DE1646792A1

DE1646792A1 - Verfahren zur Herstellung von kugelfoermigen Brennelementen aus Graphit

Info

Publication number: DE1646792A1
Application number: DE19661646792
Authority: DE
Inventors: Milan Dipl-Chem Hrovat; Gerhard Dipl-Chem Dr Spener
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1966-10-25
Filing date: 1966-10-25
Publication date: 1971-09-30
Also published as: NL6705140A; BE702073A; LU53349A1; GB1137013A

Description

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Nuklear-Chemie und -Metallurgie Gesellschaft m.b.H.

WoIfgang b. Hanau

Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Brennelementen

aus Graphit.

Für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren werden häufig kugelförmige Brennelemente verwendet, die den Brennstoff in einer Graphitmatrix enthalten. Der Brenn- und Brutstoff kann sieh entweder als kompakter Einsatzkörper innerhalb der Graphitsubstanz befinden, oder er kann in relativ feiner Verteilung, z.B. in Form von beschichteten Partikeln, in die Graphitmatrix eingebettet werden. Notwendige Eigenschaften für derartige Brennelemente sind vor allem hohe Festigkeiten, gute Oxydationsbeständigkeit gegen die Verunreinigungen des Kühlgases, gute Wärmeleitfähigkeit, gutes Äbriebverhalteii und schliesslich gute Bestrahluiigsbeständigkeit gegen eine hohe Dosis von sehneilen Neutronen. Besonders wichtig ist eine gute Fallfestigkeit der Brenne! emeiitkugeln, da diese im Meaktor beim ersten Einfüllen und beim nachfolgenden Umlauf mehrere Fälle aus einigen Metern Fallhöhe ohne Beschädigung aushalten müssen.

Es ist bekannt, dass derartige kugelförmige Brennelemente mit einem Stahlpresswerkzeug durch ßinpressen des Brennstoffes in eine in Pulverform vorliegende Graphitgrundmasse hergestellt werden können. Der Brennstoff wird entweder als zentraler Einsatzkörper oder in Form von beschichteten Partikeln eingebracht. Dabei ist es vorteilhaft j die aussere Kugeisohale von Brennstoffpartikeln frei zu halten, damit beim Einfüllen der Elemente in den Reaktor und beim naehfolgenden Umlauf keine Partikeln zerstört werden. Aus dem Pressling wird das fertige Brennelement durch Erhitzen auf ca. 1000⁰C hergestellt. Nachteilig beim Pressen mit Stahlprenswerkzeug ist vor allem eine uagleichmässiga Verdichtung

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des Graphitpresspulvers. Dies hat eine hönere Anisotropie und damit eine niedrigere Fallfestigkeit und eine geringere Be- . Strahlungsbeständigkeit der fertigen Brennelementkugeln zur Folge. Ausserdem lässt sich bei einer Einbringung des Brennstoffes in Form von beschichteten Partikeln nicht vermeiden, dass ein gewisser Teil der Partikeln in dem Kugelpressgemisch beim Pressen beschädigt wird.

Um die Nachteile, die das Pressen mit dem ötalilpresswerkzeüg mit sich bringt, zu umgehen, ist bereits vorgeschlagen worden, derartige Brennelementkugeln durch Pressen aster Vakuum in Ein— lagematrizen aus elastischem Material, z»B, Silikongummi, herzustellen. Die Einlagematrize ha"'t eine zylindrische Form und besteht im wesentlichen aus zwei Teilen. Zur Aufnahme des Presspulvers hat sie eine zentrale Aushöhlung, die ellipsoidfÖrmig ausgebildet werden muss, damit bei 'dem sogenannten semihydrostatischen Pressvorgang eine Kugel entsteht. Die Dimensionen der Aushöhlung, die vom Pressdruck und von der Schüttdichte des Pulvers abhängen, müssen exakt bestimmt werden. Weiterhin fordert das semihydrostatische Pressen eine symmetrische Verformung der Gummimatrizen· Aus diesem Grunde lassen sich in einem Pressvorgang maximal zwei übereinanderliegende Kugeln herstellen, wobei; mit Ober- und Unterstempel gepresst werden muss.

Die Presslinge werden nach dem Pressen unter Schutzgas auf 1000 erhitzt und anschllessend im Vakuum bei ca» 2000°G ausgeglüht.

