DE1646783C3 - Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Graphit-Brennstoffelementen - Google Patents

Description

Preßgemisches die Gummipreßform mit Ent- Fallfestigkeitseigenschaften der fertigen Brennelementlüftungsnuten versehen wird. 25 kugeln zur Folge. Außerdem läßt sich bei einer Ein-

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, bringung des Brennstoffs in Form von beschichteten dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Preß- Brennstoffpartikeln nicht vermeiden, daß ein kleiner stufe ein brennstoffhaltiger Kern bei niedrigem Teil der Partikeln in dem Kugdpreßgesenk beim Pressen Druck vorgepreßt und daß dieser Kern mit einer beschädigt wird.

brennstofffreien Graphitschicht umgeben und in 30 Zur Herstellung von kugelförmigen Brennelementen

einer zweiten Preßstufe bei hohem Druck nach- ist neben dem Pressen in Kugelpreßwerkzeugen aus

gepreßt wird. Stahl auch das Pressen in einer Gummieinlagematrize

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, beschrieben worden. Wegen Verfahrensschwierigkeiten dadurch gekennzeichnet, daß eine zentrale kugel- bei den Versuchen, eine exakte Kugelform sowie förmige Zone aus Graphitpreßpulver und um diese 35 Graphitkugeln mit hoher Festigkeit zu erreichen, Zone eine schalenförmige Zone aus dem Gemisch wurde dar Verfahren nicht weiter entwickelt.

von Brennstoffteilchen und Graphitpreßpulver Es ist weiterhin bekannt (Ceramic Bulletin 30

eingeformt und in einer ersten Preßstufe bei niedri- (1951), 341 und 37 [1958], 473), Formkörper aus

gern Druck zu einem kugelförmigen Preßkörper keramischen Werkstoffen durch hydrostatisches Pres-

vorgepreßt und daß dieser Preßkörper mit einer 40 sen in einer Gummiform herzustellen, wobei entweder

brennstofffreien Graphitschicht umgeben und in eine mechanische Nachbearbeitung des Formkörpers

einer zweiten Preßstufe bei hohem Druck zu einem nötig ist oder bereits von einem Preßling ausgegangen

kugelförmigen Brennelement fertiggepreßt wird. werden muß (Ceramic Bulletin 30 [1951], 127). Hierbei

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch dient die Gummiform nur zur stützenden Umhüllung gekennzeichnet, daß zur besseren Haftung der 45 des aus Pulver bestehenden Form körpers vor der äußeren Graphitschale der innere Kern an der Verfestigung durch das Pressen. Die Übertragung des Oberfläche gefurcht hergestellt wird. Preßdruckes erfolgt über Flüssigkeiten, was besondere

Abdichtungsprobleme des Preßwerkzeugs mit sich

bringt.
50 Vor dem Pressen in der Gummiform müssen die

Pulvergemische entlüftet bzw. evakuiert werden, was

über eine Hohlnadel geschieht, die in den Preßraum

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eingeführt und vor dem eigentlichen Preßvorgang von weitgehend isotropen, kugelförmigen Brennele- wieder entfernt wird.

menten durch Pressen einer Mischung von Kern- 55 Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, brennstoffteilchen und bindemittelhaltigem Graphit- ein Verfahren zu entwickeln, das es gestattet, auf pulver mit Hilfe einer aus Silikongummi bestehenden einfache Weise kugelförmige Brennelemente herzu-Form. stellen, die alle an Brennelemente gestellten physi-

Für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren kaiischen und technologischen Bedingungen erfüllen, werden kugelförmige Graphitbrennelemente benötigt. 60 Erfindungsgemäß lassen sich weitgehend isotiope, An diese Brennelemente wird eine Reihe von Anfor- kugelförmige Brennelemente durch Pressen einer derungen gestellt, die für die Graphittechnik bisher Mischung von Kernbrennstoffteilchen und bindemittelin dieser Zusammenstellung ungewöhnlich sind. Die haltigem Graphitpulver, gegebenenfalls unter Zusatz wichtigsten Anforderungen an die brennstoffhaltigen von Ruß, in einer entlüfteten zylindrischen, gummi-Graphitkugeln sind: Gute Fall- und Schlagfestigkeit, 65 elastischen Form, die in eine Stahlmatrize eingesetzt Beständigkeit gegen eine hohe Dosis von schnellen ist, dadurch herstellen, daß die Brennelemente mit Neutronen, Korrosionsbeständigkeit gegen die oxy- Hilfe einer aus Silikongummi bestehenden, genau in dierenden Verunreinigungen des Kühlgases bei der die Stahlmatrize passenden Form in bekannter Weise

