DE1900605A1

DE1900605A1 - Gettermaterial bzw.Getterungseinrichtung

Info

Publication number: DE1900605A1
Application number: DE19691900605
Authority: DE
Inventors: Gulbransen Earl A; Jansson Sven A
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1968-01-08
Filing date: 1969-01-07
Publication date: 1969-07-31
Also published as: BE726544A; FR1600158A; JPS4812542B1; US3762995A; GB1224152A

Description

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Augsburg, den 3. Januar 1969

Westinghouse Electric Corporation, Pittsburgh, Pennsylvania, Vereinigte Staaten von Amerika,

Gettermaterial bzw. Getterungseinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Gettermaterial und eine Getterungseinrichtung, bei welcher ein Gettermaterial in einem vollständig abgeschlossenen Behältnis verwendet wird.

Ein Gettermaterial hat bekanntlich die Aufgabe, Restspuren von Gasen und Dämpfen, wie sie beispielsweise in dem Gefäß eines elektronischen Entladungsgerätes während und nach dem mechanischen Auspumpen verbleiben oder aber Gase, welche in den Wandungen oder anderen Teilen der Gerätes

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eingeschlossen oder von diesen Teilen adsorbiert sind, seinerseits zu absorbieren. Bei Raumtemperatur verhält sich das Gettermaterial im allgemeinen neutral, wird jedoch in hohem Maße aktiv, wenn es erhitzt wird. Eine Reihe von Elementenj wie Tantal, Titan, Zerium, Thorium, Hafnium und Zirkon,sind als Gettermaterial allgemein bekannt. In vielen Anwendungsfällen hat sich unlegiertes Zirkon bereits als gutes Gettermaterial bewährt. Beispielsweise hat man in Wolframdraht-Lampen reines Zirkon verwendet, um die Konzentrationen von Gasresten oder solchen Gasen, beispielsweise Wasserdampf, welche während des Betriebes der Lampe von dem Glas oder den Metallflächen freigesetzt werden, herabzusetzen.

Bei anderen Geräten, wie in vakuumbetriebenen Schaltern mit Kupferelektroden oder Kupfer-Titan-Elektroden, die in einer abgeschlossenen Röhre während der zu erwartenden Lebensdauer des Schalters in einem Umgebungsdruck von etwa 10 ^ Torr gehalten werden, sind während der Herstellung des betreffenden Schalters komplizierte Reinigungs- und Brennvorgänge im Hochvakuum erforderlich, um Fehlfunktionen der Elektroden zu vermeiden. Trotz solcher Maßnahmen sind aber immer noch eingeschlossene Gase, wie Sauerstoff und Wasserdampf sowie auch Gase vorhanden, die während der Schalterbetätigung freigesetzt werden, wie Wasserstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd.

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Diese Gasreste müssen entfernt werden, damit ein vorzeitiger Ausfall des Schalters vermieden wird.

Ein weiteres Gerät, welches einen hermetisch geschlossenen Behälter aufweist und in welchem mit Vorteil ein Gettermaterial verwendet werden kann, ist ein Kernbrennelement. Dies hat den Grund, daß die Ummantelung eines Brennelementes so ausgelegt ist, daß sie einem bestimmten Maximalwert eines inneren und eines äußeren Stromungsraitteldruckes standzuhalten vermag. Wird die Wandstärke der Ummantelung möglichst niedrig gewählt, um den Neutronenhaushalt zu verbessern, so sollte die Differenz des inneren und des äußeren Strömungsmitteldruckes, welche an der Ummantelung wirksam ist, im wesentlichen konstant bleiben. Während des Reaktorbetriebes steigt der innere Gasdruck allmählich an, was teilweise auf der Entwicklung von Gas, beispielsweise Wasserstoff und Stickstoff sowie Wasserdampf aus den Uranoxyd.Brennelementtabletten und teilweise auf der Freisetzung von eingeschlossenem oder an der Innenfläche der Ummantelung adsorbiertem Gas beruht. Gase als Abspaltungsprodukte, wie Xenon und Krypton, werden ebenfalls freigesetzt, doch sind die Drücke dieser Gase normalerweise bei der Dickenberechnung der Ummantelung bereits berücksichtigt. Die anfallenden Mengen von Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf sind hingegen nur schwierig in Rechnung zu setzen, da diese Mengen mit den Bedingungen

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bei der Sinterung der Üranoxyd-Brennelementtabletten schwanken. Darüberhinaus finden sich Spuren von Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd, welche von als Bindemittel dienenden Schmierölen herrühren, die beim Verdichten des Uranoxydpulvers zu Tablettenform verwendet werden, bevor die Sinterung erfolgt.

