DE1614925C3

DE1614925C3 - Nuclear reactor fuel assembly

Info

Publication number: DE1614925C3
Application number: DE19671614925
Authority: DE
Inventors: Royston Walter Mastin; Shennan John Vincent; Ford Lionel Houston; London D'Eye
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1966-06-22
Filing date: 1967-06-16
Publication date: 1977-12-29

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktor-Brennelemente mit Partikeln aus keramischem Spaltmaterial, die je einen Überzug aus nicht-spaltbarem Keramikmaterial, welcher die Spaltprodukte zurückhält, aufweisen und sich in einem äußeren Keramikbehälter befinden, wobei die Überzüge miteinander in Berührung stehen, und wobei materialfreie Zwischenräume zwischen den überzogenen Partikeln vorhanden sind, und einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennelements. The invention relates to nuclear reactor fuel assemblies with particles of ceramic fissile material, each of which has a coating made of non-fissile ceramic material, which retains the fission products and located in an outer ceramic container with the coatings in contact with one another, and wherein there are material-free interstices between the coated particles, and a Process for the production of such a fuel assembly.

Ein bekanntes Brennelement, welches obige Bedingungen erfüllt, weist eine Dispersion von überzogenen Partikeln aus spaltbarem Material in einer festen Matrix von nichtspaltbarem Material auf. Ein solches Brennelement kann von vollkeramischer Form sein, welches beispielsweise Partikeln aus Urankarbid enthält, die einen äußeren Belag aus pyrolytisch niedergeschlagenem Kohlenstoff oder Siliciumkarbid haben, wobei die Partikeln in eine Feststoffmatrix aus Siliciumkarbid verteilt sind, die einen äußeren Belag aus brennstofffrei-A known fuel assembly which meets the above conditions has a dispersion of coated Particles of fissile material in a solid matrix of non-fissile material. Such a fuel assembly can be of all-ceramic form, which contains, for example, particles of uranium carbide, the have an outer coating of pyrolytically deposited carbon or silicon carbide, the Particles are distributed in a solid matrix of silicon carbide, which forms an outer layer of fuel-free

em Siliciumkarbid besitzt.em silicon carbide.

Es besteht eine Temperaturbeanspruchungsgrenze hinsichtlich der Temperatur, bei welcher ein solches Brennelement gehandhabt bzw. verwendet werden kann. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit der Hauptmasse eines solchen Brennelements relativ hoch ist, ist die Temperatur, die im Zentrum dieser Art von Brennelement entsteht, immer höher als die Temperatur an der Oberfläche. Folglich dehnt sich bei Anstieg auf Betriebstemperatur der zentrale Bereich des Brennelementes um ein größeres Maß als der Oberflächenbereich aus, und thermische Spannungen werden im Oberflächenbereich aufgebaut, welche, wenn sie zu groß werden, zum Bersten oder Reißen der äußeren Schicht des brennstofffreien Materials führen können.There is a temperature limit with regard to the temperature at which such a Fuel assembly can be handled or used. Although the thermal conductivity of the main mass of such a fuel assembly is relatively high, the temperature is at the center of this type of fuel assembly always higher than the surface temperature. As a result, it expands as it rises Operating temperature of the central area of the fuel assembly by a greater degree than the surface area off, and thermal stresses are built up in the surface area, which if too large cause the outer layer of the fuel-free material to burst or crack.

Eine weitere Brennelementform umfaßt einen geschlossenen Behälter aus keramischem Material, der eine lose Masse überzogene Teilchen aus Kernbrennstoffenthält. Another form of fuel assembly comprises a closed container made of ceramic material, the a loose mass containing coated particles of nuclear fuel.

Die Hauptvorteile dieser Art von Brennelement sind: höhere Brennstoffdichten und keine Oberflächen-Temperaturspannungsbegrenzungen. Die höheren Brennstoffdichten ergeben sich aus der dichteren Packung von beschichteten Partikeln im Vergleich zu der Brennelementart, die eine Feststoffmatrix aus nicht-spaltbarem Material zwischen den beschichteten Partikeln aufweist (60 Volumenprozent gegenüber 38 Volumenprozent), sowie aus dem Umstand, daß dünnere Beläge auf den Partikeln möglich sind, da die Beläge gegenüber mechanischer Beschädigung während der Herstellung des Brennelements nicht widerstandsfähig bzw. bruchsicher zu sein brauchen. Die Temperaturspannungsbegrenzung besteht nicht mehr, da der Brennstoffkern und der äußere Keramikbehälter nicht homogen sind und einer Wärmeausdehnung des Brennstoffkerns relativ zum Behälter durch Deformierung im Brennstoffkern selbst Rechnung getragen werden kann.The main advantages of this type of fuel assembly are: higher fuel densities and no surface temperature stress limits. The higher fuel densities result from the closer packing of coated particles compared to the fuel element type, which has a solid matrix of non-fissile Has material between the coated particles (60 percent by volume versus 38 percent by volume), and from the fact that thinner deposits are possible on the particles, since the deposits are opposite mechanical damage during the manufacture of the fuel assembly is not resistant or unbreakable need to be. The temperature voltage limit no longer exists because the fuel core and the outer ceramic container is not homogeneous and is relative to thermal expansion of the fuel core to the container can be taken into account by deformation in the fuel core itself.