Es wurde nun gefunden, dass die Brenneleinentimgeln aiisser durch das oben beschriebene seiaihydro statische Pressverfahren auch mit, gewissen Vorteilen durch isostatiselies Pressen hersteilbar sind, wenn die fertig gefüllten Gummiformen vor deia Fressen einem Eva-\ kuieruugsvorgang unterworfen werden. Bei diesem EvakuierungsVorgang wird zunächst die Luft, die in dem PresspulVer enthalten ist,

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entfernt und dann das isostatische Pressen durchgeführt. Die Gummiformen bestehen aus zwei Kugelschalenhälften, deren eine zur Aufnahme des Graphitpresspulvers mit einem konisch ausgebildeten Stopfen versehen ist. Die Herstellung der Brennelementkugeln mit einer brennstofffreien Schale erfolgt in zwei Schritten;

- Vorpressen des brennstoffhaltigen Kugelkerns aus dem Gemisch von Graphitpresspulver und Brennstoffpartikeln bei einem geringen Druck und

- Umhüllen des Kerns mit einer brennstofffreien Schale aus Graphit unter hohem Druck von ca« 2 - 5 t/cm .

Hierzu wird der vorgepresste brennstoffhaltige Kugelkern mit Hilfe einer Vorrichtung in der Gunuaiföz'mhälf te zentriert. Nach Zusammensetzen der beiden FormhälfiFen wird das Graphitpresspulver durch die obere Öffnung eingefüTll; und die Öffnung mit dem Stopfen verschlossen. Eine grössere Anzahl" von ca, 100 fertig gefüllten Gummiformen wird dann in ein Gefass eingebracht, das anschli es send evakuiert wir"d. Das Gefäss wird mit Flüssigkeit gefüllt, die den isostatischen Druck auf die KugelfOrnieii ausübt .und eine gleielmässige Verdichtung des Pressgemisches bewirkt. Gegebenenfalls kann hierbei durch ein entsprechendes Ventil dafür gesorgt werden, dass beim Evakuieren die Luft aus dem Inneren der elastischen Formen austreten kann, während die den Pressdruck ausübende Flüssigkeit nicht in das Innere der Pressfoi^m eintreten kann. Während beim semihydrostatisehen Pressen in einem Pressvorgang nur bis zu zwei Kugeln gepresst werden, erlaubt das isostatische Pressverfahren in einem Press-Vorgang über 100 Kugeln herzustellen. Weiterhin ist die Anfertigung der elastischen Formen einfacher, da die innere Aushf5hlung nicht ellipsoid-, s pudern - kugelförmig ausgebildet werd ofP mn s s. ■

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Grundsätzlich ist es auch möglich, durch isostatisches Vorpressen bei geringem Druck in Pressluft oder Flüssigkeit den
Innenteil des Kugelkörpers herzustellen, der aus einem Gemisch von Graphitpresspulver und beschichteten Brenn- und Brutstoff~ partikeln besteht.

Die gepressten Foi'inkörper werden dann in bekannter Weise einer Wäx-inebehandlung unterzogen, deren letzter Schritt im Ausglühen unter Vakuum bei ca. 2000°C besteht. Die Abweichungen der nach diesem Verfahren hergestellten Brennelemente vom mittleren
messer betragen nur wenige zehntel Millimeter, so dass Überdrehen de χ- Kugeln nur bei sehr'hohen Ansprüchen erfox'derlich ist. Weiterhin besitzen die Endprodukte hohe Festigkeiten, gute Oxydationsbeständigkeit, gute Wärmeleitfähigkeitseigenschaften und hohe
Bcstrahlungsbcstäudigkeit und entsprechen allen Anforderungen, die an derartige kugelförmige Graphitbrennelemente gestellt sind.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur'Herstellung von kugelförmigen Brenn- und Brutstoff elementen aus Graphit in einer elastischen Form unter isostatischem Druck, dadurch gekennζeiohnet, dass vor der Durchführung des Pressvorganges die Luft durch Evakuierung aus dem zu pressenden Material entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu pressenden Körper unter Vakuum angeordnet werden und nach dem Evakuierungsvorgang in dem gleichen Gefäss der Pressvorgang durch Zuführung einer Flüssigkeit unter Druck durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, ^aävj^h^eli&rmzelohne_t, dass zunächst ein Formkörper aus einer Mischung von beschichteten Partikeln und Graphitpulver hergestellt iwird und dieser Form körper dann in der elastischen Form mit einer Schicht aus Graphitpresspulver umhüllt wird.

Frankfurt/Main, I9.IO.I966
Sohn/Bi

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