Auch ist eine Absorption des Wasserstoffs in Brennelementen, die mit Zirkonium oder Zirkoniumlegierungen ummantelt sind, erforderlich, um einen vorzeitigen Schaden an der Ummantelung zu verhindern. Zusätzlich zu dem innerhalb des Brennelementes auftretenden Wasserstoff können kleine Mengen dieses Elementes durch Korrosion der Zirkoniuralegierungsummantelung in Wasser oder Dampf entstehen, welche ebenfalls von der Ummantelung absorbiert werden können. Dies führt zu einer Wasserstoffversprödung der Ummantelung, insbesondere bei Abkühlung auf Raumtemperatur, da sich hierbei eine Abnahme der Löslichkeit des Wasserstoffs im Peststoff und ein Ausfallen von Hydriden ergibt. Die schädliche Wirkung der Wasserstoffabsorption durch die Ummantelung wird durch Einsetzen eines Getters für Wasserstoff in die Brennelemente stark herabgesetzt.

Mit dem zuvor behandelten Problem hängt auch die Gefahr einer Wasserstoffversprödung in anderen Teilen eines Kernreaktors zusammen. Ein Beispiel für einen solchen Teil bildet ein Druckgefäß eines wassergekühlten Reaktors. Während des

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Betriebes eines Reaktors kann das Metall des Druckgefäßes aus dem Kühlwasser Wasserstoff in Gasform absorbieren. Um letztlich einen Fehler an der Gefäßwandung aufgrund eines Risses zu vermeiden, der durch eine zu starke Wasserstoffversprödung verursacht ist, kann an oder sogar in der Gefäßwandung ein Gettermaterial angeordnet werden, das zur Absorption des Wasserstoffes dient.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Gettermaterial zu schaffen, das in Verbindung mit mannigfaltigen, hermetisch abgeschlossene Behältnisse aufweisenden Geräten, beispielsweise in Verbindung mit Glühlampen, vakuumgekapselten Schaltern, Kernbrennelementen und Reaktorgefäßen, verwendet werden kann und einen vorzeitigen Ausfall solcher Geräte durch chemische Reaktion mit Gasresten innerhalb des betreffenden Gerätes oder durch Gasversprödung aufgrund derartiger Gasreste und/oder einen Druckaufbau innerhalb der Geräte verhindert. Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei, daß ein solches Gettermaterial unerwünschte Gasreste, wie Sauerstoff, Wasserstoff, Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd mit gutem Wirkungsgrad über lange Zeiträume hinweg bis auf ganz niedrige Konzentrationen beseitigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gettermaterial gelöst, das aus einer Zirkon-Zinn-Legierung besteht, die zu

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einem wesentlichen Anteil die intermetallische Verbindung ZrjjSn enthält.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung bilden Gegenstand der anliegenden Patentansprüche.

Im folgenden wird die Erfindung durch die beispielsweise Beschreibung einiger Ausführungsformen der Erfindung unter Il Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Pig. 1 eine teilweise im Schnitt gezeichnete

Seitenansicht einer Glühlampe mit einer erfindungsgemäßen Getterungseinrichtung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung in vergrößertem

Maßstab einer Glühfadenhalterung der Glühlampe nach Fig. 1, jedoch mit einer anderen Form der Getterungseinrichtung,

Fig. 3 eine teilweise im Schnitt gezeichnete

Seitenansicht einer weiteren Glühfadenhalterung a an welcher eine Getterungs-

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einrichtung in einer anderen Form befestigt ist,