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mit Ober- und Unterstempel gepreßt werden, wobei daß beim Pressen eine Kugel in gewünschter Größe

die Form eine dem Preßdruck und dem Verdichtungs- entsteht. Sie wird in die Stahlmatrize der Presse ein-

weg angepaßte, ellipsoidförmige Höhlung besitzt. geführt und mit Ober- und Unterstempel zusammen-

Die hier beschriebene Erfindung umgeht die tech- gepreßt. Die üblichen Gummiformen werden nur bei nologischen Schwierigkeiten bei der Herstellung von 5 genügend niedrigen Preßdrücken rein elastisch vei-Brennelementen nach bekannten Verfahren. Sie er- formt und bilden sich nach Abschluß des Preßvormöglicht eine gleichmäßige Verdichtung und gewähr- ganges in die Ausgangsform zurück. Um durch Kaltleistet, daß beim Pressen die beschichteten Brenn- pressen Formkörper herzustellen, die nach der anstoffpartikeln trotz eines relativ hohen Preßdrucks schließenden Temperaturbehandlung den anfangs von etwa 5 t/cm² unbeschädigt bleiben. Die Preß- io genannten Anforderungen entsprechen, wird jedoch drücke betragen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein relativ hoher Preßdruck von 2 bis 5 t/cm⁸ nötig. 1 bis 10 t/cm². Erfindungsgemäß wird Silicongummi verwendet. Die

Die Verwendung einer Form mit einer ellipsoid- aus Silikongummi angefertigten Formen können bis

förmigen Höhlung ergibt den Vorteil, daß beim zu Drücken von etwa 5 t/cm² rein elastisch gepreßt

Pressen eine gleichmäßige Verdichtung des Graphit- 15 werden und halten den Preßvorgang mehrere hun-

pulvers erfolgt, so daß die erzeugte Kugel eine völlig dert Mal ohne Verschleiß aus.

gleichmäßige Dichte besitzt, obwohl das Pulver bei Das erfindungsgemäße Preßverfahren unterscheidet dem Preßvorgang auf das drei- bis fünffache ver- sich von bekannten isostatischen Pressen, bei dem das dichtet wird. Eine isotrope Verdichtung, d. h. bei Pulver in einer stützenden Gummiform über eine einem Verfahren, bei dem der Preßdruck von allen 20 Flüssigkeit in einer Stahlmatrize allseitig zusammen-Seiten gleichmäßig auf das Preßmaterial einwirkt, gepreßt wird, dadurch, daß über eine genau passend läßt sich bei der Herstellung von Kugeln nur mit in die Stahlmatrize eingesetzte Gummiform aus SiIikugelförmigen Höhlungen durchführen, die gegen- kongummi über den Ober- und Unterstempel ein über dem Außenraum absolut dicht sein müssen. Eine allseitiger Druck auf das Pulvergemisch ausgeübt Herstellung derartiger Kugelformen ist außerordentlich 25 wird. Der Gummi wirkt mit seinem über weite Beschwierig, da die Form zur Einbringung des Pulvers reiche elastischen Verhalten wie eine fluide Masse, zumindest in zwei Hälften aufgeteilt sein muß. Die ohne die Nachteile einer Flüssigkeit zu besitzen. Herstellung einer Kugel in einer erfindungsgemäßen Dadurch entfallen beispielsweise gewisse Dichtungs-Form mit einer ellipsoidförmigen Höhlung ist dagegen probleme.
wesentlich einfacher. 30 Um an der Brennelementoberfläche befindliche

Die aus Silikongummi bestehende Form ist zur Brennstoffpartikeln vor mechanischer Beschädigung

