DE1571518C - Verwendung von überzogenen Partikeln aus Kernbrennstoff für einen Kernreaktor sowie Verfahren zur Herstellung solcher Kernbrennstoffpartikel - Google Patents

Description

brennstoffpartikeln die zuvor aufgezeigten nachteiligen Eigenschaften hinsichtlich der Spaltprodukte, und zwar insbesondere, wenn sie über längere Zeit hinweg in einem Kernreaktor verwendet werden.

Es ist schließlich auch schon ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffmaterials mittels Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 205 881), bei dem die Teilchen eines oder mehrerer Karbide eines spaltbaren Metalls mit dem Kohlenwasserstoffgas bei einer Temperatur in Berührung gebracht werden, bei welcher Kohlenstoff auf ■der Oberfläche der Teilchen abgelagert wird und eine Schale aus Kohlenstoff bildet, die aus parallel zur Oberfläche der Karbidteilchen ausgerichteten abgelagerten Schichten besteht. Auch bei in dieser Weise hergestellten Kernbrennstoff materialien zeigen sich die .zuvor erwähnten Schwierigkeiten im Hinblick auf die Zurückhaltung von Spaltprodukten.

Es ist im übrigen auch schon ein Kernbrennstoffteil bekannt (britische Patentschrift 998 247), das eine Mittelseele mit einem ersten Überzug aus porösem, dämpfendem pyrolytischem Kohlenstoff geringer Dichte aufweist, der bei Benutzung der Kernbrennstoffseele Wärmebelastungen aufnimmt und die Zerfallstöße abschwächt. Dieser poröse Kohlenstoffüberzug wird von einem dichten, festen äußeren Überzug umschlossen. Verschiedene Arten von dichten, wärmeleitenden äußeren Überzügen aus pyrolytischem Kohlenstoff sind dabei bekannt, wobei einige zusammen mit einer inneren Zwischenlage aus einem Material, wie etwa Siliziumkarbid, Zirkonkarbid oder Niobkarbid, benutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie in einem Kernreaktor Spaltprodukte des verwendeten Kernbrennstoffs auf wirksamere Weise über längere Zeitspannen als bisher zurückgehalten werden können.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei Verwendung von überzogenen Partikeln aus Kernbrennstoff für einen Kernreaktor entsprechend der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß der Schutzüberzug eine Innenschicht aus einem eine geringe Dichte besitzenden Pyrokohlenstoff und •eine dichte durchgehende Schicht aus isotropem Kohlenstoff mit einer Kristallgröße von zumindest 100 Ä enthält und daß der Dichtewert der die geringere Dichte aufweisenden Innenschicht um zumindest 25?/₀ niedriger ist als der Dichtewert der aus dichtem isotropem Kohlenstoff bestehenden Schicht. Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß sie auf relativ ■einfache Weise, nämlich durch die Aufteilung des Schutzüberzugs in zwei Schichten, erreicht, daß innerhalb eines mit einem solchen Schutzüberzug überzogenen Partikels aus Kernbrennstoff auftretende Spaltprodukte auch während längerer Betriebszeit eines mit ■derartigen Kernbrennstoffpartikeln arbeitenden Kernreaktors nicht durch den betreffenden Schutzüberzug hindurchzudringen vermögen.

Zur Herstellung von mit einem Schutzüberzug überzogenen Kernbrennstoffpartikeln gemäß der Erfindung ist es zweckmäßig, ein Verfahren anzuwenden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die mit Pyrokohlenstoff zu überziehenden Partikeln bei Behandlung mit einem eine Kohlenstoff enthaltende Substanz mit sich führenden Gasstrom derart erhitzt werden und daß die Größe der Partikelschicht dabei derart reguliert wird, daß die gesamte in cm² gemessene Ablagerungsoberfläche zu dem in cm³ gemessenen Hohlraum einer die betreffenden Partikeln aufnehmenden Aufnahmeeinrichtung bei einem Verhältnis von zumindest 5:1 gehalten wird, bei dem dichter isotroper Kohlenstoff auf den Oberflächen der Partikeln abgelagert wird. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, Pyrokohlenstoff auf die in einer Partikelschicht enthaltenen Partikeln auf besonders einfache Weise in der gewünschten Dichte ablagern zu können.
An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

F i g. 1 zeigt in graphischer Darstellung die physikalischen Eigenschaften von pyrolytischem Kohlenstoff, der in einer Wirbelschichtvorrichtung mit einem Innendurchmesser von 3,8 cm aus einer Methan-Helium-Gasmischung bei einer Kontaktzeit von etwa 0,1 Sekunden und bei einer Gesamt-Anfangsabscheidefläche von etwa 1000 cm² abgeschieden wurde;

F i g. 2 zeigt in graphischer Darstellung die Geschwindigkeit der Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff als Funktion der Methankonzentration einer Methan-Helium-Mischung in einer 3,8 cm starken Wirbelschichtvorrichtung mit einer gesamten Anfangsabscheidefläche wie beschrieben. Die Arbeitstemperatur beträgt 2100° C, und die Strömungsgeschwindigkeit ist so, daß die Kontaktzeit etwa 0,1 Sekunden beträgt;

F i g. 3 zeigt in graphischer Darstellung den Übergang von einer kristallinen Form des pyrolytischen Kohlenstoffs in eine andere durch Änderung der gesamten Abscheidefläche, der Methankonzentration und der Abscheidetemperatur bei einer Kontaktzeit von etwa 0,05 Sekunden;

F i g. 4 zeigt ein Diagramm der Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff in einer Wirbelschichtvorrichtung von 3,8 cm Stärke aus einer Methan-Helium-Mischung, die 20 Volumprozent Methan enthält, und bei einer Kontaktzeit von 0,1 Sekunden. Es ist der Einfluß der Änderung der gesamten Abscheidefläche auf die Dichte des abgeschiedenen Kohlenstoffs zu erkennen;

F i g. 5 zeigt ein Diagramm der Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff in einer Wirbelschichtvorrichtung von 3,8 cm Stärke aus einer Methan-Helium-Mischung, die 20 Volumprozent Methan enthält, bei einer gesamten Anf angsabscheidefläche von 1000 cm². Es ist der Einfluß der Änderung der Kontaktzeit auf die Dichte des abgeschiedenen Kohlenstoffs zu erkennen;
F i g. 6 zeigt ein Diagramm der Dichteänderung im pyrolytischen Kohlenstoff, wenn dieser bei etwa 1040° C einer Neutronenbestrahlung von insgesamt 2,4-10²¹NVT ausgesetzt ist (es werden Neutronen benutzt, deren Energie größer als 0,18 MeV ist);

F i g. 7 zeigt ein Diagramm der Größenänderungen im Gefüge des pyrolytischen Kohlenstoffs, der einer Neutronenbestrahlung, wie in F i g. 6 angegeben, ausgesetzt ist, als Funktion des Grades von Anisotropie des Gefüges.
Im wesentlichen bezieht sich die Erfindung auf dichte isotropische Gefüge von pyrolytischem Kohlenstoff und auf Verfahren zur wirtschaftlichen Abscheidung solcher Gefüge. Im Vergleich zu anderen Formen von pyrolytischem Kohlenstoff kann dichter isotropischer Kohlenstoff die größten elastischen Beanspruchungen aufnehmen, bevor er bricht, und er hat weit größere Größenstabilität, wenn er einer Bestrahlung mit schnellen Neutronen ausgesetzt ist. Es soll ferner ein Erzeugnis mit einer Mittelseele geschaffen werden, die

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von einer durchgehenden Schicht aus dichtem isotro- tropischen Kohlenstoffs. Deshalb reicht für verhältnis-

pischem Kohlenstoff umgeben ist. mäßig geringe Dosen von Neutronenbestrahlung ein

Obwohl die folgende Beschreibung hauptsächlich isotropischer Kohlenstoff mit einer Dichte von etwa auf überzogene Teile gerichtet ist, insbesondere auf 1,8 g/cm³ aus, während für höhere Dosen von Neusolche, die Kernbrennstoff oder Neutronenvergifter 5 tronenbestrahlung zur Erreichung der gleichen Ergebenthalten, ist es klar, daß die Erfindung auch für ver- nisse ein Kohlenstoff mit einer Dichte von 2,0 und schiedene Anwendungen außerhalb der Kerntechnik größer erforderlich ist.

geeignet ist, insbesondere für Vorgänge, bei denen eine Dichter isotropischer pyrolytischer Kohlenstoff, wie Hochtemperatur-Stabilität wichtig ist. Beispielsweise er vorstehend definiert ist, hat eine gute Wärmeleitist pyrolytischer Kohlenstoff mit dem Gefüge von io fähigkeit, die in Richtungen parallel und senkrecht zu dichtem isotropischem Kohlenstoff für Schmelztiegel, den Abscheidungsebenen fast gleich ist. Dieser pyroly-Brenndüsen usw. geeignet. tische Kohlenstoff ist ferner durch verhältnismäßig

Die Eigenschaften des abgeschiedenen pyrolytischen ' hohe Spannungs- und Verformungsfestigkeit gekenn-

Kohlenstoffs hängen vom Verwendungszweck ab. zeichnet. Außerdem zeigt der dichte, fast isotropische

Sollen mit dem pyrolytischen Kohlenstoff Erzeugnisse 15 pyrolytische Kohlenstoff nach einer Neutronenbestrah-

überzogen werden, beispielsweise Teile von Kern- ■ lung mit insgesamt 2,4 · 10²¹NVT (£>0,18 MeV) bei

brennstoff, so hängen die Eigenschaften des abgeschie- ■ 1040⁰C eine Größenänderung von weniger als 3%.

denen Kohlenstoffs von der besonderen Anwendung Zusätzlich zum vorstehend Gesagten soll die Kristall-

der fertigen Erzeugnisse ab. größe oder die scheinbare Kristallgröße des isotro-

Der Träger, auf dem der isotropische pyrolytische 20 pischen Kohlenstoffs so groß wie möglich sein. Eine Kohlenstoff abgeschieden wird, kann aus irgendeinem Größe zwischen etwa 100 und 200 Ängström ist ausgeeigneten Material bestehen, das bei der verhältnis- reichend. Die scheinbare Kristallgröße, hier mit L_c bemäßig hohen Temperatur, bei der die Wärme- zeichnet, kann mit einem Röntgenstrahlbeugungsmeßumsetzung stattfindet, beispielsweise oberhalb von gerät gemessen werden. In diesem Fall ist
1800⁰C, stabil ist. Ist der Träger ein einheitlicher Be-. 25

standteil des hergestellten Erzeugnisses, wie beim 0,89 λ ,

Überziehen von Kernbrennstoffteilen, so wird der be- ■ ^{p =} β _cos q '

sondere gewählte Träger durch die Verwendung des ·

Erzeugnisses bestimmt. Ist der Träger unwichtig, wie wobei

besonders beim Abscheiden von massivem pyroly- 30

tischem Kohlenstoff auf einem später zu entfernenden λ die Wellenlänge in Ängström,

Kern, so kann irgendein billiger Träger, beispielsweise β die halbe Höhe des (002)-Linienabstandes und

handelsüblicher dichter Graphit, verwendet werden. Θ der Braggsche Winkel ist.

