DE1764926A1 - Neutronenabsorbierende Materialien und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

BRO¹JJN BOVERl/KRUPP Reaktorbau GmbH mannheim, den i SEK 19H Pat/ Shm/Flö/Ro. - R 184 -

NEUTRONENABSORBIERENOE MATERIALIEN UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abaorbemtaterial für Hochtemperatur-Kernreaktoren, das für Bauteile verwendet «erden kann, die vorwiegend thermische und epithermische Neutronen absorbieren sollen, beispielsweise für Abschalt- und Regelstäbe sowie für Neutronenabechirmungen. Es gibt eine große Anzahl von Elementen, die einen hohen Einfangquerschnitt

für Neutronen besitzen und daher rein theoretisch als Absorbsrmaterial zu gebrauchen wären. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß nur wenige Elemente für den Einsatz als Absorbermaterial in einem Kernreaktor in Frage kommen. Einige stehen nur in geringem MaOe zur Verfügung, so daß ihr Preis entsprechend hoch ist, andere weisen Eigenschaften auf, die sie für sine Verwendung in einem Kernreaktor ungeeignet machen· Eine wichtige Rolle spielt hierbei die thermische Stabilität der Elements bzw. der aus ihnen hergestellten Verbindungen und Legierungen, vor allem wenn es sich um den Einsatz in Hochtemperatur-Kernreaktoren handelt sowie die mechanische Festigkeit und Dehnbarkeit.

Eine Zusammenstellung der derzeitig verwendeten Absorbermaterialien ist in einem Aufsatz von A.N. Holden, B. Beidenbaum und CF. Laitten, Dr. in Proc. of the 3 International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Bd. 9, 1965 New York, S. 419 - 427, gegeben; weitere Hinweise sind einem Aufsatz von F. HaeBner, G. Petzow und E. Preisler in der "Kerntechnik", Bd. 5 (1963), Heft 4, S. 153 zu entnehmen. In letzterem sind auch die

BAD ORIGINAL 109849/0292

Preise für dia zur Zeit verwendeten Abeorbermaterialien angegeben. Eine ausführliche Darstellung über neutronenabaorbierande materialien für Regelstäbe ist ferner in dam Buch "Neutron Absorber Materials for Reactor Control··, 1962, von V. Kermit und J.S. Theilackar (Government Printing Office Washington 25, D.C.) zu finden.

Aus der genannten Literatur geht hervor, daß nur wenige Stoffe ala Abeorbarmatarialien in den im Betrieb und im Bau befindlichen Reaktoren verwandet werden, und zwar vornehmlich Borkarbid in Hüllen aue Edelstahl, Borstahl mit einem Borgehalt von wenigen Prozenten, Legierungen aue Silber, Indium und Cadmium und vereinzelt auch Oxyde der Seltenen Erden, die in Metallegierungen diepergiert sind. Hafnium, daa wegen eeinaa günstigen Neutronenabsorptionsspektrume besonders ale Abaorbermatarial geeignet ist, wird wagen seines hohen Preises und seiner begrenzten Verfügbarkeit ebenfalls nur wenig verwendet.

Am billigsten erwiesen sich im Batrieb Silber-Indium-Kadmium-Legierungen, die zudem noch über gute Korroeione- und Bearbeitungseigenschaften verfügen. Derartige Legierungen - mit Zusätzen von Zinn und Aluminium - sind in den deutschen Auslegeschriften 1 062 839 und 1 125 088 beschrieben. FQr eine Verwendung in Hochtemperatur-Kernreaktoren, daran mittlere Gasauetrittatamperatur oberhalb 700°C liegt, kommen jedoch Silber-Indium-Kadmium-Legierungen wegen ihres zu niedrigen Schmalzpunktee und ihrer nachlaaesnden Festigkeit nicht mehr in Frage. Daa trifft auch auf die Oxyde dar Seltenen Erden zu, die bei derartigen Temperaturen polymorphe Umwandlungen erfahren.

