/° Acrylsäure, die in Äthylacetat mischpolymerisiert wurden. Es hat die Form eines Organosols, und es wird eine ausreichende Menge Cellosolveacetat und Nitroäthan zugesetzt, um das oben angegebene Lösungsmittelgemisch zu bilden.

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Die Aufschlämmung wird dann etwa 18 Stunden in einer rotierenden Mühle zu einem gleichmäßigen homogenen Gemisch vermählen. Die homogene Aufschlämmung wird mit einer Stärke von etwa 0,625 mm auf eine wenig haftende Oberfläche, d.h. mit Polyäthylen überzogenes Papier, aufgebracht und der Oberzug teilweise trocknen gelassen (d.h. bis nur noch etwa 20 $> des Lösungsmittels zurückgeblieben sind). Die erhaltene Stärke beträgt etwa 0,25 mm. Eine zweite 0*25 mm starke Schicht, die aus dem gleichen Rohmaterial wie die erste Schicht besteht, . aber außerdem ungefähr 5 Teile angereichertes ITranoxyd enthält (im wesentlichen von TJ-⁵ ), wird dann mit dem Rakel auf die teilweise getrocknete erste Schicht aufgebracht und auch teilweise trocknen gelassen (d.h. bis zu 20 i<> Restlösungsmittelgehalt). Schließlich wird eine dritte Schicht auf die zweite Schicht mit dem Rakel aufgebracht, die auch nach dem Trocknen 0,25 mm stark ist und nur aus dem gleichen Rohgemisch wie die erste Schicht besteht. Das gesamte Schichtgebilde wird an der Luft bei Raumtemperatur getrocknet, wonach die Stärke etwa 0,63 bis 0,76 mm beträgt.

Das getrocknete Schichtgebilde wird von dem mit Polyäthylen überzogenen Papier abgelöst und etwa die Hälfte des Streifens auf eine 0,25 mm starke Aluminiumfolie gelegt. Die Aluminiumfolie und das Schichtgebilde werden zusammen durch eine Wellvorrichtung geschickt, deren Walzen etwa 130⁰O haben, und mit etwa 8 Wellen von 1,3 mm Höhe je 2,54 cm versehen.

Der Teil dee Schichtgebildes, der nicht gewellt wurde, wird auf

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der einen Seite mit einem dünnen Überzug aus einer Aufschlämmung bestrichen oder besprüht, die aus dem gleichen Rohmaterial wie die äußeren Schichten besteht, und dann mit der überzogenen Seite gegen die oberen Rücken der Wellen des gewellten Films gelegt. Das Lösungsmittel aus der aufgebrachten Aufschlämmung dringt etwas in die Oberflächenteile der anliegenden Wellenrücken ein und verdampft dann bei Raumtemperatur. Quadrate werden aus dem erhaltenen zusammengesetzten Blatt aus gewelltem Film und ebenem Blatt geschnitten und zu dem in Fig. 4 angegebenen Gegenstand aufeinandergestapelt, wobei die äußere Fläche des ebenen Blatts jeweils mit einem dünnen Überzug aus dem Rohgemisch dieses Beispiels überzogen wird, so daß das zusammengesetzte Gebilde an den Berührungsstellen zwischen den Wellenrücken und den ebenen Blättern verleimt wird. Die Ränder des Schichtgebildes werden dick mit dem Rohgemisch überzogen, um das spaltbare Material abzuschließen. Der erhal- ^; tene zusammengesetzte Gegenstand wird dann bei Raumtemperatur trocknen gelassen und in einer inerten Atmosphäre (z.B. in Wasserstoff) 16 1/2 Stunden bei einer maximalen Temperatur von etwa 175O⁰C, die etwa 1/2 Stunde lang in der Mitte der Brennzeit eingehalten wurde, gebrannt. Das erhaltene zusammengesetzte gesinterte Metallgebilde kann als ummanteltes Brennstoffelement für Atomreaktoren dienen.

