DE1815957A1 - Keramische Kernbrennstofftablette - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Ausbildung einer keramischen Brennoder Brutstofftablette zylindrischer Form mit ebenen oder einwärts gewölbten Stirnflächen (dishing) für den Aufbau von Kernreaktorbrennstäben „ Der fertige Kernreaktorbrennstab besteht aus einem Hüllrohr z.B. aus Zirkon oder Stahl, das eine Säule von Bronn- oder Brutstofftabletten umschließt. Diese Tabletten au55 vornehmlich keramischen, hauptsächlich oxydkeramischen Massen werden üblicherweise durch Pressen von geeigneten-· Pulvern in einer zylindrischen Matrize hergestellt. Diese Presslinge, die sogenannten "Grünlinge", werden anschließend gesintert und erhalten dadurch die gewünschten Eigenschaften z.B. hinsichtlich Festigkeit, Dichte, Porosität usw. Dabei tritt ein Volumenschwund von ca. 15 bis 20 "/> des Ürsprungsvolumens auf.

Bedingt durch die Reibungsverhältnisse beim Pressen und die damit verbundene Dichteinhomogenität erfolgt dieser Sinterschwund nicht gleichmäßig und konform. Es entstehen vielmehr Formkörper, deren ursprünglich zylindrische Mantelflächen Ähnlichkeit mit einem Rotatiorishypeboloid haben und deren zunächst ebene Stirnflächen leicht konkav nach innen gewölbt sind. In dieser Form sind die Tabletten für viele Anwendungsfälle nicht brauchbar. Sie müssen erst durch Sohleifvorgänge in die gewünschte zylindrische Gestalt und auf Nennmaß gebracht werden. Zur Aufnahme der während des Betriebes auftretenden größeren V/ärmedehnung der zentralen Bezirke der Brennstofftabletten werden dieselben oftmals mit stirnseitigen EInbucntungen, genannt "dishing", versehen, was bereits beim Preßvorgang beverkctelligt wird«

Die durch den Herstellungsgang sich ausbildenden scharfen Kanten an den Rändern der Tabletten sind sehr druckempfindlich, was sich besonders beim Einfüllen der Tabletten in die HUIl-

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rohre und selbst beim leichten Durchbiegen der Brennstäbe • sehr nachteilig bemerkbar macht. Me oftmals bereits während der Herstellungsvorgänge stellenweise abplatzenden Kanten des keramischen Materials stören nicht nur den Aufbau der Brennstoff säule, sondern können auch zu Beschädigungen des Hüllrohres, das unter Umstanden sehr dünnwandig sein kann, führen. Diese Erscheinung läßt sich leicht dadurch erklären, daß oftmals nur eine punktförmige Berührung'zwischen den einzelnen Brennstofftablet.ten zustande kommt, so daß bereits durch nur •geringe Kräfte die Bruchfestigkeit der Keramik infolge der Spitzenberührung überschritten wird. Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde bereits vorgeschlagen, die bruchempfindlichen Kanten durch Anschleifen einer Randfase zu entschärfen. Ganz ab-· gesehen von den teueren Herstellungsverfahren führt diese Maßnahme auch nicht zu dem gewünschten Erfolg, da auch dann die Berührung immer nur in unmittelbarer Randnähe der Tabletten erfolgt.

Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Lösung dieses Problems zu finden, die nicht nur eine wesentliche Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Tabletten- mii sich bringt, sondern auch den Aufwand für die Fertigung'nicht vergrößert. Erfindungsgemäß ist die Randzone der Stirnflächen der Tabletten mit einer leichten, gewissermaßen kegelförmigen Abschrägung mit einem Neigungswinkel in der Größenordnung von etwa 0,5 - 30° versehen, die mit der~übrigen Stirnfläche der Tablette eine gegenüber den anderen Tabletten des Brennstabes ringförmige Berührungskante mit stumpfwinkeligem oder rundem Querschnitt bildet und deren Abstand vom Tablettenrand so gewählt ist, daß die dort in der Praxis angreifenden Druckkräfte von einem betroffenen räumlichen Tablettenbereich von ausreichender Festigkeit aufgenommen werden. Dies bedeutet, daß Je nach Festigkeit der Tabletten, die von der Materialart, von der Dichte und der Porosität abhängt, die Berührungskante einen Abstand von 0,5 bis. 2 mm von der Außenwand der Tabletten hat. Dies bringt für die Herstellung keine Schwierigkeiten mit sich, da diese Abschrägung der Stirnseiten beim Pressen der Tabletten

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durch einen entsprechend geformten Preßstempel erzeugt werden kann, bei dessen Formgebung die beim späteren Sintern des Preßlings eintretende Schrumpfung berücksichtigt ist.

Zur besseren Veranschaulichung dieser Erfindung sei auf die Zeichnungen 1 bis J5 verwiesen.

Figur 1 zeigt den bisherigen Preßyor_e>ng einer zu sinternden Kernbrennstofftablette 10. Diese besitzt auf der einen Seite eine ebene Stirnfläche und ist auf der anderen mit einer eingefornrten Ausnehmung "dishing" versehen. Gemäß Figur 1 wird die. Tablette zunächst als Grünling durch die Preßstempel 2 und 3, die entsprechend der späteren vctta ausgebildet sind, erzeugt. Figur 1 a zeigt eine derartige Tablette nach dem Sintervorgang. Dabei zeigt nicht nur die Hantelfläche, sondern auch die Stirnfläche 7 eine Einwölbung. Durch Schleifen entsprechend den gestrichelten Linien 5 und 9 muß eine derartige Tablette auf das Sollmaß und die Solli'orm gebracht werden, was insbesondere für die Stirnflächen mit einem ziemlichen Aufwand verbunden ist.

Demgegenüber zeigt Figur 2 das Herstellungsverfahren für eine Kernbrennstofftablette entsprechend dieser Erfindung. Die Preßstempel 2 und 3 sind so geformt, daß die Randzone der Brennstofftablette 4 eine Abschrägung erhält. Der Winkel der Abschrägung ist mitX bezeichnet.,Durch das Schrumpfen beim Sintern ergibt si"ch 'eine Form der Brennstofftablette gemäß Figur 2a. Hieraus ist ersichtlich, daß der Winkel auf den Wert <X_ zurückgeht, also kleiner wird. Dies ergibt sich durch den Schrumpfvorgang der Tablette in axialer Richtung. Da die Schrumpfbewegung für den betreffenden Werkstoff nahezu gleich ist, kann die Größe des V/inkels <^C im Preßwerkzeug so eingestellt werden, daß sich die gewünschte Abschrägung im endgültigen Werkstück ergibt. Es ist dann lediglich gemäß Figur 2a noch ein SchleifVorgang entsprechend der Linien 5 notwendig, der der Brennstofftablette das. genaue zylindrische Außenmaß gibt. Aus der Darstellung Figur 2a ist ersichtlich, daß auch die ebene Bodenflüche 7 ähnlich wie auch in Figur 1a eine