Ein Nachteil dieser Art von Brennelement liegt in dem Umstand, daß im Fall eines Bruchs des äußeren Behälters lose Brennstoffpartikeln in die Reaktorkühlmittelströmung entweichen können und nach unzugänglichen Stellen im Reaktor gelangen können. Außerdem hat die niedrige Gesamtwärmeleitfähigkeit einer locker gehäuften Masse von Brennstoffpartikeln zur Folge, daß diese im Zentrum der Masse bei so hohen Temperaturen arbeiten, die nicht vertretbar sind.A disadvantage of this type of fuel assembly is the fact that in the event of breakage of the outer Container loose fuel particles in the reactor coolant flow can escape and can reach inaccessible places in the reactor. Besides that the low overall thermal conductivity of a loosely heaped mass of fuel particles means that these work in the center of the mass at such high temperatures that are unacceptable.

Aus der GB-PS 9 98 387 sind Brennstoffpartikeln bekannt, die auf den die Zwischenräume zwischen ihnen begrenzenden Oberflächen mit Metall oder Keramikmaterial beschichtet sind oder deren Gesamtummantelung unter Bildung von Zwischenräumen miteinander verbunden sind.From GB-PS 9 98 387 fuel particles are known, which on the the spaces between them delimiting surfaces are coated with metal or ceramic material or their overall sheathing are connected to one another with the formation of gaps.

Es ist ferner aus der US-PS 3211812 bekannt, Urandioxidpartikeln mit pulverförmigem Aluminiumoxid zu überziehen und Preßlinge daraus anschließend zu sintern.It is also known from US-PS 3211812, Coating uranium dioxide particles with powdered aluminum oxide and then pressing them out of them to sinter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gesamtwärmeleitfähigkeit der Brennstoffpartikeln zu verbessern und das Problem der begrenzten Wärmebeanspruchung zu beseitigen.The invention is based on the object of increasing the overall thermal conductivity of the fuel particles improve and eliminate the problem of limited thermal stress.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die überzogenen Partikeln um ihre Berührungsstellen herum durch individuelle Brücken aus einem Bindematerial von hoher Wärmeleitfähigkeit aneinander gebunden sind, während die Zwischenräume zwischen den überzogenen Teilchen frei von Bindematerial sind.This object is achieved in the aforementioned fuel assembly according to the invention in that the coated particles around their points of contact by individual bridges made of a binding material of high thermal conductivity are bound together, while the spaces between the coated particles are free of binding material.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Brennelements gemäß der Erfindung werden Teilchen von keramischem spaltbarem Material, die mit einer Schicht aus nicht-spaltbarem keramischem Material — als eine das Spaltungsprodukt zurückhaltende Hülle — vorher überzogen sind, mit einer deformierbaren Schicht aus Metallpulver überzogen, und die Teilchen werden dann in einen keramischen Behälter eingebracht und nach unten gedrückt, um die Schicht von Metallpulver auf den Teilchen so stark zu deformieren, daß die Teilchen Punkt-an-Punkt-Kontakt an ihren Überzügen aus dem keramischen Material aufweisen, worauf der äußere keramische Behälter mit den daraus enthaltenen Teilchen erwärmt wird, um das Metallpulver zu schmelzen, so daß sich das geschmolzene Metall durch Kapillarwirkung in Bewegung setzt, um individuelle Brücken des Metalls zu bilden, welche die Teilchen in dem Bereich um jede ihrer Berührungsstellen herum miteinander verbinden.In a method of manufacturing a fuel assembly according to the invention, particles of ceramic fissile material, which with a layer of non-fissile ceramic material - as a the cleavage product retaining shell - are previously coated with a deformable layer Metal powder coated, and the particles are then placed in a ceramic container and after pressed down to deform the layer of metal powder on the particles so much that the particles Have point-to-point contact on their coatings of the ceramic material, whereupon the outer Ceramic container with the particles contained therefrom is heated to the metal powder melt, so that the molten metal is set in motion by capillary action, to individual Bridges of the metal form, holding the particles in the area around each of their points of contact connect with each other.