Eine erhöhte Festigkeit bei größerer Dichte des Metalls wird erzielt, wenn man die Menge des Bindemittels auf etwa 2 bis

3 Teile je 100 Teile Molybdän herabsetzt. ^:

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Beispiel 2

Ein Gemisch von 20 Teilen Uranoxyd, keramische Form, in Form von Schrot von etwa 50 bis 75/U Durchmesser, und 151»2 Teilen Wolframpulver (zwischen Siebgrößen von 0,044 und 0,037 mm lichter Maschenweite) wird in trockener Form gründlich mit etwa 8 Teilen gepulverter Methylcellulose (4000 CPS) in einem Schüttelmischer gemischt. Dem Gemisch werden 17 ecm Wasser und 8 Tropfen Glycerin zugesetzt und das feuchte Gemisch wird etwa 20 Minuten durchmischt. Die erhaltene feuchte plastische Masse wird zu Blättern von etwa 0,6 mm Stärke ausgewalzte Das erhaltene gewalzte Blatt wird getrocknet, z.B. zwischen beschwerten Platten mit glatter Oberfläche, deren Oberfläche mit einem Ablösungsmittel besprüht worden ist, um ein Festkleben zu vermeiden. Wenn Präzisionsteile hergestellt werden sollen, werden die rohen Blätter bevorzugt zwischen beschwerten polierten Metallplatten getrocknet. Bevorzugt wird im Vakuum getrocknete Das getrocknete Blatt wird in Wasserstoff bei 55O⁰C vorgebrannt, um das Bindemittel zu vertreiben. Das Blatt wird dann im Vakuum (10 Torr) in der folgenden Weise gesintert: 25 Minuten bei 70O⁰Cj 10Minuten bei 160O⁰Cj 10 Minuten bei 2125⁰Cj anschließend Abkühlen. Die mikroskopische Untersuchung des Blatts nach dem Sintern zeigt ein wohlkristallisiertes dichtes Blatt*

Zur vorherbestimmten Anordnung der Brennstoffzone in dem Blatt werden Rohblätter hergestellt, die etwa 95 Teile Wolframpulver der gleichen Korngröße wie oben, das 2 Mol-$ Nickel als Sinterhilfsmittel enthält, und 5 Teile Methylcellulosepulver (4000

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CPS) enthalten. Diese Bestandteile werden gründlich gemischt und dann mit ausreichend Wasser (1/2 Teil oder mehr) und etwa 1 Teil Glycerin als Weichmacher versetzt, um nach gründlichem Mischen ein Blatt zu erhalten. Das Blatt wird noch feucht zu etwa 0,25 mm Stärke ausgewalzt und zu Stücken von ungefähr 5 x 7,5 cm Größe zerschnitten. In einige dieser Blätter wird in der Mitte eine Aussparung 2,5 χ 5 cm geschnitten. Die Blätter werden noch feucht aufeinandergelegt, wobei ein Blatt mit Aussparung auf ein volles Blatt gelegt und in die Aussparung ein rohes, feuchtes 0,25 mm starkes Blatt, das in die Aussparung paßt und 10 $ UOp-Schrot enthält, wie es oben hergestellt wurde, gelegt wird; oben auf die gesamte Anordnung wird dann noch ein durchgehendes einfaches Blatt gelegt. Das Ganze wird zwischen Walzen unter solchem Druck hindurchgeschickt j daß die gesamte Stärke um etwa 5-10 fo vermindert wird. Das erhaltene ummantelte rohe Blatt wird sorgfältig zur Entfernung der Feuchtigkeit getrocknet, wobei ein Verziehen des Gebildes vermieden wird. Es wurde dann etwa 30 Minuten auf 50O⁰C erwärmt und dann etwa 10 Minuten bei 175O⁰C in einem Ofen unter feuchtem Wasserstoff gebrannt.

