DE1539978C - Verfahren zum Herstellen von drahtförmigen Brennstoff- und/oder Brutstoff elementen - Google Patents
Verfahren zum Herstellen von drahtförmigen Brennstoff- und/oder Brutstoff elementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von drahtförmigen Brennstoff- und/oder Brutstoffelementen
für Hochtemperaturreaktoren, bei dem drahtförmige Träger mit einer Brennstoffschicht
und über und gegebenenfalls unter dieser Brennstoffschicht mit einer weiteren Schicht aus spalt- und
brutstofffreien, hochtemperaturbeständigen Stoffen versehen werden.
Das Aufbringen von Kernbrenn- und/oder -brutstoffen auf Drähte, Fasern durch Vakuumbedampfung,
elektrische oder elektrochemische Beaufschlagung usw. ist bekannt, wobei vor allem Wert auf
eine feine Verteilung des Kernbrenn- oder -brutstoffes gelegt wird, um die entstehenden Spaltprodukte
rasch mit Hilfe des Kühlmittels entfernen zu können (deutsche Auslegeschrift 1 037 607).
Des weiteren sind auch Verfahren bekannt, nach denen zwei Metallfolien, von denen eine aus Kernbrennstoffmaterial
besteht oder eine mit Kernbrennstoffmaterial beschichtete Metallfolie zu Drähten aufgewickelt
werden, die dann in Behältern nach klassischen Metallverformungsverfahren zu Rohren, Stangen
und Platten gepreßt werden (belgische Patentschrift 645 782).
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, den Kernbrenn- und/oder -brutstoff für den Einsatz in
Hochtemperaturreaktoren in nichtmetallischer Form auf einen drahtförmigen Träger zu bringen, da die
metallischen Brennstoffe bei den hohen Temperaturen dieses Reaktortyps flüssig sind. Die verwendeten
Drähte müssen demzufolge ebenfalls aus hochtemperaturbeständigen Materialien bestehen.
Im Gegensatz zu den Reaktortypen, in denen obengenannte Brennelemente mit Drähten, Fasern od. ä.
als Trägermaterial verwendet werden, streben die heute bekannten'Konzepte für Hochtemperaturreaktoren
an, daß die gebildeten Spaltprodukte möglichst vollständig im Brennelement bleiben, damit das Kühlmittel
(Helium) möglichst wenig radioaktiv ist. Man erreicht dieses Ziel nach bekannten Verfahren, indem
der Kernbrenn- und/oder -brutstoff in die Form kleiner Kügelchen von etwa 0,5 mm Durchmesser gebracht
wird, die dann mit Stoffen wie Pyrokohlenstoff oder Siliciumkarbid in einem Fließbettofen
durch Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen oder SiIiciumkohlenwasserstoffen beschichtet werden (belgische
Patentschrift 630 760). Diese Beschichtung dient zur Zurückhaltung der gebildeten Spaltprodukte.
Nachteilig ist dabei jedoch, daß sich die Kernbrennstoffkügelchen nicht alle gleichmäßig in dem Fließbettofen
beschichten lassen. Einige der Teilchen sind noch nicht beschichtet, und diese übertragen dann den
Kernbrenn- und/oder -brutstoff durch Berührung mit bereits beschichteten Kügelchen auf und in die Schichten.
Die daraus resultierende Kontaminierung der Hüllschichten verursacht eine unerwünscht hohe Spaltproduktfreisetzung
während des Reaktorbetriebes.
Aufgabe der Erfindung ist es demzufolge, spaltproduktrückhaltende
Schichten so aufzubringen, daß eine Berührung von bereits beschichtetem und noch
nicht beschichtetem Kernbrenn- und/oder -brutstoff nicht mehr stattfindet.
Hierzu werden gemäß der Erfindung die drahtförmigen Träger aus hochtemperaturbeständigem
Material während des Beschichtungsvorganges frei gehalten und in bekannter Weise mit der Schicht aus
Spalt- oder Brutstoff und der Hüllschicht und gegebenenfalls der Zwischenschicht aus Spaltprodukte
rückhaltefähigem Material mit einer solchen Gesamtdicke versehen, daß sich ein Verhältnis von Drahtradius
zur Dicke der Schichten von ungefähr 1:4 ergibt. Vorzugsweise werden Trägerdrähte mit einem
Durchmesser von Vzo mm verwendet.
Durch die Verwendung solcher Trägerelemente werden die Verfahren zur gleichmäßigen Beschichtung
vereinfacht und verbessert. Wird nämlich das Trägerelement während des Beschichtungsvorganges
ίο frei gehalten, so ist ohne. besonderen Aufwand und
ohne zusätzliche Einrichtungen eine gleichmäßige Beschichtung desTrägerelements von allen Seiten möglich.