Durch dieses Verfahren sollen die Teilchen mittels einer Brücke aus Bindematerial nur um ihre Berührungsstellen herum miteinander verbunden und die Zwischenräume zwischen den Teilchen nicht völlig ausgefüllt werden. Dies wird erreicht durch Vorsehen einer entsprechenden Stärke eines Metallpulverüberzugs auf den Teilchen.With this method, the particles are supposed to be only around their points of contact by means of a bridge of binding material connected around each other and the spaces between the particles not completely fill out. This is achieved by providing an appropriate thickness of a metal powder coating on the particle.

Bei einem spezifischen Beispiel dieses Verfahrens werden Urankarbidteilchen, die mit pyrolytisch abgelagertem Kohlenstoff vorher überzogen worden sind und einen Gesamtdurchmesser von 650 Mikron haben, mit einer Schicht aus Siliciummetallpulver bedeckt. Siliciummetallpulver der Größenordnung unter einem 240er Normsieb wird mit einer 50%igen Lösung eines Epoxy-Kunstharzes in Methyläthylketon plus beigegebenem Härter zu einem Brei vermischt.In a specific example of this process, uranium carbide particles are pyrolytically deposited with Previously coated with carbon and having an overall diameter of 650 microns covered with a layer of silicon metal powder. Silicon metal powder of the order of magnitude under a 240 standard sieve, a 50% solution is used Epoxy synthetic resin mixed in methyl ethyl ketone plus added hardener to a paste.

Ein Brei wird hergestellt aus 4,13 Kubikzentimetern Kunstharzlösung und 6,45 Gramm Siliciumpulver, wobei diese Menge von Siliciumpulver zum Belegen von 15 Kubikzentimetern der Teilchen (wirkliches Volumen) ausreicht, welches Volumen von Teilchen sich zu einem Gefügevolumen von 25 Kubikzentimeter packen läßt.A slurry is made from 4.13 cubic centimeters of resin solution and 6.45 grams of silicon powder, with this amount of silicon powder to occupy 15 cubic centimeters of the particles (real volume) It is sufficient that the volume of particles can be packed into a structural volume of 25 cubic centimeters.

Die Teilchen werden mit dem Brei vermengt, während man das Lösungsmittel Methyläthylketon verdampfen läßt, und dies hat zur Folge, daß die Teilchen einheitlich mit einer Schicht von Siliciummetallpulver überzogen werden.The particles are mixed with the pulp, while the solvent methyl ethyl ketone evaporates, and this has the consequence that the particles are uniform with a layer of silicon metal powder be coated.

Die mit Siliciummetallpulver überzogenen Teilchen werden dann in ein Siliciumkarbidrohr eingebracht, dessen unteres Ende mittels einer einstückig angeformten Siliciumkarbid-Endkappe verschlossen ist. Die Teilchen werden manuell im Rohr gepreßt, um die Siliciummetallpulver-Überzüge zu deformieren, so daß die Teilchen Punktkontakt an ihren pyrolytischen Kohlenstoffüberzügen aufweisen, wobei das Siliciummetallpulver zwischen den Teilchen an deren Kontaktstellen durch den Preßvorgang herausgepreßt wird. Das die Teilchen enthaltende Siliciumkarbid-Rohr wird dann bei 350⁰C in Luft erwärmt, um das Kunstharz und das Methyläthylketon aus den Siliciummetallpulver-Überzügen zu entfernen. Das Rohr, welches die Teilchen enthält, wird dann fünf bis dreißig Minuten lang auf eine Temperatur von 1750⁰C erhitzt, um das Siliciummetallpulver zu schmelzen, so daß sich das geschmolzene Silicium durch Kapillarwirkung in Bewegung setzt, um eine Brücke aus Bindematerial zwischen den Teilchen um ihre Berührungsstellen herum zu bilden. Ferner wird während des Erhitzungsvorgangs eine gewisse Menge Siliciumkarbid an den Berührungsstellen der Teilchen durch Reaktion zwischen dem pyrolytischen Kohlen-The particles coated with silicon metal powder are then introduced into a silicon carbide tube, the lower end of which is closed by means of an integrally molded silicon carbide end cap. The particles are manually pressed in the tube in order to deform the silicon metal powder coatings so that the particles have point contact on their pyrolytic carbon coatings, the silicon metal powder being pressed out between the particles at their contact points by the pressing process. The silicon carbide tube containing the particles is then ^{heated at 350 °} C. in air in order to remove the synthetic resin and the methyl ethyl ketone from the silicon metal powder coatings. The tube containing the particles is then ^{heated to a temperature of 1750 °} C. for five to thirty minutes to melt the silicon metal powder so that the molten silicon is set in motion by capillary action to form a bridge of binding material between the particles to form their points of contact. Furthermore, during the heating process, a certain amount of silicon carbide is deposited at the contact points of the particles through reaction between the pyrolytic carbon