Beispiel 3

Ein Gemisch von 400 Teilen Wolfram (passiert Siebmaschen mit ungefähr 0,035 mm lichter Weite), 60 Teilen Methylcellulose (60 HG 4000 CPS), die gründlich trocken vermischt wurden, wird mit 20 Teilen Wasser und 7 Teilen Glycerin zusammen mit einer kleinen Menge Netzmittel (z.B. einem Alkyläther von Polyäthylenglykol) vermischt. Nach gründlichem Mischen wird das feuch-

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te Gemisch auf einer Kautschukmühle mit 0,05 mm Walzenabstand ausgewalzt. Das erhaltene Blatt wird quer gewalzt, d.h. es wird nach der Herstellung noch einmal in einer Richtung von 90° zur ursprünglichen Walzrichtung gewalzt. Das erhaltene sehr dünne Blatt, etwa 0,22 mm stark, wird feucht gehalten.° Ein zuvor hergestelltes. Rohblatt der gleichen Zusammensetzung und Stärke, das aber 30 Mol-% Uranoxydschrot, das zwischen lichten Siebmaschenweiten von 0,149 und 0,105 mm liegt, enthält, wird zu einer kleineren Größe als die Hälfte des brennstofffreien Wolframblatts geschnitten. Unter ITeuchthalten aller Blätter wird das Brennstoff enthaltende Blatt auf das, brennstofffreie Blatt gelegt, das dann über dem Brennstoff enthaltenden Blatt derart zusammengelegt wird, daß dieses von einem Mantel umgeben ist. Das Rohprodukt wird sorgfältig zum Vertreiben von Luftblasen zusammengepreßt, und die Ränder wer-■ den durch leichten Druck miteinander verbunden. Das zusammengesetzte Blatt wird dann unter Druck durch Kalanderwalzen geschickt, um den Mantel mit dem Brennstoffblatt zu verbinden. Um isotrope Eigenschaften" zu behalteh, werden die"Blätter quergewalzt, d.h. in einem Winkel von 90 zur ersten Walzrichtung, wobei mit einem Walzenabstand von 0,3 mm eine Endstärke von etwa 0,5 mm erhalten wird. Bevorzugt wird die Stärke um etwa 5-10 % vermindert. Erforderlichenfalls werden große überschüssige Ränder des brennstoffreien Mantels abgeschnitten.

Das erhaltene zusammengesetzte Blatt kann wie in Beispiel 1 gewellt werden, und eine Anzahl derartiger Blätter, z.B. ab-

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wechselnd eben und gewellt, kann zu einem Gebilde mit zahlreichen parallelen Durchlässen vereinigt werden,, Ein aus -■, Wolframpulver, Methylcellulose und Wasser bestehender Kitt wird zur Verbindung der Blätter an der Berührungsstelle verwendet. Die trockenen lederartigen rohen Blätter können aber auch lediglich mit Wasser an den Stellen befeuchtet werden, an denen sie verbunden werden sollen. Wenn die Blätter unter leichtem Druck aufeinandergelegt werden, haften sie aneinander und werden beim Trocknen fest verbunden.

Diese Gebilde werden sorgfältig getrocknet, dann in Wasserstoff auf etwa 50O⁰C erwärmt und in feuchtem Wasserstoff bei etwa 175O⁰C gebrannt.

Nach dem Verfahren der Beispiele 2 und 3 können sowohl Brennstoff enthaltende als auch Mantelblätter unter Verwendung von Molybdän, Niobium, Tantal, Zirkonium und dgl. hergestellt werden. Ebenso können Legierungen, wie rostfreier Stahl, ver- _: wendet werden. In jedem Falle wird Metallpulver verwendet, das ein Sieb mit etwa 0,044 mm lichter Maschenweite passiert. Wenn gepulverter rostfreier Stahl verwendet wird, werden die getrockneten Blätter bei etwa 135O⁰C in einem Wasserstoffofen gebrannt, naohdem sie etwa 30 Minuten auf 500⁰C vorgewärmt worden sind.