Es hat sich gezeigt, daß dichter pyrolytischer Kohlenstoff, der isotropisch ist, eine sehr gute mechanische 35 Es hat sich gezeigt, daß isotropischer pyrolytischer Festigkeit und Größenstabilität hat, auch wenn er Kohlenstoff mit einer Kristallgröße oberhalb von einer Bestrahlung mit schnellen Neutronen ausgesetzt 100 Ä bei großer Neutronenbestrahlung eine ausist. Die Messung, ob das Kohlenstoffgefüge isotröpisch reichende Stabilität hat. Dichter isotropischer Kohlenist, kann mit Hilfe von Röntgenstrahlbeugungen er- stoff dieser Kristallgröße ist widerstandsfähiger gegen mittelt werden, aus deren Intensitätsschwankungen bei 40 Beschädigungen durch dauernde Neutronenbestrahder Beugung durch die Schichtebenen der Bacon- lung als Kohlenstoff mit geringerer Kristallgröße und Anisotropie-Faktor bestimmt werden kann. Der Bacon- daher besonders für Anwendungen geeignet, bei denen Anisotropie-Faktor, im folgenden ΒΑ-Faktor ge- der Kohlenstoff sich in einer Umgebung mit großem nannt, ist ein Maß für die bevorzugte Orientierung der Neutronenstrom, beispielsweise das Innere eines Kern-Schichtebenen des Kohlenstoff gefüges. Die Technik 45 reaktors, befindet.

der Messung und die Meßwertskala ist dem Artikel Es hat sich gezeigt, daß ein direkter Zusammenhang »A Method for Determining the Degree of Orientation zwischen der Dichte des pyrolytischen Kohlenstoffs of Graphite« von G. E. Bacon in »Journal of und der Widerstandsfähigkeit gegen Änderungen durch Applied Chemistry«, Vol. 6,1956, S. 477, zu entnehmen. Neutronenbestrahlung besteht. Fig. 6 zeigt diesen Im Sinne dieser Anwendung wird isotropischer Kohlen- 50 Zusammenhang. Man erkennt, daß bei pyrolytischem stoff als Kohlenstoff mit einem Meßwert zwischen 1,0 Kohlenstoff größerer Dichte eine geringere prozen-(niedrigster Punkt der Baconskala) und etwa 1,3 auf tuale Dichteänderung bei Neutronenbestrahlung erder Baconskala festgelegt. folgt als bei einem geringerer Dichte. Das Diagramm

Damit der isotropische pyrolytische Kohlenstoff die zeigt, daß pyrolytischer Kohlenstoff verhältnismäßig gewünschten Eigenschaften, gute mechanische Festig- 55 geringer Anfangsdichte erheblich im Volumen keit und Gefügestabilität bei Neutronenbestrahlung, schrumpft und daher seine Größe ändert, wenn er hat, soll er unter solchen Bedingungen abgeschieden einer Bestrahlung mit schnellen Neutronen ausgesetzt werden, daß er dicht ist. Die Größenstabilität bei Neu- ist. Diese Volumenverringerung erhöht die Dichte,
tronenbestrahlung vergrößert sich mit Vergrößerung Es hat sich ferner gezeigt, daß die Größenänderungen der Dichte. Im allgemeinen sollten die Abscheide- 60 von pyrolytischen Kohlenstoffen etwa gleicher Dichte bedingungen so eingestellt werden, daß die Dichte des als Folge der bevorzugten Orientierungen der Kristallisotropischen pyrolytischen Kohlenstoffs so groß wie gefüge schwanken. Dieser Zusammenhang ist in theoretisch möglich wird, d. h. 2,21 g/cm³ und min- F i g. 7 gezeigt, in der die prozentualen Größenändedestens 1,8 g/cm³. Es ist klar, daß die gewünschte rungen als Funktion des »R«-Wertes des pyrolytischen Dichte des isotropischen Kohlenstoffs von der An-. 65 Kohlenstoffs dargestellt sind. Der »R«-Wert ist ein wendung abhängt. Je größer die Dosis der erwarteten Maß für die Anisotropie des Gefüges und hängt mit Neutronenbestrahlung ist, desto größer ist die zur dem ΒΑ-Faktor zusammen. Der »R«-Wert hängt von Erhaltung der Stabilität erforderliche Dichte des iso- der Meßebene ab. Zu seiner Definition sind zwei

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unabhängige Größen erforderlich. Einer für die Rieh- ziehen sich parallel zur (002)-Ebene zusammen. Ist die

tung senkrecht zur Abscheideebene, Dichte des pyrolytischen Kohlenstoffs verhältnismäßig

gering, so unterliegt das Gefüge außerdem einer Dichte-

D __ 2 vergrößerung infolge der Bestrahlung mit schnellen

■*- bap _|_ 2 ' 5 Neutronen (s. F i g. 6). Bei rein isotropischem Kohlenstoff, bei dem die Kristalle willkürlich zueinander

und einer für das Maß der Anisotropie in paralleler orientiert sind, heben sich die vorstehend beschriebenen

Richtung, Ausdehnungen und Zusammenziehungen in kleinen

Bereichen auf. Demgemäß hat isotropischer pyroly-

j> _ ι _ Rj ίο tischer Kohlenstoff hoher Dichte und mit einem BA-

" 2 ' Faktor zwischen etwa 1,0 und 1,3 eine gute Strahlungs-

' festigkeit.

Demgemäß hat ein reines isotropisches Gefüge einen Die in F i g. 7 dargestellten Größenänderungen Wert von 0,667 (²/₃) auf der »R«-Skala. Wie F i g. 7 sind an Proben von pyrolytischem Kohlenstoff gezu entnehmen, entsprechen »R«-Werte unterhalb von 15 messen, die von dem Träger, auf dem sie abgeschieden 0,667 (²I₃) einem Anisotropiewert in senkrechter Rieh- waren, abgezogen wurden. Wenn die Strahlung auf tung und solche oberhalb von 0,667 (²/₃) einem in die zusammengesetzten Erzeugnisse aus Träger und paralleler Richtung. Ein rein anisotropisches Gefüge Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff fällt, so hat wird durch die »R«-Werte 0,0 und 1,0 gekennzeichnet, der pyrolytische Kohlenstoff einen Halt, der die wobei der »R«-Wert 0,0 der senkrechten Richtung ent- 20 Größenänderung verringert und diese zu einer Bespricht und bedeutet, daß keine der »a«-Kristallachsen lastung innerhalb des Kohlenstoffgefüges dämpft. Verin dieser Richtung orientiert sind, während ein gleichsbestrahlungen von überzogenen Platten des »R«-Wert von 1,0 der parallelen Richtung entspricht, gleichen Aufbaus wie die Proben, die durch den in der alle »a«-Kristallachsen orientiert sind. Punkt A in F i g. 7 gekennzeichnet sind, zeigen eine

Die Werte für die in F i g. 7 eingezeichneten Punkte 25 Formänderung von 3 °/₀. Diese wird vollkommen

erhielt man durch Abscheiden von pyrolytischem innerhalb des Kohlenstoffgefüges aufgenommen. Sie

Kohlenstoff auf kleine Graphitplatten, die in einer ist eine Kombination von Kriechverformungen und

Wirbelschichtvorrichtung zusammen mit einer Menge elastischen Verformungen. Daher erfolgt kein Reißen

von Teilchen mit einem Durchmesser von 300 bis des Gefüges von pyrolytischem Kohlenstoff. Dem-

400 Mikron zusammengefaßt waren. Die kleinen 30 gemäß hat das Gefüge eines solchen pyrolytischen

Graphitplatten sind rund, haben einen Durchmesser Kohlenstoffs eine gute Strahlungsfestigkeit,

von etwa 7 mm und eine Stärke von etwa 1,0 mm. In Obwohl F ig.·7 zu entnehmen ist, daß viele Eigen-

jedem Fall wird auf den Teilchen und den Platten eine schäften des dichten körnigen Kohlenstoffs mit denen

Schicht pyrolytischen Kohlenstoffs von etwa 100 Mi- von dichtem isotropischen Kohlenstoff vergleichbar

krön Stärke abgeschieden. Proben pyrolytischen Koh- 35 sind, besteht ein wesentlicher Unterschied in der Wirt-

lenstoffs von etwa 6 mm Länge, etwa 1,0 mm Breite Schädlichkeit der Herstellung dieser Kohlenstoffgefüge.

und etwa 0,1 mm Stärke werden von den Platten abge- Obwohl Verfahren zum Abscheiden von pyrolytischem

zogen. Die Proben werden auf mechanische Festig- Kohlenstoff im folgenden ausführlicher beschrieben

keit geprüft^ und einer Neutronenbestrahlung von werden, kann allgemein gesagt werden, daß die Ge-