stoffbelag der Teilchen und dem Siliciummetall gebildet. Auf diese Weise enthält in diesem Fall die Brücke aus Bindematerial, die zwischen den Teilchen gebildet wird, eine Mischung aus Siliciumkarbid und Siliciummetall. Andere Metalle, wie beispielsweise Zirkonium, Niob oder Molybdän, können als Bindemetalle verwendet werden. Allgemein kann die Bindung durch das Metall allein vorgesehen werden, wie in dem Fall, wo das Metall nicht mit dem Belag des Spaltprodukte zurückhaltenden Keramikmaterials auf den Teilchen reagiert, oder es kann, wie im Fall des voraufgeführten spezifischen Beispiels, ein Metall gewählt werden, welches mit dem Spaltprodukte zurückhaltenden Keramikmaterial auf den Teilchen reagiert, so daß eine Duplex-Keramik/Metall-Bindung entsteht.Material coating of the particles and the silicon metal formed. In this way, in this case, the bridge of binding material formed between the particles contains a mixture of silicon carbide and silicon metal. Other metals such as zirconium, niobium or molybdenum, can be used as binding metals. Generally, the bond can be through the metal be provided alone, as in the case where the metal is not covered with the covering of the fission products retentive ceramic material reacts to the particle, or it may, as in the case of the above specific example, a metal can be chosen which is retained with the fission products Ceramic material reacts to the particles, so that a duplex ceramic / metal bond is formed.

Als eine weitere Stufe im Verfahren kann eine Ganzmetallbindung oder irgendein in der Bindung verbleibendes Metall durch Erhitzen in einer Atmosphäre eines geeigneten Gases in einen Keramikstoff des Metalls umgewandelt werden. Beispielsweise kann ίο in dem Fall, wo die Teilchen durch Siliciummetall miteinander verbunden sind, daß gefüllte Rohr in Stickstoff erwärmt werden, und zwar anfänglich bei 125O⁰C, wobei die Temperatur dann in Stufen von 50⁰C bis auf 1400⁰C erhöht wird, so daß das Siliciummetall in Siliciumnitrid (S13N4) verwandelt wird.As a further step in the process, an all metal bond or any metal remaining in the bond can be converted to a ceramic of the metal by heating in an atmosphere of a suitable gas. For example, in the case where the particles are connected to one another by silicon metal, the filled tube can be heated in nitrogen, initially at 125O ⁰ C, the temperature then being increased in steps from 50 ⁰ C up to 1400 ⁰ C, so that the silicon metal is turned into silicon nitride (S13N4).

Nach Bindung der Teilchen im Siliciumkarbid-Rohr wird das Rohr durch Bildung einer einstückigen Siliciumkarbid-Endkappe verschlossen. Der Endverschluß kann auf folgende Weise hergestellt werden:After binding the particles in the silicon carbide tube, the tube is formed into a one-piece Silicon carbide end cap closed. The termination can be made in the following ways:

Eine Mischung wird aus folgenden Bestandteilen zusammengestellt:A mixture is made up of the following components:

(a) 199 Gramm Alpha-Siliciumkarbid-Pulver 600er Normsieb (British Standard),(a) 199 grams of alpha silicon carbide powder 600 Norm sieve (British Standard),

(b) 25 Gramm kolloidaler Graphit,(b) 25 grams of colloidal graphite,

(c) 33 Gramm des keramischen Bindematerials »Cranco« (Eingetragenes Warenzeichen von Imperial Chemical Industries Ltd.), welches 32 Gewichtsprozent Polybutylmethacrylat, 32 Gewichtsprozent Xylol, 6 Gewichtsprozent Dibutylphthalat, Rest Aceton, enthält,(c) 33 grams of the ceramic binding material »Cranco« (registered trademark of Imperial Chemical Industries Ltd.), which is 32 percent by weight polybutyl methacrylate, 32 percent by weight Contains xylene, 6 percent by weight dibutyl phthalate, the remainder acetone,

(d) 20 Kubikzentimeter Methyläthylketon-Verdünnung. (d) 20 cubic centimeters of methyl ethyl ketone dilution.