Pig. H einen Vertikalschnitt durch einen

Schalter, welcher eine Getterungseinrichtung nach der Erfindung enthält,

Fig. 5 einen Yertikalschnitt durch ein

Kernbrennelement mit einem darin angeordneten Getterungskörper nach der Erfindung,

Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch eine

andere Form eines Kernbrennelementes mit einer erfindungsgemäßen Getterungseinrichtung und

Fig. 7 eine Seitenansicht eines Druckgefäßes

für einen Kernreaktor in teilweiser Schnittdarstellung zur Verdeutlichung eines Anordnungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Getterungseinrichtung.

In den Zeichnungen sind einander entsprechende Teile auch

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mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. In Fig. 1 der Zeichnungen ist bei 10 allgemein eine Glühlampe angedeutet, welche beispielsweise eine normale Lampe mit einer Leistung von 100 Watt ist, die von einer Leitung von 110 Volt aus betrieben wird. Die Lampe enthält einen lichtdurchlässigen Glaskolben 12, .einen am Hals des Kolbens 12 dicht anschließenden, in üblicher Weise wieder nach innen ragenden Gestellsockel 14 und Fadenhalterungsdrähte 16, die durch den nach innen ragenden Gestellsockel 14 dichtend hindurchführen und mit einem Lampensockel 18 elektrisch, verbunden sind. Der Kolben 12 kann klar ausgeführt sein oder mit einer auf der Innenseite befindlichen Mattierung oder einer anderen, diffuses Licht erzeugenden Schicht versehen sein.

Zwischen den nach innen gerichteten Enden der Fadenhalterungsdrähte 16 ist innerhalb des Kolbens 12 ein Glühfaden 20 gespannt und mit den Drahtenden elektrisch verbunden und dieser Glühfaden ist normalerweise aus einer Wolframwendel oder einer gewendelten Wolframwendel hergestellt, doch kann der Glühfaden auch aus einem geeigneten anderen hochtemperaturfesten Werkstoff hergestellt sein. An einem der Fadenhalterungsdrähte 16 ist ein Körper 22 aus Gettermaterial nach der Erfindung befestigt und dieser Körper kann entweder, wie in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellt ist, oberhalb oder auch unterhalb eines Gestellsockelkopfes 2k angeordnet sein,

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der sich am oberen Ende des Gestellsockels 14 befindet.

Der Körper 22 aus Gettermaterial enthält eine binäre Legierung von Zirkonium, die von etwa 10 Gewichtsprozenten bis etwa 30 Gewichtsprozenten Zinn enthält. Als besonders zufriedenstellend hat sich eine Zusammensetzung mit 24,5 Gewichtsprozenten Zinn bewährt.

Wie aus Fig. 1 der Zeichnungen zu ersehen ist, hat der Körper 22 langgestreckte Form, wobei das obere Ende näher an dem Glühfaden 20 liegt als das untere Ende. Wird der Glühfaden 20 beim Betrieb der Glühlampe auf eine Temperatur von annähernd 2300° C bis 2750° C erhitzt, so wird das obere, dem Glühfaden näher liegende Ende des Körpers 22 auf eine Temperatur von etwa 700° C erwärmt, während das untere Ende des Körpers 22 auf eine Temperatur von etwa 300° C erwärmt wird, so daß sich ein Temperaturgradient längs des Körpers ergibt.

Normalerweise enthält eine Wolfram-Glühfadenlampe der in Fig. 1 gezeigten Art eine Argon-Stickstoff-Gasfüllung mit Spuren von Sauerstoff, Wasserdampf, Wasserstoff und anderen Gasen. Diese Gase rühren von verschiedenen Quellen her, worunter Verunreinigungen im Füllgas, Gasreste in der Lampe und ein Freisetzen von Gas während des Betriebes der

