DE1533194A1 - Borhaltiges Absorbermaterial fuer Kernreaktoren - Google Patents

Description

Dia vorliegende Erfindung betrifft ein borhaitigaa Absorbermeterial für Kernreaktoren, das für faat sämtliche Typen von Kernreaktoren sowie für niedrige und höhere Reaktortemperaturen verwendbar iat.

Das Element Bor wird in Kernreaktorbau für viele Zwecke herangezogen, da es einen hohen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen besitzt. Diese Eigenschaft läßt es besonders für die Regelung des Neutronenflueses geeignet erscheinen, und es ist daher in den verschiedenartigsten Zusammensetzungen als wirksamer Bastandteil in Regelstäben enthalten. Unter Neutronenbestrahlung zerfällt das Borisotop B 10, das etwa zu 20 % in dem natürlichen Isotopengeeisch vertreten ist, in stabile Atomkerne des Li und He , wobei es keine ^-Strahle« a uaaand β t,

Dies« Eigenschaft des Bor wird bein Bau von thermischen Schildern ausgenutzt, dia aus b-orhaltigen »eekstoff»n he«gestellt warden und die Aufgab* h*ben, eine übe.ri»ä»iga ErwaVriiHJng bestimmter Reaktoi-baAitaila durch Bftstrahlung zu verhindern. So werden z.B. bei

die Abzusprohra fto die Brennetoffkugaln

mit einer Schicht eines borhaltigen Materials umgeben. Die Anwendung derartiger Abschirmungen gestattet es auch, die Wandstärken der übrigen Reaktorbauteile zu verringern sowie eine Überprüfung des Reaktor-Druckbehälters in Stillstandzeiten unter erleichterten Bedingungen vorzunehmen.

Nach dem Stand der Technik wird das Bor in Regelstäben entweder - meist als B.C - in Form einer pulvermetallurgisch hergestellten mischung oder als metallische Legierung verwendet.

Im ersteren Fall erweist es sich als sehr ungünstig, daß die B.C— Körper von Dampf angegriffen und schnell zersetzt werden. Sie müssen daher von Hülsen aus nichtrostende· Stahl umschlossen werden, wobei ein Aufquellen der Regelstäbe infolge des sich Ansammeins von Zerfalleatomen (He, Li) nicht auszuschließen ist. Die Herstellung von Regelstäben, in denen das Bor in einer pulvrigen Mischung vorliegt, ist nicht leicht zu handhaben. Ein solches Herstellungsverfahren wird in der britischen Patentschrift 838,442 beschrieben.

Die Verwendung von Bor in Form von metallischen Legierungen ist seit längerer Zeit bekannt, So werden GuB-StähIe mit einem Gehalt von 5 % Bor bereits fabrikmäßig hergestellt. Austenitischs Cr-Ni-Stähle lassen sich bis zu eine· eutektischen Borgehalt von 2,1 % schmieden. Eine Erhöhung des Borgehaltes steigert zwar die Zugfeetigkeit und die Streckgrenze der Stahllegierung, aber gleich·

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zeitig «erden Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit und Brucheinachnürung nerklich herabgesetzt. Ee erschien daher nicht geraten, legierte Stähle «it höheren Borgehalten herzustellen.

Derartige Stähle nit einem höheren Bargehalt «eisen nun in ihren GußgefOge balkenförmiga Printärbaride auf, die erhebliche mengen von Cr abzubinden vermögen. Oaraus ergibt sich die fflöglichkeit, Über die Erhöhung dee Cr-Gehaltes den Prozentsatz an Bor zu steigern und damit die Zusammensetzung der Stahllegierung ohne nachteilige Folgen für ihre mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen.

Der eben geschilderte Zusammenhang wird bei der vorliegenden Erfindung ausgenutzt, deren Aufgabe darin zu erblicken ist, ein borhal— tiges Abaorbermaterial für Kernreaktoren anzugeben, das eine hohe Stabilität und Temperaturbeständigkeit mit guten mechanischen Eigenschaften verbindet.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Veraendung einer austenitischen Cr-Ni-Stahllegierung mit einem annähernd Zeigen Gehalt an dem Borisotop B 10.

Der 2^ige B-10-Gehalt ist so berechnet, daß die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Absorbermaterials für eine mindestens 20jährige Betriebsdauer eines Kernreaktors gewährleistet ist. Der Borstahl kann daher auch für Reaktorbauteile veraendet «erden die während der Betriebsdauer nicht ausge«echselt «erden können, z.B. für das Kugelabzugsrohr umgebende Absorberschichten.

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Dae Absorbermaterial gemäß dar Erfindung kann beispielsweise die folgende Zusammensetzung haben:

36-38 % Chrom

6 - θ % Nickel

2 % Borisotop B 10

0,05 % Kohlenstoff

0,2 % Aluminium

Rest: Eisen

Die angegebenen Prozentsätze sind nur Richtwerte, die je nach Bedarf geändert «erden können. Der hohe Cr-Gehalt jedoch ist unbedingt erforderlich, da er die Grundlage für die Bildung einer hinreichenden Klenge Chromboriden darstellt. Der Prozentsatz an Kohlenstoff ist so gering «ie möglich zu halten, um die Entstehung von Chromkarbiden zu vermeiden.