Wenn Metalle verwendet werden, die beim Brennen in Wasserstoff Hydride bilden, z.B. Titan, Zirkonium, Tantal usw., wird ein flüohtiges Bindemittel verwendet, und si· werden in einer iner-

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ten Atmosphäre gebrannt. So -wird z.B. feingepulvertes (kleiner als 0,044 mm lichte Maschenweite) Tantal mit 3 i» gepulvertem Methylmethacrylat und einem organischen Lösungsmittel für das Polymerisat vermischt. Brennstoff enthaltende und brennstoffreie Blätter werden wie oben beschrieben hergestellt und in der gleichen Weise mit dem verwendeten Lösungsmittel verbunden· Bei etwa 20 Minuten Brennen bei etwa 2100⁰C in einer Argonatmosphäre werden nach 30 Minuten Vorerhitzen im Vakuum (10 Torr) auf etwa 300⁰C unbearbeitete isotrope Blätter aus Tantal erhalten, die UO₂-Brennstoffteilchen enthalten.

Patentansprüche

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Claims

-24- M 1782 Patentansprüche :

1. Kernbrennstoffelement, in dem Teilchen aus spaltbarem Material in einer Matrix verteilt sind, die mit Metall umkleidet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus mindestens einem einheitlichen, nahtlosen, nicht-porösen Blatt aus schwerschmelzbarem Metall besteht, das in einer inneren Zone in vorherbestimmtem Abstand und vorherbestimmter Lage Teilchen aus einem spaltbaren Actiniden-Brennstoff praktisch gleichmäßig verteilt enthält, der gegenüber dem Metall bei der Sintertemperatur inert ist, und daß eine äußere Zone des Blattes, die sich von allen Oberflächen und Rändern nach innen erstreckt, frei von Brennstoffteilchen ist, und daß das Metall des Blattes eine durchgehend homogene Kernstruktur aufweist und mechanisch nicht bearbeitet ist.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwerschmelzbare Metall Wolfram ist.

3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwerschmelzbare Metall Tantal ist.

4» Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwerschmelzbare Metall rostfreier Stahl ist.

5. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwerschmelzbare Metall Molybdän ist.

6. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

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Neue Untenan

.- »i_ - c ■-· > 3 des ^nriorunagacs· ^ν· 4·

net, daß das schwersehmelzbare Metall Niob ist.

7. Kernbrennstoffelemejat nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeieh-/ net, daß die spaltbaren Teilchen in einen Metallblatt verteilt sind, wobei das Element im wesentlichen aus Metallteilchen besteht, die sich zu einer starren Form zusammensintern lassen, daß es aus mindestens einem verformbaren Blatt aus feinteiligem Metall und etwa 1 bis 10 Gew.-$, bezogen auf das Metall, an einem organischen Bindemittel besteht, wobei das Blatt Teilehen aus einem spaltbaren Aktiniden-Brennstoff in vorherbestimmter Lage darin verteilt enthält j und daß auf der gesamten äußeren Oberfläche des Blatts ein praktisch gleichmäßig starker Überzug aus feinteiligen Metallteilchen im Gemisch mit etwa 1 bis 10 Gew_o-# Bindemittel liegt und damit verbunden ist und daß das Blatt und der Überzug isotrop sind.

8. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Wolfram ist.

; 9. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich-ΐ net, daß das Metall Molybdän ist.

j 10. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Niob ist.

11. Verfahren zur Herstellung von Rohprodukten, die zu zusammenhängend ummantelten Kernbrennstoffelementen gebrannt werden können, wobei Schichtgebilde aus Brennstoff enthaltenden Blättern aus gepulvertem Metall und organischem

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15H216

Bindemittel zwischen brennstoffreien Blättern aus gepulvertem Metall und organischem Bindemittel die grundlegenden Bestandteile sind, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schichtgebilde aus Brennstoff enthaltenden und brennstofffreien isotropen Blättern herstellt ₉ zusammenhängend vereinigt und miteinander unter Bedingungen verklebt, die die isotrope Natur der Blätter praktisch nicht verändern.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man Schichtgebilde aus Brennstoff enthaltenden und brennstofffreien Blättern unter einem Druck zusammenwalzt ₉ der nur ausreicht, um die Stärke der vereinigten Schichtgebilde um nicht mehr als 10 $ zu vermindern.

j M 1782
Dr.Pa/Wr

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