Entlüftung des Preßgemisches mit Entlüftungsnuten zu schützen, wird — wie in A b b. 1 dargestellt —

versehen. der brennstoffhaltige Graphitkörper 1 von einer

Die Graphitmatrix der gepreßten Brennelemente möglichst dünnen partikelfreien Schale 2 umhüllt, wird durch Pressen und Glühen aus einer in Pulver- 35 die aus dem gleichen Graphitmaterial besteht wie die form vorliegenden Graphitpreßmasse gebildet und Matrix des brennstoffhaltigen Kerns. Hierzu wird stellt die Struktursubstanz des Brennelementes dar. zunächst eine Kugel aus dem Gemisch von Graphit-Sie unterscheidet sich von den üblichen Elektro- preßpulver und Brennstoffpartikeln bei einem gegraphiten besonders durch die abschließende Wärme- ringen Druck von etwa 20 kg/cm^a semihydrostatisch behandlung. Die Elektrographite werden durch Er- 40 in hierfür spezial angefertigten Gummiformen vorhitzen der Kunstkohlekörper auf Temperaturen zwi- gepreßt. Erfindungsgemäß ist es von großem Vorteil, sehen 2500 und 3000⁰C hergestellt. Da bei diesen wenn die Oberfläche des vorgepreßten Kugelkerns Temperatu-en eine beträchtliche Uran- und Thorium- nicht glatt, sondern gefurcht hergestellt wird. Die diffusion in der Pyrolytkohlenstoffschicht der be- Furchung der Oberfläche wird durch entsprechende schichteten Brennstoffpartikeln auftritt, ist die Wärme- 45 Formgebung der ellipsoidförmigen Aushölung erzeugt, behandlung der gepreßten Brennelemente auf wesent- die ihrerseits beim Gießen der Gummiform in einer Hch niedrigere Temperaturen von max. 2000⁰C geeigneten Gußmatrize erzielt wird,
begrenzt. Infolgedessen wird bereits als Ausgangs- Anschließend wird der brennstoffhaltige Kern mit material Graphitpulver verwendet. einer aus Graphitpreßpulver vorgebildeten brennstoff-

Der Hauptbestandteil der Graphitpreßmasse be- 5° freien Schale umhüllt. Hierzu werden in den beiden steht aus einem gut kristallisierten, nuklearreinen Gummiformhälften die Halbschalen aus Graphit-Naturgraphitpulver, dem, um die erforderlichen preßpulver mit einem drehenden Verteilerkopf vor-Festigkeitseigenschaften der fertigen Brennelemente geformt. Die vorgepreßte Kernkugel wird dann in zu erreichen, eine möglichst geringe Menge Binde- eine der genau passenden Halbschalen eingelegt und mittel beigemischt wird. Zur weiteren Verbesserung 55 beide Formhälften zusammengeklappt. Bei dem ander Eigenschaften wird dann dem Naturgraphit ent- schließenden Fertigpressen wird auf die Gummiform weder Elektrographitpulver oder eine geringe Menge der volle Druck ausgeübt, und man erhält bei guter an Ruß zugefügt. Dabei ist es vorteilhaft, den Ruß Anpassung beider Arbeitsgänge Brennelementkugeln, vor dem Beimischen auf 2700⁰C zu erhitzen. bei denen die Abweichung von dem mittleren Kugel-

Um einen isotropen Preßkörper zu erhalten und 6p durchmesser bis auf weniger als ±1 mm eingehalten

um die in die Graphitmasse eingemischten Brenn- werden kann.

Stoffpartikeln beim Pressen nicht zu beschäd^:gen, Die Furchung der Oberfläche ergibt beim Fertigwird das Pressen in einer Gummiform vorgenommen. pressen eine unregelmäßige Ausbildung der Grenz-Die Gummiform ist zylinderförmig und kann entweder flächen zwischen Schale und Kern im fertigen Brennaxial oder radial zur Zylinderachse in zwei symmetri- 65 element und verhindert ein Abplatzen der Schale sehe Hälften geteilt werden. Zur Aufnahme des bei Fallbeanspruchung. Durch diese Maßnahme lassen Graphitpreßpulvers befindet sich innen eine zentrale sich die Schalen von etwa 2 bis 5 mm Stärke anstandsellipsoidförmige Aushöhlung, die so ausgebildet ist, los aufpressen. Diese dünnen Schalen ergeben, zu-

sammen mit der guten Wärmeleitfähigkeit der Graphitmatrix, gegenüber anderen Brennelementkonzeptionen im Reaktorbetrieb eine besonders niedrige Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Zentrum der Kugel.