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Lampe zu nennen sind. Ist die Lampe eingeschaltet, so findet eine Anzahl von chemischen Reaktionen zwischen dem erhitzten Wolframfaden und den aktiven Gasverunreinigungen statt. Der Sauerstoff reagiert mit etwa vorhandenem Wasserstoff und bildet Wasser. Der Wasserdampf reagiert mit dem Wolfram des heißen Glühfadens und bildet flüchtige Wolframoxyde und Wasserstoff. Bei niedrigeren Temperaturen reduziert der Wasserstoff die Wolframoxyde und bildet so Wasser, Wolframoxyde niedrigerer Ordnung und Wolfram, welche sich an der Innenfläche des Glaskolbens oder an anderen Flächen niederschlagen. Nachdem Wasser gebildet wird, wiederholt sich die Oxydation des WoIfram-Glühfadens und die Reduktion der Wolframoxyde bei niedrigeren Temperaturen ständig, wodurch eine übertragung von Wolfram von dem Glühfaden zu dem kühleren Lampenkolben 12 hin verursacht wird. Es sind zwei verschiedene Temperaturbereiche vorhanden, welche für den sogenannten Wasserdampfkreislauf verantwortlich sind. Diese Temperaturbereiche umfassen einmal den Wolfram-Glühfaden, der in Bereichen hoher Temperatur von etwa 2300° C bis 2750 C betrieben wird,und in diesem Bereich findet die Oxydation und die Verflüchtigung der Oxyde statt. Ein anderer Bereich von niedrigerer Temperatur in der Größe von etwa 120° C bis 230° C ist an der Innenseite des Lampenkolbens 12 zu finden und hier geschieht eine Kondensation und Reduktion der verflüchtigten Oxyde. Die verschiedenen Reaktionen sind

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in den nachfolgenden Formeln festgehalten:

9/₂ O₂ + 3W ^ (WO₃)₃* (1)

9 H₂O + 3W ^- (WO₃)₃t + 9 H₂ (2)

WO₃ + 3H₂ ^ Wi + 3 H₂O (3)

Irgendwelche anfänglich vorhandenen Spuren von Sauerstoff reagieren daher mit etwa im Lampenkolben befindlichem Wasserstoff und führen während der Betriebes der Lampe zur Bildung von Wasser und dieses wiederum reagiert mit dem Wolfram-Glühfaden unter Bildung flüchtiger Wolframoxyde. Nach einer kurzen anfänglichen Betriebsdauer enthalten daher die aktiven, reagierenden Gase eine Mischung von Wasserstoff und Wasserdampf mit nur sehr geringen Mengen von Sauerstoff, welcher entsprechend dem Glexchgewichtsverhältnis H₂-HpO-Op für die verschiedenen Temperaturen vorhanden ist. Sind darüberhinaus noch Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd in der Lampe vorhanden, so existiert noch eine zweite Mischung oxydierender und reduzierender Gase. Das Wolfram des Glühfadens kann daher außerdem noch durch eine ähnliche Reihe chemischer Reaktionen von der Glühfadenkonstruktion zu den Wandungen des Kolbens transportiert werden, wie dies aufgrund der Wasserdampf-Wasserstoffmischung der Fall ist.

Zirkonium-Gettermaterial wurde bereits dazu verwendet,

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den Gehalt an Gasresten in Wolfram-Glühfadenlampen zu erniedrigen. Das Zirkonmetall hat jedoch die Eigenschaft, eine Oxyd-Schutzschicht zu bilden, welche dann die Reaktionsfähigkeit des Zirkons begrenzt. Das erfindungsgemäße Gettermaterial aus Zirkon-Zinn-Legierung hat gegenüber Gettermaterial aus unlegiertem Zirkonmetall zwei wesentliche Vorteile. Zum einen verläuft die Reaktion der binären Legierung sowohl mit Wasserstoff als auch mit Sauerstoff rascher, da der gebildete Oxydfilm an der Oberfläche der Legierung sich weniger passiv verhält als dies im Falle anderer Gettermaterialien der Fall ist. Die Legierung kann auch bei niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden. Ein Temperaturbereich von etwa 50O⁰C bis 700°C ist für die Entfernung von Sauerstoff und Wasserdampf am günstigsten, während eine Temperatur um etwa 300 C für die Entfernung von Wasserstoff in Gasform zweckmäßig ist. Zum anderen aber reagiert die binäre Legierung von Zirkon und Zinn mit Wasserstoff ohne Phasenänderung, d.h. es wird kein Zirkon-Hydrid gebildet. Die Wahrscheinlichkeit für eine Abspaltung von Zirkon-Hydrid von der Legierung wird daher stark herabgesetzt.