2,4 · 10²¹ NVT (£>1,8 MeV) ausgesetzt, um die da- 40 samtoberfläche, auf der isotropischer Kohlenstoff in

durch hervorgerufenen Größenänderungen zu messen. einer gegebenen Vorrichtung abgeschieden werden

Punkt A in F i g. 7 zeigt, daß ein isotropischer pyro- kann, die, auf der vergleichbarer körniger pyrolylytischer Kohlenstoff mit einer Dichte von etwa 2,0 g tischer Kohlenstoff abgeschieden werden kann, minm/cm³ und einem ΒΑ-Faktor von etwa 1,3 eine Ver- destens um den Faktor 2 übersteigt. Wie in F i g. 2 kleinerung parallel zu den Abscheideebenen um etwa 45 zu erkennen ist, übersteigt auch die Abscheide-5 % und eine Vergrößerung senkrecht dazu um etwa geschwindigkeit von isotropischem Kohlenstoff die 6,5% hat. Punkt B in F i g. 7 zeigt, daß ein körniger von körnigem Kohlenstoff mindestens um den Faktor 2. pyrolytischer Kohlenstoff mit einer Dichte von etwa Deshalb überschreitet die Herstellungsgeschwindigkeit 2,0 g m/cm³ und einem ΒΑ-Faktor von etwa 1,1 senk- in einer Vorrichtung bei isotropischem Kohlenstoff die recht zur Abscheideebene einer Vergrößerung um 50 bei körnigem Kohlenstoff mindestens um den Faktor 4. etwa 4°/o und parallel zur Abscheideebene einer Ver- Da das Überziehen ein Chargenvorgang ist und ein kleinerung um etwa 4 % ausgesetzt ist. Punkt C zeigt, großer Teil der gesamten Überzugszeit für Laden— daß plattenförmiger pyrolytischer Kohlenstoff mit Entladen und Heizen—Abkühlen der Vorrichtung beeiner Dichte von etwa 2,1 g m/cm³, jedoch mit einem nötigt wird, nämlich etwa 15% der gesamten Über-BA-Faktor von etwa 3,5, senkrecht zur Abscheide- 55 zugszeit, ist der Überzugsvorgang um so wirtschaftebene einer Vergrößerung um etwa 45% und parallel licher, je größer die Charge ist. Diese Zeit, während dazu einer Verkleinerung um etwa 19 % unterliegt. der die Vorrichtung außer Betrieb ist, zeigt den wirt-Punkt D im Diagramm zeigt, daß isotropischer pyro- schaftlichen Vorteil von isotropischem gegenüber körlytischer Kohlenstoff mit einer Dichte von etwa 1,8 nigem Kohlenstoff. Daher ergibt sich bei Berücksichti- und einem ΒΑ-Faktor von etwa 1,1 senkrecht zur Ab- 60 gung des vorstehend Beschriebenen ein erheblicher scheideebene eine Verkleinerung von 2 % und parallel Unterschied in den Fertigungskosten bei der Verwendazu eine Verkleinerung von 5 % hat. Außerdem zeigt dung von isotropischem Kohlenstoff und bei der Verdas Diagramm keine Größenänderung für vollkommen Wendung von körnigem Kohlenstoff,
dichten Kohlenstoff, der ideal isotropisch ist, d. h. In den meisten Fällen ist es erwünscht, daß der pyroeinen »R«-Wert von 0,667 (BA-Faktor = 1,0) hat. 65 lytische Kohlenstoff gleichförmig auf dem Träger ab-

Wird pyrolytischer Kohlenstoff mit schnellen Neu- geschieden wird. Wird der pyrolytische Kohlenstoff

tronen bestrahlt, so ändern die einzelnen Kristalle die als Überzug auf kleinen Teilen abgeschieden, so werden

Form. Sie dehnen sich in der (002)-Richtung aus und diese, um einen gleichförmigen Überzug zu erhalten,

während der Abscheidung bewegt. Die Bewegung der Teile kann in einer Wirbelschichtvorrichtung oder in einer Drehtrommelvorrichtung erfolgen, bei denen geeignete Anordnungen vorgesehen sein können, durch die die Teile bewegt werden, während sie einem Gasstrom ausgesetzt sind. Das bevorzugte Verfahren zum Überziehen von kleinen Teilen mit isotropischem Kohlenstoff ist das Abscheiden von pyrolytischem Kohlenstoff durch Umsetzung bei hoher Temperatur in einer Wirbelschichtvorrichtung.

Es war überraschend, daß kristalliner, sehr dichter pyrolytischer Kohlenstoff durch pyrolytische Umsetzung abgeschieden werden konnte. Bisherige Versuche auf diesem Gebiet führten zu der Annahme, daß Bedingungen, unter denen man willkürlich orientierten Kohlenstoff abscheiden konnte, zu Abscheidungen geringer Dichte führten. Das kristalline Gefüge und die Dichte des pyrolytischen Kohlenstoffs, der durch Wärmeumsetzung einer verdampften kohlenstoffhaltigen Substanz abgeschieden wird, hängen von verschiedenen voneinander abhängigen Betriebsbedingungen des verwendeten Überzugsgerätes ab. Diese Bedingungen umfassen die Temperatur des Trägers, auf dem die Abscheidung erfolgt, den Partialdruck der verwendeten verdampften kohlenstoffhaltigen Substanz, die gesamte Abscheidungsoberfläche des Bereichs, in dem die Abscheidung im Überzugsgerät stattfindet, die Kontaktzeit (die mittlere Zeit, während der die einzelnen Moleküle der kohlenstoffhaltigen Substanz im aktiven Abscheidebereich des Überzugsgerätes sind) und den besonderen Gesamtzustand der Atmosphäre, aus der die Abscheidung erfolgt. Die Abhängigkeiten werden im folgenden im einzelnen behandelt und sind in verschiedenen Diagrammen dargestellt.

Es kann irgendeine kohlenstoffhaltige Substanz verwendet werden, die bei hoher Temperatur umgesetzt werden kann, so daß sie pyrolytischen Kohlenstoff auf einem geheizten Träger abscheidet. Dies können sowohl Substanzen sein, die bei Raumtemperatur gasförmig sind, als auch solche, die nicht bei Raumtemperatur gasförmig sind, aber bei einer Temperatur unterhalb der Umsetzungstemperatur verdampfen. Es ist sehr zweckmäßig, Kohlenwasserstoffgase mit verhältnismäßig kleinen Kohlenstoffketten, beispielsweise Butan und niedrigere, zu verwenden. Vorzugsweise werden gasförmige Kohlenwasserstoffe benutzt. Methan ist besonders für eine Wirbelschichtbeschichtung geeignet. Daher ist eine Mischung aus Methan und einem trägen Gas, beispielsweise Helium, Argon oder Stickstoff, die bevorzugte Zusammenstellung für den Gasstrom.

Die Bedingungen, unter denen isotropischer pyrolytischer Kohlenstoff aus einer Methanmischung abgeschieden wird, sind unter Annahme gewisser spezieller, im folgenden genannter Arbeitsbedingungen in F i g. 1 dargestellt. F i g. 1 zeigt das Gefüge und die Dichte von Kohlenstoff, der bei verschiedenen Methankonzentrationen, bei verschiedenen Abscheidungstemperaturen, bei einer gesamten Anfangsabscheidefläche von etwa 1000 cm², bei einer Kontaktzeit von etwa 0,1 Sekunden und bei einem Druck von einer Atmosphäre abgeschieden wurde.

In dem im Diagramm mit I bezeichneten Bereich wird isotropischer Kohlenstoff abgeschieden. In den Bereichen II links und rechts oben wird anisotropischer Kohlenstoff mit kristallinem Gefüge, das »plattenförmig« genannt wird, abgeschieden. Im Bereich III wird kristallines Gefüge von dichtem pyrolytischem Kohlenstoff abgeschieden, das »körnig« genannt wird. In diesem Fall werden diese verschiedenen Kohlenstoff gefüge wie folgt gekennzeichnet:

1. Plattenförmiger Kohlenstoff ist solcher, der Schichtebenen hat, die vorzugsweise parallel zur Oberfläche des Trägers orientiert sind. Er besitzt weite Schwankungen in der scheinbaren Kristallgröße und eine Dichte zwischen 1,5 und 2,2 g/cm³. Seine MikroStruktur ist bei metallographischer Untersuchung mit polarisiertem Licht optisch aktiv und zeigt das typische »Kreuzmuster«.

2. Isotropischer Kohlenstoff hat eine sehr geringe bevorzugte Orientierung, weite Schwankungen in der scheinbaren Kristallgröße und eine Dichte zwischen 1,4 und 2,2 g/cm³. Seine MikroStruktur ist bei metallographischer Untersuchung mit polarisiertem Licht optisch nicht aktiv und strukturlos.

zo 3. Körniger Kohlenstoff ist üblicherweise leicht orientiert, hat eine verhältnismäßig große scheinbare Kristallgröße und eine Dichte zwischen 2,0 und 2,1 g/cm³. Die MikroStruktur zeigt bei metallographischer Untersuchung mit polarisiertem Licht

a5 diskrete Körner.

Die anderen vorstehend genannten Arbeitsbedingungen beeinflussen natürlich auch die Kristallstruktur des abgeschiedenen Kohlenstoffs. In diesem Fall bezieht sich F i g. 1 auf einen Anfangsoberflächenbereich von etwa 1000 cm⁸ in einer Wirbelschichtvorrichtung mit einem Durchmesser von 3,8 cm, in der der Abscheidungsbereich etwa 12,7 cm hoch ist und in der die Kontaktzeit des Gasstroms mit der Wirbelschicht etwa 0,1 Sekunden beträgt. Ganz allgemein kann eine wesentliche Änderung der Größen dieser beiden Variablen, wie in F i g. 1 gezeigt, die Grenzen zwischen den Bereichen I, II und III verschieben. Dies wird später beschrieben werden.