Der Wärmetransport aus den Brennstoffpartikeln an die Oberfläche des Brennelementes kann noch verbessert werden, wenn das Brennelement in drei Zonen aufgebaut ist. Abb 2: brennstoff freier Kern 3, brennstoff haltige Zwischenschicht 4 und brennstofffreie Außenschale 5. Die Herstellung erfolgt wie bei dem aus zwei Zonen aufgebauten Element, und zwar in zwei Arbeitsschritten: dem Vorpressen des brennsioffhaltigen Kerns, der nunmehr aus zwei Zonen aufgebaut ist, und Aufpressen der Schale bei vollem Druck. Bei der Herstellung des brennstoffhaltigen Kerns wird in diesem Fall die Gummiform mit einer besonderen Füllvorrichtung zonenweise gefüllt. Beim Vorpressen wird die Anordnung der beiden Innenzonen nicht verändert, sondern es ergibt sich eine Verkleinerung der Dimensionen in Richtung zum Kugelmittelpunkt.

Nach dem Pressen werden zunächst die Brennelementkugeln zum Verkoken des Binders in Inertgas auf etwa 1000⁰C erhitzt und anschließend im Vakuum bei möglichst hohen Temperaturen von 1600 bis 2000⁰C ausgeglüht. Da beim Pressen der in Auswahl genommenen Graphitpreßmassen Formkörper hoher Dichte entstehen, ist beim Verkoken eine Autoklavenerhitzung unter mehreren Atmosphären Überdruck vorteilhaft. Durch die abschließende Temperaturbehandlung im Vakuum werden die physikalischen Eigenschaften der Graphitmatrix erheblich verbessert. Es wurde zwar zunächst angenommen, daß sie keine Eigenschaftsänderungen der Graphitmatrix hervorrufen würden, da erstens die Verkokung des Binders bei etwa 900⁰C bereits im wesentlichen abgeschlossen ist und zweitens, da eine merkliche Unordnung der Kohlestruktur in eine geordnete Graphitstruktur erst bei 2000⁰C erfolgt. Es zeigt sich aber, daß bei den von 1000 auf 1600 bis 2000° C erhitzten Brennelementkugeln eine Verbesserung der Oxydationsbeständigkeit um den Faktor 2 bis 4, eine Verbesserung der Fallbeständigkeit um den Faktor 3 bis 5 sowie eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit um den Faktor 2 bis 3 eintritt und dadurch in praktisch sämtlichen Eigenschaften die Qualität eines bei etwa 2300ⁿC graphitierten Feinkorn-Elektrographits hoher Dichte und Festigkeit erreicht wird.

In der Tabelle sind die physikalischen Eigenschaften der mit Stahlpreßwerkzeug gepreßten Graphitkugeln den Eigenschaften der in Gummiform semihydrostatisch gepreßten Kugeln gegenübergestellt. Aus diesem Vergleich ist deutlich zu erkennen, daß durch semihydrostatisches Preßverfahren in Gummiformen die Festigkeitseigenschaften und Isotropie-der fertigen

ίο Graphitkugeln erheblich verbessert werden. Die Tabelle zeigt, daß durch das Pressen in Gummiformen bereits bei den um den Faktor 2 niedrigeren Preßdruck (3 t/cm² im Vergleich zu dem Preßdruck von 6 t/cm² beim Pressen mit dem Stahlpreßwerkzeug) die Druckfestigkeit um etwa 30% und die Biegefestigkeit um etwa 130% zugenommen haben.