Die obigen Bestandteile werden zu Brei gemengt und vakuumgetrocknet, bis das gesamte Lösungsmittel entfernt worden ist, d. h. die ursprüngliche Methyläthylketon-Verdünnung des Breis und die Xylol- und Aceton-Bestandteile des »Cranco«. Die Lösungsmittelentfernung ist erreicht, wenn ein endgültiges Gewicht von 137,5 Gramm beider Mischung erreicht worden ist.The above ingredients are mixed into a slurry and vacuum dried until all of the solvent has been removed, d. H. the original methyl ethyl ketone dilution the porridge and the xylene and acetone components of the "Cranco". The solvent removal is reached when a final weight of 137.5 grams of both mixture has been reached.

Das getrocknete Gemisch wird dann durch ein 100er Normsieb (British Standard) versiebt, um Körnchen zu bilden, und die Körnchen werden dann zu einem zylindrischen Endstopfen mittels Formstück-Pressung bei einen Druck von 3150 kg/cm² verdichtet bzw. zusammengedrückt. Ein Endstopfen, der im Durchmesser etwas größer als der Bohrungsdurchmesser des Siliciumkarbid-Rohrs ist, wird hergestellt, so daß der Endstopfen eine Preßpassung im Ende des Siliciumkarbid-Rohres aufweist. Nach Verstopfen des Endes des Siliciumkarbid-Rohres mit dem rohen Endstopfen wird das Rohr mit dem verstopften Ende nach unten in einen Hochfrequenz-Induktionsofen gehängt, in welchem sich ein Tiegel befindet, der Siliciummetall enthält Der Ofen wird evakuiert, und das Rohr wird auf 1600 bis 1700⁰C erhitzt und vier Stunden so gelassen, damit es entgast wird. Das Rohr wird dann abgesenkt, so daß das mit einem Stopfen versehene Ende mit dem geschmolzenen Silicium im Tiegel in Berührung gebracht wird und das Siliciummetall den rohen Endstopfen durch Kapillarwirkung durchsetzt. Das Siliciummetall reagiert mit dem Kohlenstoff im rohen Endstopfen und verwandelt den Kohlenstoff in Beta-Siliciumkarbid, welches die ursprünglichen Siliciumkarbid-Körnchen des Endstopfens miteinander verbindet und auch den Endstopfen im Ende des Rohres befestigt. Das obige Verfahren zum Endverschließen kann auch zum Verschließen des ersten Endes des Siliciumkarbid-Rohrs verwendet werden, bevor das Rohr mit überzogenen Teilchen gefüllt wird.The dried mixture is then sieved through a British Standard 100 sieve to form granules, and the granules are then molded into a cylindrical end plug by compression molding at a pressure of 3150 kg / cm ² . An end plug slightly larger in diameter than the bore diameter of the silicon carbide tube is made so that the end plug is an interference fit in the end of the silicon carbide tube. After plugging the end of the silicon carbide tube with the raw end plug, the tube is hung with the plugged end down in a high frequency induction furnace in which there is a crucible containing silicon metal. The furnace is evacuated and the tube is set to 1600 to Heated to 1700 ^° C. and left for four hours so that it is degassed. The tube is then lowered so that the plugged end is brought into contact with the molten silicon in the crucible and the silicon metal penetrates the raw end plug by capillary action. The silicon metal reacts with the carbon in the raw end plug, converting the carbon to beta silicon carbide, which bonds the original silicon carbide granules in the end plug and also secures the end plug in the end of the tube. The above method of end capping can also be used to cap the first end of the silicon carbide tube prior to filling the tube with coated particles.

Brennelemente, die eine Dispersion überzogener Teilchen aus spaltbarem Material in einer festen Matrix aus nichtspaltbarem Material aufweisen, haben, obwohl sie eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen (beispielsweise hat eine Dispersion von 38 Volumenprozent von mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Urankarbid-Teilchen mit einem Durchmesser von 620 Mikron in einer festen Matrix aus Siliciumkarbid eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 Kalorien/⁰ C/cm/sec), eine Wärmespannungsbegrenzung hinsichtlich der Temperatur, bei welcher sie im Betrieb verwendet werden können. Ein lockeres Gefüge solcher überzogenen Teilchen in einem Behälterrohr hat keine Wärmespannungsbegrenzung, welche seine Betriebstemperatur beeinträchtigt. Aber die Temperatur, bei welcher das Brennelement verwendet werden kann, ist begrenzt, und zwar wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit des lockeren Gefüges der überzogenen Teilchen. Zum Beispiel hat ein 60 volumenprozentiges lockeres Gefüge aus mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Siliciumkarbid-Teilchen mit einem Durchmesser von 620 Mikron eine Wärmeleitfähigkeit von 0,002 Kalorien/⁰ C/cm/sec im Vakuum, und die Wärmeleitfähigkeit steigt nur auf 0,008 Kalorien/⁰ C/cm/sec in Helium.Fuel assemblies that have a dispersion of coated particles of fissile material in a solid matrix of non-fissile material, although they have good thermal conductivity (e.g. a 38 volume percent dispersion of pyrolytic carbon coated uranium carbide particles 620 microns in diameter a solid matrix of silicon carbide a thermal conductivity of 0.2 calories / ⁰ C / cm / sec), a thermal stress limit with regard to the temperature at which they can be used in operation. A loose structure of such coated particles in a container tube has no thermal stress limitation which affects its operating temperature. But the temperature at which the fuel assembly can be used is limited because of the poor thermal conductivity of the loose structure of the coated particles. For example, a 60 volume percent loose structure of pyrolytic carbon coated silicon carbide particles with a diameter of 620 microns has a thermal conductivity of 0.002 calories / ⁰ C / cm / sec in vacuum and the thermal conductivity only increases to 0.008 calories / ⁰ C / cm / sec in helium.