Beispielsweise kann eine Menge von 13,7 mg einer binären Legierung auf Zirkonbasis mit einem Gehalt von 24,5 Gewichtsprozenten Zinn bei einer Temperatur von 292⁰C etwa 10 g Wasserstoffgas oder etwa 900 cc Wasserstoff bei einem Gleichgewichts-

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druck von 10 ^ Torr entfernen. Bei einem Restdruck von 10 ■* Torr könnten bei der angegebenen Temperatur in gleicher Weise 180 cc Wasserstoff entfernt werden. Bei noch tieferen Drücken werden entsprechend geringere Mengen von Wasserstoff entfernt. Die jeweils benötigten Mengen an binärer Zirkon-Zinn-Legierung hängen von der Größe der jeweiligen Lampe und dem Druck der zu entfernenden Verunreinigungsgase ab.

Wie Pig. 1 der Zeichnungen zu entnehmen ist, liegt das obere Ende des aus Gettermaterial bestehenden Körpers 22 näher an dem Glühfaden 20, so daß das obere Ende des Körpers eine Temperatur von etwa 700 C annimmt, während das untere Ende auf eine Temperatur von etwa 300 C gebracht wird, wobei sich zwischen den Enden ein entsprechender Temperaturgradient ausbildet. Es ergibt sich dann, daß Wasserdampfmoleküle, welche am oberen Ende des Körpers 22 adsorbiert werden, mit der Zirkonlegierung in folgender Weise reagieren:

Zr + 2 H₂O 5* ZrO₂ +

Das Zirkonoxyd löst sich in der Zirkon-Zinn-Legierung und läßt eine saubere Oberfläche zurück, welche wieder mit anderen Wasserdampf- oder Sauerstoffmolekülen reagieren kann. Der sich bei obiger Reaktion bildende Wasserstoff geht ganz oder teilweise unmittelbar an dem Ort der Reaktion mit der Zirkonlegierung in Lösung und diffundiert zu dem niedrigere

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Temperatur aufweisenden Ende, wo sich der Wasserstoff in fester Lösung konzentriert. Auch die das heiße Ende des Körpers 22 erreichenden Wasserstoffmoleküle lösen sich in der Legierung auf und diffundieren zu dem Ende mit der tieferen Temperatur·

Eine binäre Legierung von Zirkon und Zinn hat gegenüber unlegiertem Zirkon den Vorteil, daß die Reaktionsfähigkeit gegenüber Wasserdampf größer ist. Die Reaktion des legierten Zirkon mit Wasserstoff erfolgt praktisch augenblicklich. Die Verwendung eines Gettermaterials, das bei zwei unterschiedlichen Temperaturen arbeitet oder das mit einem Temperaturgradienten betrieben wird, bietet den Vorteil einer raschen Reaktion an dem heißen Ende und eines leichten Transportes des Wasserstoffs durch Diffusion zu der eine sichere Absorption ermöglichenden Senkengebiet niedriger Temperatur. Die binäre Legierung von Zirkon mit Zinn kann also dazu dienen, sowohl Sauerstoff als auch Wasserstoff zu entfernen, wenn das Gettermaterial unter Ausbildung eines Temperaturgradienten betrieben wird, wobei das heiße Ende eines entsprechenden Körpers aus Gettermaterial eine erhöhte Temperatur von beispielsweise 700⁰C aufweist, während das kühlere Ende nähe 30O⁰C gehalten wird.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. der Zeichnungen gezeigt. Hier hat der Körper aus Gettermaterial