Obwohl die Grenzen zwischen den Bereichen I, II und III als definierte Grenzlinien im Diagramm eingezeichnet sind, ist zu bemerken,¹ daß dies nicht der Fall ist. Ganz allgemein erfolgt der Übergang von einem Kristallgefüge zum anderen an den Grenzen der Bereiche allmählich, so daß man sagen kann, daß das eine Kristallgefüge in das andere hinüberreicht. Ferner sei bemerkt, daß der unter den Abscheidebedingungen für den Bereich I im Diagramm hergestellte isotropische Kohlenstoff innerhalb verschiedener Bereiche unterschiedliche andere Eigenschaften, wie Dichte und Kristallgröße, hat. Diese hängen von anderen Variablen, wie Oberflächenbereich und Kontaktzeit, ab. Verschiedene Linien gleicher Dichte sind in Fig. 1 gezeigt.

Wie vorstehend erwähnt, kann dichter isotropischer pyrolytischer Kohlenstoff wirtschaftlich aus höheren Methankonzentrationen unter Arbeitsbedingungen, beispielsweise ein relativ zum Volumen der besonderen Bereiche der Vorrichtung, in denen die Abscheidung stattfindet, verhältnismäßig großer Gesamtoberflächenbereich für die Abscheidung, abgeschieden werden. Abscheidungsgeschwindigkeiten von pyrolytischem Kohlenstoff sind als Funktion der Methankonzentration in F i g. 2 dargestellt, bezogen auf eine Wirbelschichtvorrichtung mit 3,8 cm Durchmesser, eine Abscheidetemperatur von etwa 2100⁰C, eine Methan-Helium-Mischung von einer Atmosphäre Gesamtdruck, eine Kontaktzeit von etwa 0,1 Sekunden und

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gesamte Anfangsabscheideflächenbereiche von 800, zu schaffen. Im Bereich A in der linken unteren Ecke 1000, 2000 und 3000 cm². in F i g. 3 wird für alle Lageflächenbereiche bis In F i g. 2 ist ferner die abgeschiedene Kohlenstoff- 5000 cm² isotropischer Kohlenstoff abgeschieden. Bei art gezeigt. Ganz allgemein wird isotropischer Kohlen- einem Wert von etwa 5000 cm² beginnt der abgeschiestoff aus hohen Methankonzentrationen abgeschieden. 5 dene Kohlenstoff eine bevorzugte Orientierung zu ent-Er kann jedoch aus niedrigeren Methankonzentra- wickeln, und er wird mit weiterer Vergrößerung des tionen ausgeschieden werden, wenn, wie im Bereich I Lageflächenbereichs immer stärker orientiert. Im in F i g. 2 gezeigt, der Oberflächenbereich groß genug Mittelbereich B der F i g. 3 wird bei geringen Lageist. Wird der Oberflächenbereich jedoch sehr groß, so flächenbereichen körniger Kohlenstoff abgeschieden, entwickeln die Schichtebenen, wie im Bereich II ge- ίο Mit Vergrößerung des Lageflächenbereichs wird isozeigt, bevorzugte Orientierungen. Die Abscheidungen tropischer Kohlenstoff und bei weiterer Vergrößerung von körnigem Kohlenstoff werden begünstigt,wenn die plattenförmiger Kohlenstoff abgeschieden. Bei nie-Methankonzentration und der Oberflächenbereich drigen Abscheidetemperaturen und geringen Methanklein sind, wie durch Bereich III in F i g. 2 gekenn- konzentrationen in der Größenordnung von 5 °/₀ und zeichnet. Die mittlere Abscheidegeschwindigkeit (ge- %s weniger erfolgt ein Übergang von körnigem zu isotromessen in Mikron pro Zeiteinheit) ändert sich entgegen pischem Kohlenstoff nur, wenn der Lageflächendem Oberflächenbereich, d. h., niedrigere Abscheide- bereich etwa 3000 cm² groß ist. Im Bereich B₁ erfolgt geschwindigkeiten erhält man, wenn der Oberflächen- der Übergang von körnigem zu isotropischem Kohlenbereich vergrößert wird, und die Abscheidegeschwin- stoff bei etwa 4000 cm² und mehr. Der folgende Überdigkeit vergrößert sich mit größerer Methankonzen- so gang yon isotropischem zu plattenförmigen! Kohlentration. Bei gleichem Oberflächenbereich, 1000 cm⁸, stoff erfolgt nur oberhalb von 5000 cm². Bei einer und gleicher Abscheidetemperatur, 2100° C, wird iso- höheren Methankonzentration ist für den Übergang tropischer Kohlenstoff aus einer 15% Methankonzen- von körnigem zu isotropischem Kohlenstoff nur ein tration dreimal schneller abgeschieden als körniger Lageflächenbereich von 1100 cm² erforderlich, und der Kohlenstoff aus einer 3% Methankonzentration, as Übergang von isotropischem zu plattenförmigen! Größere Oberflächenbereiche begünstigen die Bildung Kohlenstoff erfolgt bei etwa 4000 cm². Der bei hoher von isotropischem Kohlenstoff gegenüber der von Temperatur und geringer Methankonzentration (Bekörnigem Kohlenstoff, was trotz der Tatsache, daß reich C) abgeschiedene Kohlenstoff ist bei allen Oberdie Abscheidegeschwindigkeit mit Vergrößerung des flächenbereichen orientiert, und mit Vergrößerung der Oberflächenbereichs geringer wird, von der Herstellung 30 Bereiche vergrößert sich auch der Grad der Orienher gesehen sehr vorteilhaft ist. Ein wesentlicher Teil, tierung. Es sei bemerkt, daß unter bestimmten Beetwa 15%, des gesamten Überzugsvorganges wird dingungen, unter anderem ein größerer Lageflächendurch Laden und Entladen der Teile und durch Heizen bereich, der abgeschiedene plattenförmige Kohlenstoff und Abkühlen der Vorrichtung verbraucht, und des- einen vergrößerten Grad von Orientierung entwickelt halb ist der Fertigungsvorgang um so wirtschaftlicher, 35 Als Folge der Vergrößerung des Lageflächenbereichs je größer die Charge ist. Verdoppelt man beispiels- erfolgt der Übergang von körnig zu isotropisch und weise bei einer Methankonzentration von 15% den dann zu plattenförmig. Deshalb zeigen die drei wesent-Oberflächenbereich von 1000 auf 2000 cm², so wird liehen Bereiche in F i g. 3 den Gefügeübergang, der die Abscheidegeschwindigkeit etwa um den Faktor 2 bei Vergrößerung des Lageflächenbereichs erfolgt, verringert. Daher ist die gesamte Fertigungszeit kürzer, 4° Dabei ist (A) der Übergang von isotropisch zu laminar, obwohl Zeit für die Kohlenstoff abscheidung insgesamt (B) der von körnig zu isotropisch und dann zu plattengleichbleibt, da durch den größeren Oberflächenbereich förmig und (C) plattenförmig. Wird der abgeschiedene ein Lade—Entlade- und ein Heiz—Abkühlungszyklus Kohlenstoff orientiert, so ist er für eine starke Neuvermieden wird. tronenbestrahlung hoher Energie (£>0,18 MeV) un-

Bei recht hohen Temperaturen und verhältnismäßig 45 geeignet.

niedrigen Werten für die gesamte Abscheideoberfläche Bei einer Wirbelschichtvorrichtung ist zu bemerken,

und die Methankonzentration wird dichter, körniger daß bei Abscheidung von pyrolytischem Kohlenstoff

Kohlenstoff gebildet (Bereich III in F i g. 1). Obwohl zum Überziehen von Teilen und der dadurch erfol-

körniger Kohlenstoff verschiedene physikalische Eigen- genden Vergrößerung die gesamte zur Verfügung

schäften hat, die mit denen von dichtem isotropischem 50 stehende Abscheidungsoberfläche der vergrößerten

Kohlenstoff vergleichbar sind, beispielsweise gute Oberfläche entspricht. Es ist deshalb zu erkennen, daß

Wärmeleitfähigkeit und gute Widerstandsfähigkeit bei einem anfänglichen Lageflächenbereich nahe dem

gegen durch Neutronenbestrahlung hervorgerufene Übergangswert zunächst, trotz Abscheidung von pyro-

Größenänderungen, kann körniger Kohlenstoff nicht lyrischem Kohlenstoff, körniger Kohlenstoff entsteht,

unter wirtschaftlichen Bedingungen abgeschieden wer- 55 Bei Fortsetzung der Abscheidung kann er in die isotro-

den, die mit denen zur Abscheidung von dichtem iso- pische Form übergehen. Das Diagramm zeigt auch

tropischem Kohlenstoff vergleichbar wären. Ferner hat die Abhängigkeit des Gefüges von dem zur Verfügung

der körnige Kohlenstoff nicht die mechanische Festig- stehenden Oberflächenbereich.

keit von isotropischem Kohlenstoff. Wie vorstehend bemerkt, soll der pyrolytische Koh-

F ig. 3 zeigt die Zustände bezüglich des Oberflächen- 60 lenstoff zur Erreichung einer guten Strahlungsfestigbereichs bei einer Kontaktzeit von 0,05 Sekunden keit eine verhältnismäßig große Dichte haben, minin einer Wirbelschichtvorrichtung von 3,8 cm Durch- destens 1,8 gm/cm³. Beispielsweise kann isotropiseher messer mit einem 12,7 cm hohen Abscheidebereich, Kohlenstoff von geeigneter Dichte bei einer Tempewobei die Kristallstruktur des abgeschiedenen pyroly- ratur von mindestens 2000° C in einer Methankonzentischen Kohlenstoffs sich zwischen isotropisch, körnig 65 tration von etwa 15 Volumprozent Methan und einer und plattenförmig ändert. Ein minimaler Lageflächen- Methan-Helium-Mischung abgeschieden werden, wenn bereich ist für alle Zustände gemäß F i g. 3 vor- die Abscheidung bei Verwendung eines Lageflächengesehen, um ein Abscheidebereichsverhältnis von 5 : 1 bereichs von etwa 1000 cm² und einer Kontaktzeit von

etwa 0,15 Sekunden in einer Vorrichtung mit einem Durchmesser von 3,8 cm erfolgt. Bei Änderungen irgendwelcher dieser Parameter innerhalb annehmbarer Grenzen erhält man auch noch dichten pyrolytischen Kohlenstoff. Die gleiche Dichte eines isotropischen Kohlenstoffgefüges erhält man, wenn eine größere Strömungsgeschwindigkeit und ein größerer Lageflächenbereich oder eine größere Strömungsgeschwindigkeit und eine höhere Temperatur verwendet werden. Diese Änderungen müssen natürlich innerhalb gewisser Grenzen liegen. Ganz allgemein begünstigen, wie vorher beschrieben, längere Kontaktzeiten und höhere Temperaturen die Erzeugung von dichtem isotropischem Kohlenstoff.