Das erfindungsgamäße Absorbermaterial weist gegenüber dem Stand der Technik eine Anzahl von Vorteilen auf. So sind die in ihm enthaltenen Boride etabil und werden nicht von Wasserdampf zersetzt. Das Absorbermaterial ist nicht anfällig für Kornzerfall, da sein C-Gehalt nur sehr niedrig ist, und auch nach längerem Abbrand bzw. nach längerer Bestrahlung besitzt se noch ein hinreichend stabiles austenitieches GefUge, denn die dabei entstandenen Spaltatome He und Li können eich im Gußgefüge und in den Leerstellen festsetzen* Außerdem müssen der niedrige Preis und die unbegrenzte Verfügbarkeit des erfindungsgemäßen Absorbermaterials erwähnt werden sowie der Umstand, daß es leicht zu handhaben ist, was beim Auswechseln von Abschaltstäben von großem

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Nutzen ist. Der 2%Lga Anteil an B 10 in der Cr-Ni-Stahllegierung entspricht etwa 10 % Bor im natürlichen Isotopengemisch, und das erfindungsgemäße Absorbermaterial läßt sich vorteilhaft dadurch herstellen, daß einer Cr-Ni-Stahllegierung der genannten Zusammensetzung 10 % des natürlichen Borisotopengemisches beigegeben «erden. Für die Veraendung des Absorbermaterials in Abschaltstäben wird es zweckmäßig in Form von Hohlkörpern hergestellt, die beispielsweise einen Außendurchmesser von 12 cm und einen Innendurchmesser von 6 cm haben und 150 cm lang sind. Vier derartiger Hohlkörper bilden zusammen einen Abschaltstab. Die Herstellung einer Cr-Ni-Stahllegierung mit einem 2^igen Gehalt an B 10 kann jedoch auch realisiert werden, ohne daß die Stahllegierung den hohen Prozentsatz van 10 % Bor aufweist. So kann vorteilhaft ein Gehalt von 7,5 bis 8,5 % Bor gewählt werden, das jedoch nicht im natürlichen Isotopengemisch vorliegt, sondern dessen B-10-Komponente angereichert ist. Ein derartiges Absorbermaterial hat die gleiche Wirksamkeit wie das vorher beschriebene, läßt sich jedoch vom metallurgischen Standpunkt aus leichter herstellen. Vorteilhaft wird das Bor der Cr-Ni-Stahllegierung in Form von Ferrobor zugesetzt, das im Handel angeboten wird. Die Cr-Ni-Stahllegierung wird im Hochvakuum erschmolzen und mit den Borzuschlag versetzt. Es empfiehlt sich auch, der Cr-Ni-Stahllegierung einen geringen Prozentsatz von Titan beizugeben, um den in der Legierung vorhandenen Kohlenstoff in Form von Titankarbid abzubinden. Diese IaQ-nahme wirkt der Entstehung von Chromkarbiden entgegen.

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Es kann auch zweckmäßig sein, die Cr-Ni-Stahllegierung im pulvermetallurgischen Verfahren in einer Schutzatmosphäre von Helium oder Argon zu verdichten. Vorteilhaft schließt sich daran ein Sintarungeprozeß im Hochvakuum an.

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Claims (7)

BROUlN BQUERi/KRUPP Reaktorbau GmbH Mannheim, den Dez. 196( Pat/Shm/Ro R 146 Patentansprüche :

1) Barhaitigas Absorbermaterial für Kernreaktoren, gekennzeichnet durch die Verwendung einer austenitischen Cr-Ni-Stahllegierung mit einem annähernd 2%igen Gehalt an dem Borisotop B 10.

2) Borhaltiges Absorbermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der 2j£ige B 10-Gehalt durch die Zugabe von 10 % Bor des natürlichen Isotopengemisches realisiert ist.

3) Borhaitigas Absorbermaterial nach Anspruch 1, dad u r c h gekennzeichnet, daß der 2^ige B 10-Gehalt durch die Zugabe von 7,5 bis 8,5 % Bor eines Isotopengemischas realisiert ist, dessen Komponente B 10 angereichert ist.

4) Verfahren zur Herstellung eines borhaltigen Absorbermaterials nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das Bor in Form von Ferrobor einer im Hochvakuum zu erschmelzenden Cr-Ni-Stahllegierung beigegeben sird.

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5) Verfahren nach Anapruch 4, dadurch gekennzeichnet, daO der Schmelze ein geringer Prozentaatz von Titan zugesetzt «ird.

6) Verfahren nach Anapruch 4, dadurch gekennzeichnet, daO die Cr-Ni-Stahllegierung in pulver-■etallurgischan Verfahren in einer Schutzatmosphäre von Helium oder Argon verdichtet wird.

7) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Cr-Ni-Stahllegierung nach erfolgter Verdichtung im Hochvakuum gesintert wird.

BAD ORIGINAL

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