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leichte Einbuchtung zeigt, die jedoch nicht schädlich ist. Eine Nachbearbeitung der Stirnflächen ist nicht erforderlich. Figur 3 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch einen Brennstab. Die dicht aufeinanderliegenden Brennstofftabletten 40 sind von einem Hüllrohr- 8 umgeben. Die Größe des Y/inkels ¹^- ist dabei nur minimal und nicht zu vergleichen mit der Anfasung der Kanten, wie 'sie bisher durchgeführt, wurde. Wesentlich ist, daß die Ee rühr-ungs linien a zwischen den einzelnen Brennstofftabletten einer Brennstoffsäule innerhalb eines Brennstabes soweit von der eigentlichen Randzone entfernt " liegen, daß die Druckkräfte, die selbstverständlich auch dort auftreten können, von einem räumlichen Tablettenbereich von ausreichender Festigkeit aufgeonmmen werden können und somit ein Ab- oder Ausplatzen der Tablette vermieden wird. Die in einer Brennstofftablettensäule damit entstehenden radialen Spalten b sind sehr klein. Sie bewegen sich normalerweise in der Größenordnung bis zu einigen Zehntel-Itiillimeter. Der Spalt muß beispielsweise dann sehr klein gehalten werden, wenn die Hüllrohrwandstärke 8 sehr gering ist, damit durch den Kühlmittelaußendruck keine Einformung des Hüllrohrmaterials in diese Spalte möglich ist. Selbstverständlich kann es umgekehrt wünschenswert sein, durch etwas größere Spalten einen evtl. Einformungsvorgang des Hüllrohres z.B. zum besseren Festhalten der Tabletten hervorzurufen.

Durch die Ausbildung einer derartigen kegelförmigen Abschrägung werden die Berührungslinie oder die Berührungspunkte, a der Tabletten bewußt weiter nach innen verlagert, so daß bis zum Bruch erheblich größere Kräfte notwendig werden. Ohne schädliche Folgen können solche Tabletten sogar unter axialer Druckbeanspruchung stirnseitig gegeneinander verdreht werden. Der Ausschuß, der normalerweise bei der üblichen Handhabung von Tablettensäulen z.B. beim SchleifVorgang, beim Verpacken oder Transport und der Weiterverarbeitung zu Brennstäben entsteht, wird also damit beträchtlich herabgesetzt. Da beim Einschieben der Brennstoffsäule in die Hüllrohre praktisch keine Kantenabsplitterung mehr erfolgt, verläuft dieser Vorgang störungsfrei. Auch bei Biegebelastungen von fertigen Brennstäben,

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bei denen die Tablettensäule meistens durch eine Feder vorbelastet ist, ergibt sich ein wesentlich stabileres Verhalten infolge der Erhöhung der Bruchempfindlichkeit an den weiter innen liegenden Berührungskanten a.

Diese neue Form der Brennstofftabletten, die z.B. einen Durchmesser von 5 bis 20 mm haben können und deren abgeschrägter Rand je nach Materialart, Festigkeit, Dichte usw. eine Breite von etwa 0,5 bis, 2 mm besitzt, bietet somit in herstellungs- " technischer als auch in verwendungstechniächer Hinsicht sehr j große Vorteile, was durch die Praxis in vollem Umfange, be- ■

stätigt wurde.

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Claims (3)

PLa 68/1696 Patentansprüche

1. Keramische Brenn- oder Brut3tof!'tablette zylindrischer Form mit ebenen oder einwärts gewölbten Stirnflächen fdishir^-.' für den Aufbau von Kernreaktorbrennstäben, dadurch gekennzeichnet, daß die Randzone der Stirnflächen mit einer leichter. gewissem aßen kegelförmigen Abschrägung mit einen Neigungswinkel in der Größenordnung von 0,5 - 30 ° versehen ist, die mit der übrigen Stirnfläche der Tablette, eine gegenüber den fe anderen Tabletten des Brennstabes ringförmige 3eruhrungskante mit stumpfwinkeligem oder runden Querschnitt bildet und deren Abstand von: Tublettenrand se gewählt ist, daß.die dort in der Praxis angreifenden Druckkräfte von einen betroffenen räumlichen Tablettenbereich ausreichender Festigkeit aufgenommen werden.

2. Brennstofftablette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungskante einen Abstand von 0,5 bis 2 mm von der Mantelfäche der Tablette hat.

3. Brennstofftablette nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschrägung der Tablette beim Pressen dersel

P ben durch eine die spätere Schrumpfung beim Sintern berücksichtigende Formgebung erzeugt wird.

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