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die Form einer Drahtwendel 26, die zwischen den Glühfadenhalterungsdrähten 16 und einem Stützdraht 28 befestigt ist. Nachdem die Wendel 26 einen bedeutend höheren Widerstand als der Wolfram-Glühfaden 20 aufweist, erwärmt in entsprechendem Maße ein geringer Strom die Wendel auf die gewünschte Temperatur, nämlich im mittleren Bereich auf eine Temperatur von 700⁰C. Die einander gegenüberliegenden Endabschnitte 27 der Wendel ragen nach außen über die Glühfadenhalterungsdrähte 16 über und werden nur auf eine Temperatur von etwa 3OO°C erwärmt. Die Wendel 26 ist wieder aus der binären Legierung auf Zirkonbasis mit Zinn gefertigt, deren Zusammensetzung mit derjenigen des GettermaterialkÖrpers 22 der Ausführungsform nach Pig. I der Zeichnungen vergleichbar ist. Vorzugsweise ist die Wendel selbst aus der binären Zirkon-Zinn-Legierung gefertigt oder aber die intermetallische Legierung kann auf einer Hilfs-Heizwendel angeordnet sein, die aus einem geeigneten Metall mit dem gewünschten Widerstand besteht.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. der Zeichnungen gezeigt. Hier ist eine Wendel 30 in ihrem oberen Teil um einen der Glühfadenhalterungsdrähte 16 der Glühlampe 10 gewunden. Der Glühfaden 20 wird in dem üblichen Temperaturbereich nämlich 23OO°C bis 275O°C betrieben. Auf Grund seiner größeren Nähe zu dem Glühfaden 20 wird der obere Teil der Wendel 30 durch Konvektion und Strahlung auf eine

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Temperatur von etwa 70O⁰C erwärmt. Ein weiter unten gelegener Teil 32 der Wendel 30 ragt von dem Glühfadenhalterungsdraht nach außen weg, hat daher größere Entfernung von dem Glühfaden 20 und nimmt, wenn dieser geherzt wird, eine Temperatur von etwa 300⁰C an. Die Wendel 30 besteht aus der binären Zirkon-Zinn-Legierung und wirkt als Gettermaterial-Körper mit einem Temperaturgradienten zur Adsorption von Restspuren an Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser aus der umgebenden Atmosphäre.

Nochmals ein anderes Beispiel der Erfindung ist in Fig. 4 der Zeichnungen wiedergegeben. Hier ist ein hochevakuiertes Behältnis oder eine Kapselung 3¹I dargestellt, die eine Gehäuseröhre 36 und ein Paar aus Metall bestehende Endkappen 38 und 40 enthält, die jeweils die Enden der Gehäuseröhre abschließen. Zwischen den Endkappen und der Gehäuseröhre sind geeignete Abdichtungen 42 vorgesehen, welche die Kapselung vakuumdicht machen. Der normale Druck innerhalb der Kapselung 3*f liegt bei konstanten Bedingungen unter-

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halb 10 Torr, so daß man eine vernünftige Sicherheit dafür erhält, daß die mittlere freie Weglänge der Elektronen nicht größer als der Potentialdurchbruchsweg in der Umkapselung ist. Ein Paar relativ zueinander bewegbarer, scheibenförmiger Kontakte oder Elektroden 44 und 46 befinden sich innerhalb der umkapselung 34, wobei eine der Elektroden, beispielsweise

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die untere Elektrode 46 zwischen der Öffnungsstellung und der durch gestrichelte Linien 48 angedeuteten Schließstellung bewegbar ist. Die obere Elektrode 44 kann stillstehend ausgebildet sein und ist zweckmäßig an einem aus Leitermaterial bestehenden Stab 50 befestigt. Die untere Elektrode 46 ist an einem angetriebenen Stab 52 befestigt und gegenüber der Endkappe 40 mittels eines flexiblen metallischen Balges 54 abgedichtet.