Der Einfluß des relativen Oberflächenbereichs auf die Dichte des unter den Bedingungen gemäß F i g. 1 abgeschiedenen isotropischen Kohlenstoffs ist in F i g. 4 dargestellt. Dort erkennt man, daß es für eine gegebene Vorrichtungsgröße einen minimalen Schnellwert gibt, unterhalb dessen kein isotropischer Kohlenstoff abgeschieden wird. Obwohl dieser für verschiedene Vorrichtungsgrößen natürlich verschieden ist, gilt als allgemeine Regel, daß er durch Gegenüberstellung von gesamtem Oberflächenbereich und dem Volumen des Abscheidungsbereichs angegeben werden kann. Wenn der Oberflächenbereich in cm² und das Volumen in cm³ gemessen werden, so soll das Verhältnis von Oberflächenbereich zu Volumen mindestens 5: 1 betragen.

Die Abscheideoberfläche wird unter Verwendung der Oberfläche der zu überziehenden Erzeugnisse vor der Abscheidung berechnet. Natürlich wird die Oberfläche einer Lage kleiner Teile vergrößert, wenn die Teile durch die Abscheidung von Kohlenstoff vergrößert werden. Ist, wie in F i g. 3 gezeigt, die anfängliche Größe des relativen Oberflächenbereichs dicht an

ίο einer Übergangsgrenze, so kann ein Übergang in eineandere Kristallform stattfinden. F i g. 4 zeigt, daß eine Vergrößerung des gesamten Abscheidungsflächenbereichs die Dichte des abgeschiedenen pyrolytischen Kohlenstoffs vergrößert. Wird die Oberfläche jedoch zu groß, so entwickelt die Abscheidung, wie an Hand von F i g. 3 erklärt, bevorzugte Orientierungen. Es verschieben sich dann auch die in F i g. 1 gezeigten Kristallgrenzlinien etwas. Entsprechend verringert eine Verminderung der gesamten Abscheidungsoberfläche die Dichte des abgeschiedenen pyrolytischen Kohlenstoffs.

Der Einfluß der Kontaktzeit oder der Strömungsgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffgases auf die (j Erzeugnisse, auf die abgeschieden wird, ist in F i g. 5 dargestellt, wobei die gleichen Arbeitsbedingungen wie für F i g. 1 angenommen werden. Die Kontaktzeit wird aus der folgenden Beziehung bestimmt:

Kontaktzeit =

Volumen des heißen Wirbelschichtbereichs
Geschwindigkeit des Gasstroms

Das Volumen des heißen Wirbelschichtbereichs ist Die Geschwindigkeit bei Raumtemperatur kann in die das Volumen des heißen Bereichs, vermindert um das Geschwindigkeit bei Abscheidungstemperatur durch Volumen der Kerne und der Teile. Die Geschwindig- 35 Verwendung einer Beziehung zwischen den Tempekeit des Gasstroms wird bei Abscheidung gemessen. raturen in °Kelvin umgerechnet werden.

Geschwindigkeit bei Abscheidung =

^Abscheidung ("Κ)
^Raum ( K)

Geschwindigkeit bei Raumtemperatur

Im allgemeinen wird die Kontaktzeit zwischen 0,05 und 0,3 Sekunden gelegt, um die Abscheidung von dichtem isotropischem Kohlenstoff zu erreichen.

F i g. 5 ist zu entnehmen, daß eine Vergrößerung der Kontaktzeit der Kohlenwasserstoffgas-Mischung mit den Erzeugnissen, auf denen die Abscheidung stattfindet (beispielsweise durch Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Gasmischung in der Wirbelschichtvorrichtung, so daß Gasmoleküle längere Zeit mit den zu überziehenden Erzeugnissen in Kontakt kommen), eine Vergrößerung der Dichte des abgeschiedenen Kohlenstoffs bewirkt. Ferner werden die in F i g. 1 gezeigten Grenzen etwas verschoben. Entsprechend bewirkt eine Verringerung der Kontaktzeit eine Verringerung der Dichte, wenn die anderen Bedingungen konstant gehalten werden.

Das Verfahren ist besonders zum Abscheiden von Schutzüberzügen auf bestimmte Stoffe geeignet. Obwohl Stoffe irgendeiner Form überzogen werden können, werden vorzugsweise kugelförmige Stoffe, deren Teilchengröße zwischen etwa 100 und 500 Mikron liegt, überzogen. Es können auch größere oder geringere Teilchengrößen verwendet werden. Es werden Stoffe in Karbidform bevorzugt, jedoch können auch Stoffe in anderer Form, beispielsweise Oxyde, verwendet werden. Beispiele für geeignete Kernbrennstoffe sind Urandikarbid, Thoriumdikarbid und/oder Mischungen von diesen, Uranoxyd, Thoriumoxyd und Plutoniumoxyd. Beispiele für geeignete Neutronenabsorbierungs- oder Vergiftungsstoffe sind Bor, Gadolinium, Samarium, Erbium oder Kadmium in Karbidform oder anderer geeigneter chemischer Form.

Die Überzüge können verschiedene zusammengesetzte Formen haben, solange sie mindestens eine durchgehende Ummantelung aus sehr dichtem pyrolytischem Kohlenstoff enthalten. In vielen Fällen ist die Verwendung nur einer einzelnen Schicht aus sehr dichtem isotropischem pyrolytischem Kohlenstoff geeigneter Stärke zulässig, während in anderen Fällen mindestens zwei Schichten verwendet werden. Ganz allgemein bestimmt die Art des Kerns und der Anwendungszweck die Form des Überzuges. _:

Für Kernbrennstoffe, die sich bei den Hochtemperaturvorgängen ausdehnen und bei der Spaltung gasförmige Spaltprodukte erzeugen, werden einige Vorkehrungen getroffen, um diese Wirkungen zu dämpfen und um insbesondere eine längere Bestrahlung mit Neutronen zu erlauben. Wird ein dichter Kernbrennstoff verwendet, so ist es erwünscht, an der Oberfläche des Kerns eine Schicht geringer Dichte vorzusehen, um innerhalb der Ummantelung mit sehr dichtem isotropischem Kohlenstoff die gewünschte Dämpfung zu erzielen. Bei Verwendung eines porösen Kerns bewirkt dieser selbst die gewünschte Dämpfung, so daß der sehr dichte isotropische pyrolytische Kohlenstoff direkt auf die Oberfläche des porösen Kerns abge-

15 16

schieden werden kann. Bei beiden Ausführungs- das auch bei hohen Temperaturen und starker Neubeispielen können außerhalb oder zwischen zwei tronenbestrahlung über längere Zeiträume stabil bleibt. Schichten des sehr dichten isotropischen Kohlenstoffs Die erforderliche Stärke des gesamten Mehrschichtzusätzliche Schichten aus geeigneten Stoffen vorge- Überzuges hängt von der Größe des Kerns ab. Als sehen sein, ohne daß dies von der Erfindung abwiche. 5 allgemeine Regel gilt, daß die Stärke des zusammen-

Bei dem Ausführungsbeispiel mit mehreren Schich- gesetzten Überzuges mindestens 40% der Kerngröße ten besteht die Schicht direkt um den Kern aus einem betragen soll, wobei die dichte isotropische Kohlen-Stoff geringer Dichte, der mit dem Kernmaterial ver- Stoffschicht mindestens 10 Mikron stark sein soll. Für träglich ist. Beispielsweise sind kohlenstoffhaltige Kernbrennstoffteile ist ein Überzug dieser Gesamt-Stoffe, wie etwa isotropischer Kohlenstoff geringer io stärke vorzusehen, um einen Brennstoffabbrand von Dichte, geeignet. Der bevorzugte Stoff ist jedoch etwa 20% der Metallatome bei einer Reaktortempeporöser Kohlenstoff. Mit porösem Kohlenstoff wird ratur von 1500° C und einem schnellen Strom von ein rußähnlicher, amorpher Kohlenstoff bezeichnet, 1 · 10²² NVT (>18 MeV) zu ermöglichen. Haben die der ein diffuses Röntgenstrahlbrechungsbild hat und überzogenen Erzeugnisse beispielsweise einen Durchdessen Dichte mindestens 50% kleiner als die theore- 15 messer von etwa 200 Mikron, so soll die Gesamtstärke tische Dichte von Kohlenstoff, die 2,21 g/cm³ beträgt, des Überzuges mindestens 80 Mikron sein. Bei einem ist. Dieser Kohlenstoff ist für gasförmige Stoffe porös vorstehend beschriebenen Zweischichtenüberzug ist und außerdem zusammendrückbar. Die primäre Auf- die innere oder erste Schicht aus Kohlenstoff geringer gäbe der Schicht geringer Dichte auf den Kernbrenn- Dichte 20 bis 25 Mikron stark, und die äußere Schicht stoffteilen ist das Dämpfen der Zerfallstöße. Eine 20 aus dichtem isotropischem Kohlenstoff beansprucht zweite Aufgabe ist das Auffangen von Belastungen die übrige Stärke. Wird jedoch eine gewisse minimale durch die verschiedenen Wärmeausdehnungen zwi- Stärke der Schicht aus dichtem isotropischem pyrolyschen dem Kern und der äußeren Schicht aus dichtem tischem Kohlenstoff erreicht, so braucht dieses Verisotropischem pyrolytischem Kohlenstoff sowie durch hältnis nicht mehr genau eingehalten zu werden. Wegen andere Größenänderungen im Kern oder in der 25 der Bedeutung der Kernreaktorabmessungen werden äußeren Schicht infolge von Neutronenbestrahlung für Kernbrennstoffe keine Überzüge mit einer größeren über längere Zeiten. Gesamtstärke als der halben Kerngröße verwendet, da

Ganz allgemein soll zur vorstehend beschriebenen man sonst ein zu niedriges Verhältnis von Brennstoff-Aufgabe der Aufnahme der Belastung die Schicht ge- menge zu Volumen bekäme. Es sei jedoch bemerkt, ringer Dichte mindestens etwa 20 Mikron stark sein, 30 daß stärkeren Überzügen nicht die anderen Vorteile und die Dichte soll mindestens 25% geringer als die dieser Überzüge fehlen, sondern daß ihre Festigkeit der dichten isotropischen Kohlenstoffschicht sein. Hat und ihr Widerstand gegen das Durchtreten von Spaltdie äußere Schicht beispielsweise eine Dichte von produkten vergrößert sind.