Ein Brennelement gemäß der Erfindung hingegen ist frei von Wärmespannungsbegrenzungen und hat auch eine viel bessere Wärmeleitfähigkeit, als in einem lockeren Gefüge von Teilchen erreicht werden kann. Die verbesserte Wärmeleitfähigkeit wird dadurch erreicht, daß die Teilchen an ihren Berührungspunkten mittels einer Brücke aus Bindematerial von hoher Leitfähigkeit miteinander verbunden werden. Beispielsweise wird bei einem Brennelement, welches nach dem voraufgeführten Verfahren hergestellt wird und mit pyrolytischem Kohlenstoff belegte Urankarbid-Teilchen mit einem Durchmesser von 650 Mikron aufweist, die im Bereich ihrer Berührungsstellen mittels einer Siliciummetall/Siliciumkarbid-Bindung miteinander verbunden sind, eine Wärmeleitfähigkeit von 0,017—0,022 Kalorien/" C/cm/sec erreicht. Das Miteinander-Verbinden von überzogenen Teilchen mittels eines Stoffes, wie beispielsweise Kohlenstoff, ist dadurch möglich, daß z. B. die Teilchen mit einem karbonisierbaren Kunstharz überzogen werden und daß dann eine Anhäufung der überzogenen Teilchen erwärmt wird, um das Kunstharz zu karbonisieren. Obwohl ein Brennelement, welches ein Gefüge aus solchen überzogenen Teilchen in einem Behälter einhielte, frei von Wärmespannungsbegrenzungen wäre, so würde die Wärmeleitfähigkeit des Gefüges von überzogenen Teilchen doch gering sein. Aus diesem Grunde werden die Teilchen nur in Punktkontakt miteinander verbunden, und daher weist der bindende Kohlenstoff eine geringe Dichte und folglich eine niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Typischerweise wird eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,008 Kalorien/⁰ C/cm/sec bei einem solchen BrennelementA fuel assembly according to the invention, on the other hand, is free from thermal stress limitations and also has a much better thermal conductivity than can be achieved in a loose structure of particles. The improved thermal conductivity is achieved in that the particles are connected to one another at their points of contact by means of a bridge made of binding material of high conductivity. For example, in a fuel element which is manufactured according to the above-mentioned process and has uranium carbide particles coated with pyrolytic carbon with a diameter of 650 microns, which are connected to one another in the area of their contact points by means of a silicon metal / silicon carbide bond, a thermal conductivity of 0.017- 0.022 calories / "C / cm / sec. The bonding of coated particles to one another by means of a substance such as carbon is possible in that, for example, the particles are coated with a carbonizable synthetic resin and then the coated Particles are heated to carbonize the synthetic resin. Although a fuel assembly which contained a structure of such coated particles in a container would be free from thermal stress limitations, the thermal conductivity of the structure of coated particles would be low. Therefore, the particles become only in point contact bonded together, and therefore the binding carbon has a low density and hence a low thermal conductivity. Typically, a thermal conductivity of only 0.008 calories / ⁰ C / cm / sec for such a fuel assembly

erzielt.achieved.

Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines nuklearen Brennelements gemäß der Erfindung werden Teilchen von keramischem spaltbarem Material, die einen Überzug aus nicht-spaltbarem keramischem Material aufweisen, mit einem dünnen festen Überzug des Metalls versehen, weiche eine Bindung vorsehen soll, die Teilchen werden dann in den Behälter geschüttet und an Ort und Stelle erwärmt, um den Überzug aus Metall zu schmelzen, so daß das Metall durch Kapillarwirkung fließt, um an den Berührungsstellen der Teilchen eine Brücke aus bindendem Metall zu bilden.In another method of manufacturing a nuclear fuel assembly according to the invention Particles of ceramic fissile material that form a coating of non-fissile ceramic Have material, provided with a thin solid coating of the metal, which provide a bond should, the particles are then poured into the container and heated on the spot to make the Melt the metal coating so that the metal flows by capillary action to the points of contact of the particles to form a bridge of binding metal.