Wird die untere Elektrode 46 von der durch die gestrichelte Linie 48 dargestellten Schließstellung in die durch ausgezogene Linien dargestellte unterste Öffnungsstellung bewegt, so wird zwischen den Elektroden 44 und 46 ein Lichtbogen gezogen, wodurch die Elektroden verdampfen und Metallteilchen weggesprüht werden, wobei gleichzeitig eine Freisetzung eingeschlossenen Gases, wie Wasserstoff, Sauerstoff und Wasserdampf erfolgt. Die gläserne Gehäuseröhre 36 wird vor dem Auftreffen der Metallteilchen durch eine rohrförmige metallische Schutzhülse 58 geschützt, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Abstandes zwischen den Endkappen 38 und 40 erstreckt. Um die Ansammlung von Spuren der Restgase wie Sauerstoff, Wasserdampf und Wasserstoff, innerhalb des Behältnisses oder der ümkapselung 34 zu verhindern, ist zwischen der Schutzhülse 58 und der Gehäuseröhre 36 «in Körper 60 aus Gettermaterial vorgesehen. Von Zeit zu Zeit kann der Körper 6O

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auf eine geeignete Temperatur erhitzt werden, was durch Anschluß des Körpers an eine Spannungsquelle über ein Paar elektrischer Anschlußdrähte 62 und 64 erfolgen kann, die sich durch die aus Isolierstoff bestehende Gehäuseröhre 36 hindurch erstrecken.

Zu diesem Zweske ist nun der Körper 60 aus der zinnhaltigen binären Legierung auf Zirkonbasis gefertigt und enthält vorzugsweise 24,5 Gewichtsprozente Zinn. Der aus der binären Legierung auf Zirkonbasis bestehende Körper 60 wird über die Anschlußdrähte 62 und 64 auf eine gewünschte Temperatur von annähernd 700°C erhitzt, wobei das untere Ende des Körpers 60, das unter die Anschlußstelle des Anschlußdrahtes 64 hinabreicht, wesentlich kühler bleibt und eine Temperatur von etwa 300⁰C annimmt, so daß der Körper unter Ausbildung eines Temperaturgradienten arbeitet und in ähnlicher Weise wirksam ist, wie die.oben beschriebenen Körper 22, 26 und 40. Der Körper 60 kann demgemäß Spuren von Gasresten an Wasserstoff, Wasserdampf und Sauerstoff, die sich innerhalb des Behältnisses 34 befinden, adsorbieren.

Ein anderes Anwendungsbeispiel der Erfindung, bei welchem in einem abgeschlossenen Behältnis ein Gettermaterial angeordnet ist, bilden Kernbrennelemente, wie sie in Pig. 5 und Fig. 6 der Zeichnungen mit 65 bzw. 67 bezeichnet sind. Diese

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Kernbrennelemente enthalten eine bestimmte Anzahl zylindrischer Kernbrennelementtabletten 66 aus Urandioxyd, welche in einem Gehäuse oder in einer rohrförmigen'Ummantelung 68 übereinandergeschichtet sind. Die einander gegenüberliegenden Enden der Ummantelung 68 sind beispielsweise durch Abschlußstopfen 70 und 72 abgedichtet, wobei diese Abschlußstopfen durch eine ringförmige Schweißnaht 7% befestigt sind, so daß das Innere der Brennelemente hermetisch abgeschlossen ist. Eine Füllkammer befindet sich am oberen Ende des Brennelementes und dient zur Aufnahme bzw. Sammlung von Gasen, die durch Abspaltung oder in anderer Weise entstehen.

Besteht die Ummantelung 68 aus einer Legierung auf Zirkonbasis, beispielsweise aus der unter dem Namen "Zircaloy" bekannten Legierung, so ist die Ummantelung hinsichtlich einer Versprödung durch Absorption von Wasserstoff aus dem Kühlwasser oder dem Kühldampf des Reaktors anfällig. Aus diesem Grunde ist in der Kammer 76 ein Körper 78 (Fig. 5) angeordnet, der aus einer Zirkon-Zinn-Legierung besteht.

Während des Betriebes erreicht die Mitte des Brennelementes 66 eine Betriebstemperatur von bis zu 2300 C, während die Oberflächentemperatur der Brennelementtabletten etwa 60O⁰C beträgt.