2,0 g/cm³, so soll die Dichte der Schicht mit geringer Wird ein poröser Kern aus Kernbrennstoff verwen-Dichte nicht größer als 1,5 g/cm³ sein. Ein Dichte- 35 det, so braucht an Stelle einer Mehrschichtenanordunterschied dieser Größe bewirkt, daß die innere nung nur eine Ummantelung aus isotropischem pyro-Schicht geringer Dichte einer erheblich größeren lytischem Kohlenstoff großer Dichte verwendet zu Schrumpfung unterliegt als die sehr dichte Schicht, so werden. Sehr dichter isotropischer pyrolytischer Kohdaß die Schrumpfung der äußeren Schicht bis zu lenstoff hat einen großen Widerstand gegen Beschädieinem gewissen Grad vernachlässigt werden kann, da 40 gungen durch Zerfallstöße, so daß seine Verwendung sich radiale Belastungen von der Grenzschicht auf die direkt auf dem Spaltmaterial ohne Schutz durch eine innere Schicht nicht auswirken. Besteht der Kern poröse oder isotropische Schicht geringer Dichte keine außerdem aus Kernbrennstoff, der zerfällt und dabei Nachteile ergibt. Die erforderliche Porösität des Kern-Spaltprodukte erzeugt, so muß die Stärke der Schicht brennstoffmaterials, um die Anpassung an die gegeringer Dichte ausreichend sein, um die Zerfallstöße 45 nannten Wirkungen zu erreichen, hängt von dem zu dämpfen, so daß ein Brechen oder Reißen des beabsichtigten Grad des Aufbrennens der Brennstoffäußeren Überzuges infolge von Beschädigung durch teile während ihrer Lebensdauer ab. Für ein Auf-Zerfallstöße vermieden wird. Für Kernbrennstoff wird brennen von etwa 10 Atomprozent sind zur Erzielung vorzugsweise ein poröser Überzug mit einer Stärke der gewünschten Verbesserung Brennstoffteile mit von mindestens 25 Mikron verwendet. so einer Dichte von 85 % oder weniger der theoretischen

Die äußere Schicht soll sehr gut gasundurchlässig Maximaldichte vorgesehen, die mit einer einzigen

sein und bei Bestrahlung mit schnellen Neutronen eine Schicht von sehr dichtem isotropischem Kohlenstoff

gute Größenstabilität behalten. Sehr dichter pyroly- umgeben sind. Wird entsprechend ein Material, wie

tischer Kohlenstoff, der isotropisch ist, hat diese ge- gewisse Kernvergifter, die sich nicht spalten oder nicht

wünschten Eigenschaften. Dichter isotropischer pyro- 55 in Abhängigkeit von, Wärme oder Bestrahlung stark

lytischer Kohlenstoff hat eine gute Wärmeleitfähigkeit ausdehnen, überzogen, so kann auch ein einziger Über-

in allen Richtungen und eine große Bruchfestigkeit. zug aus sehr dichtem isotropischem Kohlenstoff ver-

Dichter, fast isotropischer pyrolytischer Kohlen- wendet werden.

stoff zeigt, nachdem er 1040° C und 2,4· 10²¹NVT Die minimale, als ausreichend erachtete Stärke für (>0,18 MeV) ausgesetzt war, eine Größenänderung 60 solche Einschichterzeugnisse ist die gleiche wie die vorvon weniger als 4%. Theoretisch ergibt sich für voll- stehend für die Mehrschichtenteile genannte. Für eine ständig isotropischen, ganz dichten Kohlenstoff eine Betriebstemperatur von etwa ISOO⁰C bei einer BeGrößenänderung von 0,0. strahlung mit 1 · 10²² NVT (>0,18 MeV) und einem

Demgemäß erhält man, wenn zur Ummantelung Auf brennen von etwa 20 Atomprozent der Metallkerne

des mit einer ersten Schicht porösen oder isotropischen 65 soll die minimale Stärke des dichten isotropischen

Kohlenstoffs geringer Dichte überzogenen Erzeug- Kohlenstoffs mindestens gleich 40% der Kerngröße

nisses eine äußere Schicht aus pyrolytischem isotro- sein,

pischem Kohlenstoff aufgebracht wird, ein Produkt, Das bevorzugte Verfahren zum Überziehen von Er-

17 18

Zeugnissen mit einer Schicht aus isotropischem Koh- Gasstrom durch das Rohr reicht aus, um die Teilchen

lenstoff ist das Abscheiden von isotropischem Kohlen- zum Schweben zu bringen und dadurch im Rohr eine

stoff durch Hochtemperaturumsetzung von gasförmi- Wirbelschicht zu erzeugen.

gen Kohlenwasserstoffen. Sind die zu überziehenden Wenn die Temperatur der Brennstoffteilchen etwa

Erzeugnisse kleine Teile, so kann das Überziehen mit 5 1100⁰C erreicht hat, wird dem Helium Azetylengas

Hilfe eines Wirbelschichtverfahrens erfolgen, bei dem zugesetzt, so daß ein aufwärts gerichteter Gasstrom

das Kohlenwasserstoffgas oder eine Mischung aus der gleichen Strömungsgeschwindigkeit, jedoch mit

Kohlenwasserstoff und einem Trägergas eine Lage von dem Partialdruck des Azetylens γόη etwa 0,80 (Ge-

zu überziehenden Teilen umströmt. samtdruck 1 atm) entsteht. Das Azetylengas zerfällt

Wird ein Überzug aus porösem pyrolytischem Koh- iq und scheidet porösen Kohlenstoff geringer Dichte auf lenstoff geringer Dichte durch Wirbelschichtverfahren den Kernbrennstoffteilchen ab. Unter diesen Bedinaufgebracht, so können die Teile in einem nach oben gungen beträgt die Überzugsabscheidegeschwindigkeit bewegten Strom von Helium pder irgendeinem anderen etwa 15 Mikron pro Minute. Der Azetylenstrom wird trägen Gas als Wirbelschicht zerstreut werden. Sie fortgesetzt, bis der Überzug aus porösem pyroly^ werden auf eine Temperatur zwischen 800 und etwa ig tischem Kohlenstoff geringer Dichte, der auf den 1400° C erwärmt. Ein Stoff zur Erzeugung von porösem Brennstoffteilphen abgeschieden ist, 25 Mikron stark pyrolytischem Kohlenstoff geringer Dichte durch Um- ist. Dann wird der Azetylengasstrpm abgeschaltet, und Setzung, beispielsweise Azetylen mit einem verhältnis- man läßt die Teilchen vor dem Herausnehmen aus der mäßig hohen Partialdruck (z. B. zwischen 0,65 und Überzugsvorrichtung abkühlen,
etwa 1,00), wird mit dem Strom von Heliumgas oder ?o Die Charge überzogener Teilchen wird dann in ein des statt dessen verwendeten Gases gemischt. Es können größeres Reaktionsrohr mit einem Durchmesser von auch andere Stoffe zur Erzeugung von porösem pyroly- 3,8 cm gebracht. Dieses Rohr wird auf etwa 2100° C tischem Kohlenstoff geringer Dichte durch Umsetzung erhitzt, während ein Strom Heliumgas von etwa verwendet werden. Bei Temperaturen oberhalb 800°C 7000 cm³ pro Minute (Normaltemperatur und rdruck) zerfällt das Azetylengas und bildet auf der Oberfläche ag hindurchfließt. Unter diesen Bedingungen beträgt die der Teile einen Überzug aus, porösem pyrolytischem Kpntaktzeit etwa 0,2 Sekunden. Hat das Rohr die geKohlenstoff geringer Dichte. Ist die gewünschte Stärke wünschte Temperatur, so wird die Charge von mit von porösem Kohlenstoff geringer Dichte, z. B. 20 bis porösem Kohlenstoff überzogenen Teilehen einge-50 Mikron, auf der Oberfläche der Teile abgeschieden, bracht. Eine ausreichende Menge dieser Teilehen (etwa so wird der Strom von Azetylengas abgeschaltet. 3° 45 g der überzogenen Teilchen), die jetzt einen Durchr

Für einen Betrieb bei etwa 15OQ⁰C, bei einer Be- messer γοη etwa 300 Mikron haben_s werden in das

strahlung von 1 · IQ²² NVT (>0,18 MeV) und bei Rohr gebracht, um einen Lageflächenbereich von etwa

einem Aufbrennen von etwa 20 Atpmprpzent der 1000 cm² zu schaffen. Erreicht die Temperatur der

Metallkerne soll die Schicht aus isptropischem Koh- überzogenen Brennstoff teilchen 2100° C, so wird dem

lenstoff eine Dichte von mindestens 2,0 g/cm³ und 3g Helium Methangas zugesetzt, um einen aufwärts ge-

vorzugsweise 2,1 g/cm³ haben. Ein Überzug aus isotro- richteten Gasstrom mit einem Methanpartialdruck von

pischem Kohlenstoff dieser Dichte hat eine sehr gute etwa 0,20 (Gesamtdruck 1 atm) zu erhalten, wobei die

Festigkeit und Qrößenstabilität und nimmt große Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Gases auf etwa

elastische Verformungen auf, bevor er bricht. Außer- 7000 cm³ pro Minute gehalten wird, Per Bereich in

dem ist innerhalb dieses Pichtebereichs ein BA-Faktor 40 dem Rohr ist 12,7 cm hoch. Pas Methan zerfällt und

von 1,2 oder weniger erwünscht, da dieser Kohlenstoff scheidet auf dem porösen Kohlenstpffüberzug einen

eine verbesserte Größenstabilität hat. Für geringere Überzug aus dichtem isotropischem pyrolytischem

Anforderungen reicht Kohlenstoff mit einem etwas Kohlenstoff ab. Unter diesen Bedingungen beträgt die

höheren ΒΑ-Faktor oder mit geringerer Pichte aus. Abscheidungsgeschwindigkeit 60 Mikron pro Stunde.