Bei der Herstellung beschichteter drahtförmiger Träger müssen zunächst die Kernbrenn- oder Kernbrutstoffe
oder beide als Schicht bzw. als Schichten aufgebracht werden. Hierbei hat es sich als besonders
vorteilhaft erwiesen, vor oder hinter der Schicht bzw.
vor, zwischen und hinter diesen Schichten Schichten aus anderem Material aufzubringen, wobei eine oder
ao mehrere der äußeren Schichten vorzugsweise die Aufgabe haben, ein vollständiges oder teilweises Freiwerden
von Spaltprodukten zu verhindern.
Werden als Trägerelemente beispielsweise Drähte aus hochschmelzenden Metallen, wie Molybdän,
Wolfram, Tantal oder Chrom, verwendet, so ist auf Grund der mechanischen Eigenschaften dieser Metalle
eine Beschichtung auch bei Temperaturen über 2000° C gegenüber den herkömmlichen Beschichtungsverfahren
bei etwa 800° bis 1900° C möglich. Je höher die Temperatur während der Beschichtung ist,
desto widerstandsfähiger sind die erhaltenen Schichten während des Betriebes. Selbst bei Temperaturen
über 2000° C können die Abmessungen der Träger so gehalten werden, daß der Gesamtdurchmesser der
beschichteten Drähte kaum größer ist als der Durchmesser der in Hochtemperaturreaktoren meist verwendeten beschichteten, kugelförmigen Teilchen,
der einige zehntel Millimeter beträgt. Die mechanischen Eigenschaften der hochschmelzenden Metalle
werden am folgenden Beispiel aufgezeigt:
Besteht das Trägerelement aus einem Tantaldraht, dessen Durchmesser V20 mm beträgt, so darf der Zug
bei 1600° C noch in der Größenordnung von einigen hundertstel Kilopond sein, ohne daß die Hälfte der
Zerreißspannung überschritten wird.
Die Trägerelemente und die aufgebrachten Schichten weisen im allgemeinen eine verschiedene thermisehe
Ausdehnung auf. Die Schichten werden bei hohen Temperaturen aufgebracht. Beim Erkalten er-
-geben sich dann Spannungen auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung. Es können
daher nur solche Stoffe miteinander kombiniert werden, die beim Erkalten den beschichteten Draht nicht
funktionsunfähig machen.
Wird beispielsweise als Trägerelement ein Draht aus einem der angeführten hochschmelzenden Metalle
verwendet und pyrolytischer Graphit in Schichten aufgebracht, um ein Freiwerden von Spaltprodukten
zu verhindern, so ist die thermische Ausdehnung der genannten Schichten geringer als die des Drahtes.
Bei dem geforderten Verhältnis von Drahtradius zur Dicke der Schichten von ungefähr 1:4 reißt der
Draht beim Erkalten jedoch nicht; er wird lediglich vorgespannt.
Der beschichtete Draht läßt sich bis zu einem gewissen Grad biegen, ohne daß er funktionsunfähig
wird. Das Verhältnis von Biegeradius zum Gesamtdurchmesser des beschichteten Drahtes liegt im Falle
des oben angegebenen Beispiels in der Größenordnung von 500 bis 1000.
Grundsätzlich können die beschichteten Drähte oder Stäbe auch in thermischen Reaktoren verwendet
werden. Dabei ist zu beachten, daß der Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen beim Trägerelement
nicht zu hoch sein darf. Bei der Verwendung eines Trägerelements, dessen thermischer Wirkungsquerschnitt
größer als einige Barn ist, ergeben sich nur dann keine Schwierigkeiten, wenn das Trägerelement
im Vergleich zu den Schichten so dünn gehalten werden kann, daß sich der Gesamtquerschnitt
nur wenig verändert. Dies ist bei den hochschmelzenden Metallen der Fall.
Claims (2)
1. Verfahren zum Herstellen von drahtförmigen Brennstoff- und/oder Brutstoffelementen für
Hochtemperaturreaktoren, bei dem drahtförmige Träger mit einer Brennstoffschicht und über und
gegebenenfalls unter dieser Brennstoffschicht mit einer weiteren Schicht aus spalt- und brutstofffreien,
hochtemperaturbeständigen Stoffen versehen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmigen Träger aus hochtemperaturbeständigem
Material während des Beschichtungsvorganges frei gehalten und mit der Schicht aus Spalt- oder Brutstoff und der Hüllschicht und
gegebenenfalls der Zwischenschicht aus Spaltprodukte rückhaltefähigem Material mit einer solchen
Gesamtdicke versehen werden, daß sich ein Verhältnis von Drahtradius zur Dicke der Schichten
von ungefähr 1: 4 ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Trägerdrähte mit einem Durchmesser
von V20 mm verwendet werden.
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