Wegen der guten Wärmeleitfähigkeit der Graphitmatrix (siehe Tabelle) können vor allem die aus drei Schichten aufgebauten kugelförmigen Brennelemente

ao sehr hohe Leistungen bis zu etwa 10 kW (bei 6 cm Außendurchmesser) abgeben, ohne daß die Beschichtung der Brennstoffpartikeln Schaden leidet oder daß der Temperaturunterschied von Kern zu Oberfläche zu unzulässigen Temperatutspannungen führt. Diese Leistungserhöhung pro Brennelement ergibt einerseits eine starke Reduzierung des Brennelementpreises pro eingebrachter Brennstoffmenge, andererseits eine Erhöhung der Leistungsdichte im Reaktor und damit ein kompakteres Reaktorcore. Insgesamt bringt also die Leistungserhöhung eine wesentliche Kostenreduktion für die Stromerzeugung des Reaktors.

Im Falle einer geringeren Leistungsabgabe wird durch die Verminderung des genannten Temperaturunterschiedes und damit durch Verminderung dei Maximaltemperatur bei vorgegebener Außentemperatur gegenüber anderen Brennelementkonzepten eine Verbesserung der Beständigkeit der beschichteter Brennstoffpartikeln und eine Verminderung der Freisetzungsgeschwindigkeit von Spaltprodukten aus der Brennstoffpartikeln erzielt.

Außer reinen Brennstoffpartikeln (beschichteter UC₂- oder UO₂-Partikeln) können Brutstoffpartikeln in denen Uran teilweise oder ganz durch Thoriun ersetzt ist, oder Abbrandgiftpartikeln (mit beispiels weise B₄C) eingebracht werden.

Eigenschaften der nach dem Ausglühen im Vakuun gepreßten Graphitkugeln:

PreBdnick t/cm'	Dichte g/cm3	Druckfestigkeit kg/cm2	Biegefestigkeit kg/cm a	Linear, therm. Ausdehnung bei 20 bis 10000C μπι/m · 0C	Anisotrop.-fak tor f. therm. Ausd.
A 6 B 3	1,9 1,7	350 480	82 210	1,9 3,4	1,2 1,0

A mit kugelförmigen Stahlpreßwerkzeugen. B semihydrostatisch in Gummiform gepreßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Betriebstemperatur von 600 bis 12000C, gute Wärme-Patentansprüche: leitfähigkeit, gute Abriebfestigkeit, Beständigkeit bei einem Temperaturgefälle in der Kugel von mehreren

1. Verfahren zur Herstellung von weitgehend hundert Grad und bei raschen Temperaturänderungen isotropen, kugelförmigen Brennelementen durch 5 und schließlich eine gute nukleare Reinheit, d. h. Pressen einer Mischung von Kernbrennstoffteilchen geringe Verunreinigung durch neutronenabsorbierende und bindemittelhaltigem Graphitpulver, gegebenen- Stoffe.

falls unter Zusatz von Ruß, in einer entlüfteten, Es ist bekannt, daß kugelförmige Kernbrennstoffzylindrischen, gummielastischen Form, die in eine elemente mit Stahlpreßwerkzeugen durch Einpressen Stahlmatrize eingesetzt ist, dadurch ge- io der Brennstoffteilchen in eine in Pulverform vorliegende kennzeichnet, daß die Brennelemente mit Graphitgrundmasse hergestellt werden können. Der Hilfe einer aus Silikongummi bestehenden, genau Brennstoff wird entweder als zentraler Einsatzkörper in die Stahlmatrize passenden Form in bekannter oder in Form von beschichteten Partikeln eingebracht. Weise mit Ober-und Unterstempel geprebt werden, Dabei ist es vorteilhaft, die äußere Kugelschale der wobei die Form eine dem Preßdruck und dem Ver- 15 Brennstoffelemente von Brennstoffpartikeln freizudichtungsweg angepaßte, ellipsoidförmige Höhlung halten, damit bei einer möglichen mechanischen Bebesitzt. Schädigung der Kugeloberfläche keine Brennstoff-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- partikein zerstört werden. Aus dem Preßling wird das kennzeichnet, daß die gefüllte Form in der Stahl- fertige Brennelement durch Erhitzen auf etwa 1000° C matrize bei Drücken von 1 bis 10 t/cm² gepreßt 20 hergestellt. Der Nachteil des Pressens mit Stahlpreßwird. werkzeuger, ist vor allem eine ungleichmäßige Ver-

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dichtung des Graphitpreßpulvers.

dadurch gekennzeichnet, daß zur Entlüftung des Dies hat eine höhere Anisotropie und niedrigere