Dabei sollen die Teilchen nur an ihren Berührungsstellen durch Brückenbildung miteinander verbunden und die Zwischenräume zwischen den Teilchen nicht ganz ausgefüllt werden. Dies wird erreicht durch die Wahl einer passenden Stärke des Metallüberzugs auf den Teilchen.The particles should only be connected to one another by bridging at their points of contact and the spaces between the particles are not completely filled. This is achieved through the Choosing an appropriate thickness of the metal coating on the particles.

Der Metallüberzug wird vorzugsweise in der Dampfphase bewirkt, und zwar durch thermische Dekomposition bzw. Auflösung des Halogenide geeigneter Metalle.The metal coating is preferably effected in the vapor phase, namely by thermal means Decomposition or dissolution of the halides of suitable metals.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Brennelementes gemäß der Erfindung können Urankarbid-Teilchen, die einen äußeren Belag aus pyrolytisch abgelagertem Kohlenstoff aufweisen, mit Siliciummetall im Wirbelbett überzogen werden, wie in der britischen Patentschrift 10 31 154 beschrieben. Eine Füllung von Teilchen mit je einem Gesamtdurchmesser von 650 Mikron wird in dem Bett verwirbelt, welches auf eine Temperatur im Bereich von 800 bis 1300° C, beispielsweise 1100° C, erhitzt wird. Die Fluidisierung erfolgt durch Wasserstoff, und für ein Bett von etwa 38,1 mm Durchmesser beträgt die Fluidisierungs-Strömungsrate 33,75 Liter pro Minute. Ein Nebenstrom aus der Haupt-Wasserstoffgasströmung (beispielsweise 1,75 Liter pro Minute) wird durch einen Behälter, der Siliciumtetrachlorid enthält, hindurchgeblasen, wobei die Nebenströmung dann so geleitet wird, daß sie wieder mit der fluidisierenden Hauptgasströmung zusammentrifft. Eine Verdampfungsrate von beispielsweise 100 Gramm Siliciumtetrachlorid pro Stunde wird erreicht. Siliciummetall wird auf den überzogenen Teilchen im Wirbelbett mittels thermischer Zersetzung des Siliciumtetrachlorid abgelagert, wobei typischerweise ein Silicium-Ablagerungswirkungsgrad von 53% erreicht wird. Die Ablagerung wird fortgeführt, bis eine gewünschte Überzugsdicke erreicht ist. Bei Teilchen mit einem Durchmesser von 650 Mikron ist ein Überzug in einer Stärke von 10 Mikron ausreichend.In a method for producing a fuel assembly according to the invention, uranium carbide particles, which have an outer coating of pyrolytically deposited carbon with silicon metal are coated in the fluidized bed as described in British patent 10 31 154. A filling of Particles, each with an overall diameter of 650 microns, are fluidized in the bed which is on a temperature in the range from 800 to 1300 ° C, for example 1100 ° C, is heated. The fluidization is by hydrogen and for a bed about 38.1 mm in diameter the fluidization flow rate is 33.75 liters per minute. A side stream from the main hydrogen gas stream (e.g. 1.75 liters per minute) is blown through a container containing silicon tetrachloride, whereby the secondary flow is then passed so that it is again with the fluidizing main gas flow meets. An evaporation rate of, for example, 100 grams of silicon tetrachloride per hour is used achieved. Silicon metal is deposited on the coated particles in a fluidized bed by means of thermal decomposition of silicon tetrachloride is deposited, typically with a silicon deposition efficiency of 53% is achieved. Deposition continues until a desired coating thickness is achieved. For particles with 650 microns in diameter, a 10 micron thick coating is sufficient.

Die Teilchen werden dann in ein Siliciumkarbid-Rohr eingebracht, von dem das eine Ende mittels einer einstückig angeformten Siliciumkarbid-Endkappe verschlossen ist. Das die Teilchen enthaltende Rohr wird dann erhitzt, beispielsweise 30 Minuten lang bei 1750°C. Während dieser Erhitzungsperiode schmilzt der Siliciumüberzug auf den Teilchen und setzt sich durch Kapillarwirkung in Bewegung, um eine Brücke aus Siliciummetall zu bilden, welche die Teilchen an ihrem Berührungsstellen miteinander verbindetThe particles are then placed in a silicon carbide tube introduced, one end of which is closed by means of an integrally formed silicon carbide end cap is. The tube containing the particles is then heated, for example at 1750 ° C for 30 minutes. During this heating period the silicon coating melts on the particle and is set in motion by capillary action to create a bridge To form silicon metal, which connects the particles together at their points of contact