Wird ein äußerer Überzug dieser Art auf ein Kern- 45 Per Methangasstrom wird aufrechterhalten, bis man

brennstoffteil aufgebracht, so reicht seine Gasundurch- einen Überzug aus isotropischem pyrolytischem Koh-

lässigkeit aus, um alle vom Kernbrennstoff erzeugten lenstoff von 85 Mikron Stärke erhält, Pann wird der

flüchtigen Spaltprodukte innerhalb des Überzuges zu Methangasstrom abgeschaltet, und die überzogenen

halten. Brennstoffteilchen werden ziemlich langsam im Helium

Pie folgenden Beispiele zeigen verschiedene Ver- 50 abgekühlt und danaph aus dem Reaktionsrohr entfernt,

fahren zur Herstellung von pyrolytischem Kohlenstoff, Pie erhaltenen Teilchen werden untersucht und ge-

wobei verschiedene Vorteile der Erfindung zu erkennen prüft, Pie Pichte der äußeren Schicht aus isotrop

sind. Obwohl diese Beispiele sehr vorteilhafte erfin- pischem Kohlenstoff beträgt etwa 2,1 g/cm³·· Per BAr

dungsgemäße Verfahren zeigen, dienen sie nur zur Faktor liegt zwischen 1,1 und 1,2. pie scheinbare

Veranschaulichung und schränken die Erfindung nicht 55 Kristallgröße beträgt etwa 130 bis 150 A.

ein. Eine zusätzliche Charge von Urandikarbidteilchen

B e i s ό i e 1 I ™* ^emer Größe von etwa 250 Mikron wird hergestellt.

Piese 50-g-Charge wird auf die gleiche Weise wie vor-

Es werden Urandikarbidteilchen γοη etwa 250 Mi- stehend beschrieben mit porösem Kohlenstoff geringer

krön Größe und kugeliger Form hergestellt. Pas ver- 60 Piphte überzogen, so daß man einen 25 Mikron

wendete Uran ist auf 92% angereichert. Ein Graphit- starken Überzug auf jedem Teilchen erhält. Pie Charge

reaktionsrohr mit einem inneren Purphmesser von wird dann mit einer äußeren Schicht aus platten-

etwa 2,5 cm wird auf etwa 1000⁰C erhitzt, während förmigem pyrolytischem Kohlenstoff überzogen. Pazu

ein Strom von Heliumgas hindurchfließt. Kann das wird ein Reaktionsrohr mit 3,8 cm innerem Purch-

Überziehen beginnen, so wird der Heliumstrom auf 6g messer und einer Strömungsgeschwindigkeit des Gases

etwa 900 cm³ pro Minute vergrößert, und eine Charge von etwa 7000 cm³ pro Minute, wie vorstehend be-

von 50 g Urandikarbid wird in den oberen Teil des schrieben, benutzt. Es wird jedoch ein Methanpartial-

Reaktionsrohres gebracht. Per aufwärts gerichtete druck von 0,4 und eine Lageflächentemperatur von

19 20

etwa 1400⁰C angewendet. Das Überziehen wird, fort- bei atmosphärischem Druck und einem Methanpartial^ gesetzt, bis man eine S5 Mikron starke Schicht aus druck von etwa 0,15 mit einer Strömungsgeschwindig? plattenförmigen! Kohlenstoff enthält. Die überzogenen keit vqn IQ 000 crn³/Minute durch das Rohr geleitet. Teilchen werden abgekühlt, herausgenommen, unter- Dies ergibt eine Kontaktzeit γοη 0,1 Sekunden. Die sucht und geprüft. Die Dichte der plattenförmigen 5 Abscheidungsgeschwindigkeit beträgt etwa 60 Mikron äußeren Schicht beträgt etwa 2,0 g/cm³. Der ΒΑ-Faktor pro Stunde. Die Abscheidung wird bis zu einer reicht von 2,0 bis 6,0. Die scheinbare Kristallgröße ist 100 Mikron starken Schicht aus isotropischem pyrolyetwa 40 Ä. tischem Kohlenstoff fortgesetzt. Am Ende dieser Zeit

Diese beiden Chargen überzogener Teilchen werden wird der Methanstrom unterbrochen, die Lage abgein eine geeignete Kapsel eingeschlossen und bei einer 10 kühlt und die Scheiben und Teilchen herausgenommen. mittlerenBrenntemperaturvonl250°CfüretwalMonat Die Dichte des abgeschiedenen isotropischen pyro-

einer Neutronenbestrahlung ausgesetzt. Während dieser lytischen Kohlenstoffs beträgt etwa 2,5 g/cm³, der Zeit beträgt der schnelle Strom etwa 10 · 10²⁰ cm²/sec ΒΑ-Faktor etwa 1,1. Die scheinbare Kristallgröße ist NVT (es werden Neutronen mit einer Energie größer etwa 110 Ä. Der Austrittsanteil von Xenon 133 bei als 0,18 MeV verwendet). Nach Beendigung dieses 15 Bestrahlung mit schnellen Neutronen unter den BeZeitraumes beträgt das Aufbrennen etwa 10 bis 20°/₀ dingungen wie Beispiel I beträgt weniger als 10~⁵. Ein der Spaltatome. Für die mit einer äußeren Schicht aus Aufbrennen von fast 10 % der Spaltatome bewirkt isotropischem Kohlenstoff überzogenen Teilchen be- keine bemerkenswerten Überzugsschäden,
trägt der Austrittsanteil von Xenon 133 weniger als Untersuchungen zeigen, daß die Abscheidungen auf

1 · ΙΟ-⁵. Der Austrittsanteil von Xenon 133 aus der 20 den Scheiben genauso wie die auf den Teilchen aufanderen Gruppe von Teilchen, die mit einer äußeren gebaut sind. Prüfproben, die von den Scheiben in Schicht aus plattenförmigen! isotropischem Kohlen- Form von Kohlenstoffscheiben von 6 mm Durchstoff überzogen sind, ist größer als 10~³. Außerdem messer und 0,1 mm Stärke abgeschnitten wurden, zeigen die Brennstoffteilchen mit der äußeren Schicht zeigten eine gleiche und gleichförmige Wärmeleitaus isotropischem pyrolytischem Kohlenstoff nach 10 25 fähigkeit von 10~² cal/cm · see · ° C. Prüfungen der bis 20% Aufbrennen keine Überzugsschäden. Nach mechanischen Eigenschaften der Proben ergaben, daß dem gleichen Aufbrennen zeigen die plattenförmig Gefüge von isotropischem pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Teilchen einen hohen Prozentsatz an eine Bruchfestigkeit von etwa 2,1 · 10³ kp/cm² und Überzugsschäden. einen Elastizitätsmodul von etwa 0,14 ■ 10® kp/cm²

. 30 haben. Bestrahlungen der Proben mit einer Gesamt-

B e 1 s ρ 1 e 1 11 neutronenbestrahlung von 2,4 · 10²¹ NVT (£>0,18

Es wird eine 50-g-Charge von Urandioxydteilchen MeV) bei 1050⁰C ergaben, daß parallel oder senkrecht mit einer Teilchengröße von etwa 250 Mikron her- zu den Abscheideebenen die Änderungen weniger als gestellt. Diese Teilchen werden in der gleichen Weise 3 % betragen. Der abgeschiedene Kohlenstoff hat sehr wie im Beispiel I mit einer 25 Mikron starken Schicht 35 gute mechanische Eigenschaften und sehr gute Größenaus porösem pyrolytischem Kohlenstoff geringer Stabilität bei Neutronenbestrahlung.
Dichte überzogen. Dann werden die Teilchen unter

den gleichen Bedingungen wie im Beispiel I mit einer Beispiel IV

äußeren Schicht aus dichtem isotropischem Kohlenstoff überzogen. Das Überziehen wird fortgesetzt, bis 40 Kugelförmige Borkarbidteilchen mit einer Teilchenman einen 80 Mikron starken Überzug aus pyroly- größe zwischen 300 und 420 Mikron werden in eine tischem Kohlenstoff erhält. Wirbelschichtvorrichtung von 3,8 cm Durchmesser ge-