Die vorliegende Erfindung hat eich nun dia Aufgabe geetellt, alle genannten Schwierigkeiten zu überwinden und ein Abeorbermaterial für einen Hochtemperatur-Kernreaktor anzugeben, das bai hinreichender Verfügbarkeit hohes

109849/0292 BAD ORIGINAL

Absorptionsvermögen bei guten mechanischen Eigenschaften aufweist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in eine geschmolzene metallische Grundmasse neutronenabsorbierende Substanzen in Form von stabilen Verbindungen eingelagert «ind, deren Schmelzpunkt höher liegt als derjenige der geschmolzenen Grundmasse. Derartige eingelagerte Verbindungen sind z.B. Bor, Tantal etc* Der Vorteil besteht darin, daß die Verbindungen nicht verschmelzen und keine neuen Verbindungen bilden, wodurch die Grundmasse durch den hohen Gehalt an neutronenabeorbierenden Substanzen verepröden könnte. Beispieleweise schmilzt Kupfer bei 1 083 C, eine Eisen-Bor-Verbindung mit ungefähr 15 % Bor bei etwa 1 430 C und Chromboride je nach ihrer chemischen Zusammensetzung zwischen 1 500°C bis 2 QQO°C. Die eingelagerten Verbindungen können nicht nur metallischen Charakter, sondern auch nichtmetallischen Charakter haben, wie z.B. Bornitrid BN mit 42,9 % und einem Schmelzpunkt von 3 000 C. Bei Verwendung von Bornitrid kommen vorteilhafterweise nitrierfähige Legierungen als Grundmasse zur Anwendung. Der durch den Abbrand der B 10-Isotope freiwerdende Stickstoff N bildet mit einigen Elementen der Legierung Nitride (z.B. mit Cr, Ni usw.), wodurch die Grundmasse verfestigt und der freiwerdende Stickstoff abgebunden wird.

Folgende Beispiele geben Aufschluß über die Zusammensetzung von Absorbermaterialien mit metallischen und nichtmetallischen Verbindungen.

1) 50 kg Cu geschmolzen,

50 kg FeB mit 18 % B (beigemischt)

daraus ergibt sich 100 kg Absorbermaterial mit 9 % B-Gehalt = 1,78 %

B 10 für Temperaturen bis 800 C.

2) 50 kg Cu-Ni-Legierung (80 % Cu, 20 % Ni) geschmolzen, 50 kg FeB mit 15 % B (beigemischt)

daraus ergibt sich 100 kg Absorbermaterial mit 7,5 % B-Gehalt &'\ ,5% B

109849/0292

1764928

für Temperaturen bia ca. 1 000 C

3) 60 kg Al geschmolzen (fei660°C),

40 kg BN mit 42,9 % B (beigemischt)

Daraue ergibt eich 100 kg Abeorbermaterial mit 17,16 % ■ 3,4 % B 10

for Temperaturen bia 450⁰C.

Dia Herateilung von neutronenabeorbierenden materialien geschieht derart, daß diese auf ein beliebige« IRaQ zerkleinert und dar geeohmolzenen Grundmasse beigegeben werden, wobei durch Abstimmung der Dicht· der Grundnaaaa mit derjenigen der zugesetzten Verbindungen annähernd die gewünschte Verteilung z.B. eine gleichmäßige Verteilung dieeer in der Grundmaaae erreicht wird. Das aue geschmolzener Grundmeeee und zugeaatzten Verbindungen bestehende Gemisch wird derart in Bewegung gebracht, z.B. durch Rühren oder Rütteln, daß die gewünschte Verteilung der eingelagerten Verbindungen erreicht wird. Anschließend wird die gemischte Schmalze in zweckentsprechende Formen abgegossen.

109849/0292

Claims (6)

- R 184 - PATENTANSPRÜCHE:

1) Weutronenabsorbierende materialien, insbesondere für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß in eine geschmolzene metallische Grundmassa neutronenabsorbierende Substanzen in Form von stabilen Verbindungen eingelagert sind, deren Schmelzpunkt höher liegt ale derjenige der geschmolzenen Grundmasse.

2) Neutronenabeorbierende materialien nach Anspruch 1,' dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerten Verbindungen metallischen A Charakter haben.

3) Neutronenabsorbierende materialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerten Verbindungen nichtmetallischen Charakter haben.

4) Verfahren zur Herstellung von neutronenabsorbierenden materialien nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die neutronenabsorbierenden Substanzen auf ein beliebiges maß zerkleinert und der geschmolzenen Grundmasse beigegeben werden, wobei durch Abstimmung der Dichte der Grundmasse mit derjenigen der zugesetzten Verbindungen annähernd die gewünschte Verteilung dieser in der Grundmasse erreicht wird.

5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das au· geschmolzener Grundmasse und zugesetzten Verbindungen bestehende Gemisch derart in Bewegung gebracht wird, z.B. durch Rütteln oder Rühren, daß die gewünschte Verteilung dar eingelagerten Verbindungen erreicht wird. _ . ^

109849/0292

BAD

6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daO die mit den zugeaetzten Verbindungen gemischte Schmelze in zweckentsprechende Formen abgegoeaan wird.

109849/0292

BAD ORIGINAL •'