Die Erfindung ist weder auf die Verwendung von Siliciummetall als Bindematerial begrenzt, noch ist die Erfindung nur auf das Binden vo.n mit Kohlenstoff überzogenen Urankarbidteilchen anwendbar. Andere Bindemetalle, wie beispielsweise Molybdän, Zirkonium, Niob usw., können verwendet werden, und die Erfindung ist auch auf das Binden von Teilchen anderer spaltbarer Stoffe, wie beispielsweise Urandioxid oder Urannitrid mit Überzügen von beispielsweise Siliciumkarbid, Berylliumoxid, Aluminiumoxid usw, anwendbar.The invention is not limited to the use of silicon metal as a binding material, nor is it Invention only applicable to the binding of carbon-coated uranium carbide particles. Other Binder metals such as molybdenum, zirconium, niobium, etc. can be used and the Invention is also on the binding of particles of other fissile substances, such as uranium dioxide or Uranium nitride with coatings of, for example, silicon carbide, beryllium oxide, aluminum oxide, etc., can be used.

709 517/6709 517/6

Claims

Patent claims:

1. Nuclear reactor fuel assembly with particles of ceramic fissile material, each with a coating made of non-fissile ceramic material, which retains the fission products, and are in an outer ceramic container with the coatings in contact with one another, and there being material-free interstices between the coated particles, thereby characterized in that the coated particles pass around their points of contact individual bridges made of a binding material with high thermal conductivity bound to one another while the interstices between the coated particles are free of binding material.

2. Nuclear reactor fuel assembly according to claim 1, characterized in that the particles in the Containers in an area around each of their points of contact by an individual bridge Metal are interconnected.

3. Nuclear reactor fuel assembly according to claim 2, characterized in that the particles in the Area around each of their points of contact by an individual bridge from one such Metal are interconnected, which with the covering made of non-fissile ceramic material reacts on the particle, creating a bond of ceramic material between the particles their contact points through reaction of the metal with the said coating, in addition to the bond, which is provided by means of the metal bridge in the area around each of the contact points of the particles is, is formed.

4. Nuclear reactor fuel assembly according to claim 1, characterized in that the particles from Uranium carbide consist, each having a coating of pyrolytically deposited carbon and the particles in the area around each of their points of contact by means of an individual Bridge made of silicon metal are interconnected.

5. Nuclear reactor fuel assembly according to claim 1, characterized in that the particles from Uranium carbide consist, each having a coating of pyrolytically deposited carbon and the particles in the area around each of their contact points by means of an individual bridge Silicon metal and are connected to one another at their points of contact by means of silicon carbide, which is produced by reaction between the silicon metal and the pyrolytically deposited coating Carbon is formed on the particles.

6. A method for producing a fuel assembly according to claim 2 or 3, characterized in that that the coated with the ceramic coating particles with a deformable layer Metal powder are coated that the ceramic container with the metal powder coated Particles are filled so that the metal-coated particles are pressed down in the container, in order to deform the layer of metal powder on the particles so much that the particles make point-to-point contact have on their coatings made of the ceramic material that thereupon the outer ceramic container with the contained therein Particle is heated to the metal powder

melt so that the molten metal is set in motion by capillary action individual bridges of metal to form which the particles in the area around each of their Connect contact points around each other.

7. A method for producing a fuel assembly according to claim 5, characterized in that Particles of uranium carbide, each of which has a coating of pyrolytically deposited carbon, be coated with a deformable layer of silicon metal powder by placing the particles in a slurry of silicon metal powder, a solvent and a binding material are rolled that the ceramic container is filled with the coated with silicon metal powder particles that the Particles in the container are pressed down to the layer of silicon metal powder so strong deform so that the particles have point-to-point contact on their carbon coatings, that then the outer ceramic container with the particles contained therein is heated to produce the silicon metal powder to melt, so that the molten silicon is in motion by capillary action sets to form individual bridges of silicon metal that span the particles around each of their Connect contact points around each other, so that by reaction of the silicon metal with the Carbon coating of the particles silicon carbide is formed, which attach the particles to each of them Connecting points of contact in the container with one another.

8. A method for treating a fuel assembly according to claim 2 or 3, characterized in that that the fuel assembly is heated in an atmosphere of a gas, which with the bridges Metal between the particles in the fuel assembly reacts to form said metal in a ceramic Converting substance.

9. A method for treating a fuel assembly according to claim 4 or 5, wherein the silicon metal in the bridges between the particles is converted into silicon nitrite, characterized in that the Fuel assembly is heated in an atmosphere of nitrogen.