Die überzogenen Teilchen werden abgekühlt, aus bracht. Wie im Beispiel III wird eine Mehrzahl kleiner der Überzugsvorrichtung genommen, untersucht und Graphitscheiben hinzugefügt. Etwa 40 g dieser Teilgeprüft. Die Dichte der äußeren Schicht aus isotro- 45 chen werden zur Erzeugung eines gesamten Anfangspischem Kohlenstoff beträgt etwa 2,1 g/cm³, der BA- Oberflächenbereichs von 2000 cm² in dem 12,7 cm Faktor etwa 1,1 bis 1,2. Die scheinbare Kristallgröße langen Reaktionsbereich verwendet. Bei einer Lagederäußeren Schicht ist etwa 140 Ä. Nach einer Hoch- temperatur von 2100°C und mit einer Strömungstemperaturbestrahlung wie im Beispiel I ergibt sich geschwindigkeit einer einen Partialdruck von Methan für diese Teilchen ein Austrittsanteil von Xenon 133 50 von etwa 0,15 aufweisenden Helium-Methan-Mischung von weniger als 2 · 10~^B. Außerdem werden nach von 5000 cm³/Minute (Kontaktzeit etwa 0,2 Sekunden) einem Aufbrennen von 10 bis 20% der Spaltatome wird isotropischer pyrolytischer Kohlenstoff abgekeine Überzugsschäden festgestellt. schieden. Unter diesen Bedingungen beträgt die Ab

scheidungsgeschwindigkeit 50 Mikron pro Stunde, und

B e i s ρ i e 1 III 55 die Abscheidung wird fortgesetzt, bis die Abscheidung

von pyrolytischem Kohlenstoff etwa 100 Mikron stark

Es wird eine Charge von kugelförmigen Teilchen ist. Die überzogenen Borkarbidteilchen und die UO₂ mit einem Teilchendurchmesser von 200 Mikron Scheiben werden abgekühlt, aus dem Rohr entfernt, hergestellt, deren Dichte etwa 8,0 g/cm³, d. h. etwa untersucht und geprüft. Wie im Beispiel III werden 80 % der theoretischen Maximaldichte, beträgt. Eine 60 Proben von den Scheiben abgeschnitten.
Charge dieser Teilchen mit einem gesamten Ober- Die Dichte des isotropischen pyrolytischen Kohlen-

flächenbereich von 1200 cm² wird in eine Wirbel- Stoffs beträgt etwa 2,1 g/cm³, der ΒΑ-Faktor etwa 1,1. schichtvorrichtung gebracht, die einen Durchmesser Die scheinbare Kristallgröße ist etwa 130 Ä.
von 3,5 cm und einen Abscheidebereich von etwa Die überzogenen Borkarbidteilchen zeigen vergrö-

12,7 cm Höhe hat. Es wird eine Mehrzahl kleiner, 65 ßerten Wärmewiderstand und Strahlungsfestigkeit. Sie runder Graphitscheiben von 7 mm Durchmesser und haben eine sehr gute Verdampfungsbeständigkeit bei 1,0 mm Stärke hinzugefügt. Erreicht die Lagetempe- Temperaturen, bei denen der Dampfdruck des Borratur 2200°C, so wird eine Methan-Helium-Mischung karbids ziemlich groß ist. Diese überzogenen Neu-

tronenvergifterteilchen sind sehr gut für Kernenergieanwendungen geeignet. Die Proben haben eine mittlere Bruchfestigkeit von 2,1 · 10³ kp/cm² und einen mittleren Elastizitätsmodul von etwa 0,14 · 10^e kp/cm². Die Wärmeleitfähigkeit beträgt in allen Richtungen

gleichförmig 4 · 10~² cal/cm · see · °C. Die Größenänderung nach einer Neutronenbestrahlung wie im Beispiel III ist in paralleler Richtung geringer als 3%· Das isotropische pyrolytische Gefüge hat sehr gute mechanische und kernenergetische Eigenschaften.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

ι 2 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gePatentansprüche: kennzeichnet, daß als Gasstrom ein zwischen 10 und 50 Volumprozent Methan enthaltender Gas-

1. Verwendung von überzogenen Partikeln' als strom verwendet wird..

Kernbrennstoff für einen Kernreaktor, der unter 5 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, hoher Temperatur und unter energiereicher Neu- dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmungstronenstrahlung arbeitet, mit zentralen Brennstoff- geschwindigkeit so gewählt wird, daß die Kontaktkernen und mit einem den jeweiligen Brennstoff- zeit zwischen dem Gasstrom und den Partikeln kern vollständig umgebenden Schutzüberzug, d a- zwischen etwa 0,05 und 0,3 Sekunden liegt,
durch gekennzeichnet, daß der Schutz- io
Überzug eine Innenschicht aus einem eine geringe
Dichte besitzenden Pyrokohlenstoff und eine dichte .

durchgehende Schicht aus isotropem Kohlenstoff

mit einer Kristallgröße von zumindest 100 Ä ent- ' ..

hält und daß der Dichtewert der die geringe Dichte 15

aufweisenden Innenschicht um zumindest 25% ■

niedriger ist als der Dichtewert der aus dichtem Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von

isotropem Kohlenstoff bestehenden Schicht. überzogenen Partikeln aus Kernbrennstoff für einen

2. Verwendung von Partikeln nach Anspruch 1, Kernreaktor, der unter hoher Temperatur und energiedadurch gekennzeichnet, daß der isotrope Kohlen- ao reicher Neutronenstrahlung arbeitet, mit zentralen stoff eine Dichte von zumindest 2,0 g/cm³ aufweist. Brennstoffkernen und mit einem den jeweiligen Brenn-

3. Verwendung von Partikeln nach Anspruch 1' stoffkern vollständig umgebenden Schutzüberzug,
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutz- Es ist bereits bekannt (Vortrag von Brown und Überzug eine Dicke von zumindest 40 % d^er Größe Watt auf der Konferenz: Ind. Carbon and Grades jeweiligen Brennstoffkernes aufweist und daß 35 phite, London, 1958), dichte Überzüge aus pyrolydie aus dem isotropen Kohlenstoff bestehende. tischem Kohlenstoff auf Formstücke dadurch aufzu-Schicht zumindest 10 Mikron dick ist. bringen, daß man Kohlenwasserstoffgase bei unter-

4. Verwendung von Partikeln nach einem der schiedlichen Temperaturen und Unteratmosphären-Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß drücken zerfallen läßt. Bezüglich der so gewonnenen der dichte isotrope Kohlenstoff einen BA-Faktor 30 Überzüge hat sich gezeigt, daß die Dichte des jeweils von höchstens 1,2 und eine Dichte von zumindest abgelagerten Kohlenstoffs direkt von der Ablagerungs-2,1 g/cm³ aufweist. . temperatur abhängt, wobei mit zunehmender Ablage-

5. Verwendung von Partikeln nach einem der rungstemperatur höhere Schichtdichten erreicht wer-Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den. Auch die elektrischen und thermischen Leitfähigder jeweilige Brennstoffkern porös ist und eine 35 keiten derart abgelagerten Kohlenstoffs hängen stark Dichte von nicht mehr als etwa 85 °/o der theore- - von der Temperatur der jeweiligen Ablagerung ab. tisch maximalen Dichte aufweist. Über die Verwendung der mit derartigen Überzügen

6. Verfahren zur Herstellung von Kernbrenn- versehenen Formstücke ist in diesem Zusammenhang Stoffpartikeln nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nichts weiter bekannt.

zeichnet, daß die mit Pyrokohlenstoff zu über- 40. Es ist ferner bekannt (Carbon Black Abstracts

ziehenden Partikeln bei Behandlung mit einem eine 1964/4, Referate 976 bis 987), Schichten aus pyroly-

Kohlenstoff enthaltende Substanz mit sich füh- tischem Kohlenstoff auf Trägerteile dadurch aufzu-

renden Gasstrom derart erhitzt werden und daß , bringen, daß man Kohlenwasserstoffe bei hohen Tem-

die Größe der Partikelschicht dabei derart reguliert peraturen (zwischen 850 und 2100⁰C) zerfallen läßt,

wird, daß die gesamte in cm² gemessene Ablage- 45 Über die Verwendung von mit derartigem pyroly-

rungsoberfläche zu dem in dm³ gemessenen HoMt tischem Kohlenstoff überzogenen Trägerteilen ist in

raum einer die betreffenden Partikeln aufnehmen- diesem Zusammenhang jedoch auch nichts bekannt,

den Aufnahmeeinrichtung bei einem Verhältnis Es ist ferner bekannt (Journal of Nuclear Materials

von zumindest 5:1 gehalten wird, bei dem dichter 11,1 [1964], 1-31, S. 1 bis 31), als Umhüllungsstoffe

isotroper Kohlenstoff auf den Oberflächen der 50 für Spaltstoffpärtikeln unter anderem auch pyroly-

Partikem abgelagert wird. tischen Kohlenstoff zu verwenden. Bezüglich der-

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn- artiger Überzüge ist in diesem Zusammenhang jedoch zeichnet, daß als Partikelschicht eine Wirbelschicht bekannt, daß sie ein Hindurchdiffundieren von Spaltverwendet wird, indem ein Gaswirbelstrom durch produkten nicht in dem an sich erwünschten Maße die Aufnahmeeinrichtung nach oben geleitet wird. 55 zu verhindern vermögen. Demgemäß ist in dem be-

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn- treffenden Zusammenhang vorgeschlagen, Kernbrennzeichnet, daß für den Gasstrom eine Mischung aus stoffe mit keramischen Stoffen zu überziehen. Der einem Kohlenwasserstoffgas und einem Schutzgas damit verbundene Aufwand ist jedoch recht beverwendet wird. . . . achtlich.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, 60 Zur Herstellung von graphitüberzogenen Kerndadurch gekennzeichnet, daß die Partikeln auf eine brennstoff teilchen ist auch schon ein Wirbelbett-Temperatur von zumindest 1600° C erhitzt werden, verfahren bekannt (Planseeberichte für Pulvermetal-

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch lurgie, Bd. 10, 1962, S. 168 bis 177). Mit Hilfe dieses gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoffgas Me- bekannten Wirbelbettverfahrens werden zwar Partithangas verwendet wird. 65 kein aus Kernbrennstoff für einen Kernreaktor, der

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge- unter hoher Temperatur und unter energiereicher Neukennzeichnet, daß die Partikeln auf eine Tempe- tronenstrahlung arbeitet, mit einem Schutzüberzug ratur zwischen 2000 und 2400⁰C erhitzt werden. vollständig versehen, jedoch zeigen derartige Kern-