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Die Temperatur der Ummantelung liegt in der Mitte des Brennelementes bei etwa 35O°C und beträgt an den Abschlußstopfen 70 und 72 etwa 34.5⁰C. Da die Ummantelung als Getterungseinrichtung für den Wasserstoff wirken kann, welcher zu einer Wasserstoffversprödung aufgrund einer Hydridbildung in der Ummantelung führen kann und da ferner der Wasserstoff vorzugsweise durch die Ummantelung nach den kälteren Enden nahe der Abschlußstopfen 70 und 72 hin diffundiert, wo es zur Hydridbildung kommt, ist der als Gettereinrichtung wirkende Körper in der Kammer 76 in bestimmtem Abstand von der obersten Tablette 66 angeordnet, wo der Körper den Wasserstoff aus der Ummantelung entfernt.und dadurch eine Hydridbildung in der Ummantelung verhindert. Die Temperatur des Körpers 78 stimmt dabei mit derjenigen des Abschlußstopfens 70 überein.

Das Oberflächenprofil des Körpers 78 stimmt mit demjenigen der Ummantelung 68 überein und die beiden Teile sind mit strenger Passung so ineinandergefügt, däß die Oberflächen aneinander anliegen, so daß der von der Ummantelung absorbierte Wasserstoff, welcher zu dem kälteren Ende der Ummantelung hin diffundiert, von dem Körper 78 absorbiert wird. Um die tiefere Temperatur in dem Körper 78 aufrechterhalten zu können, liegt der Körper vorzugszweise an der Unterseite des Abschlußstopfens 70 an. Der Körper 78 dient also dem doppelten Zweck, einerseits die innerhalb der Kammer 56 befindlichen Gase und

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andererseits den Wasserstoff aus der Ummantelung heraus zu absorbieren.

Das Brennelement 67 nach Fig. 6 der Zeichnungen stimmt in seinem Aufbau im wesentlichen mit demjenigen des Brennelementes 65 nach Fig. 5 der Zeichnungen überein. Ein Unterschied gegenüber dem Brennelement 65 besteht darin, daß das Brennelement 67 einen aus Gettermaterial gefertigten Körper 80 aufweist, der in seiner Form und Anordnung so ausgebildet ist, daß ei? einzig zur Absorption schädlicher Gase aus dem Inneren der Ummantelung 68 dient. Besteht die Ummantelung 68 (Fig. der Zeichnungen) aus einem Werkstoff wie rostfreiem Stahl, so ist das Problem der Wasserstoffabsorption aus dem Kühlwasser oder dem Kühldampf des Reaktors von geringer Bedeutung und es ist nicht notwendig, dem Getterungskorper die in Fig. 5 gezeigte Gestalt des Körpers 78 zu geben. Es ist jedoch notwendig, den Getterungskorper 8O zur Absorption der unerwünschten Gasreste, wie Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf, aus dem Inneren der Ummantelung 68 heraus vorzusehen. Der Körper kann im wesentlichen beliebige Gestalt aufweisen und besitzt einen unteren Teil 82, der sich bis zu der obersten Brennelementtablette 66 erstreckt, von welcher der Körper durch ein zur Wärmeisolation dienendes Gitter 84 getrennt ist. Das obere Ende 86 des Körpers 80 findet in einer Ausnehmung 88 des Abschlußstopfens 70 Aufnahme und steht mit diesem in gut

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wärmeleitender Verbindung. Der Körper 80 wird daher mit einem Temperaturgradienten betrieben, wobei sich die Temperatur von einem höheren Wert von etwa 8OO°C am unteren, nahe dem Gitter gelegenen Ende zu einem niedrigeren Wert von etwa 3OO°C verändert, der am oberen Ende des Körpers 80 anzutreffen ist. Hierdurch werden die verschiedenen in dem Brennelement freigesetzten Gase bei der jeweils für das betreffende Gas geeigneten Temperatur absorbiert.

Ein anderes Anwendungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 7 der Zeichnungen gezeigt, in welcher ein Druckgefäß eines Kernreaktors dargestellt und allgemein mit 86 bezeichnet ist. Es enthält eine Kernwandung 88 mit einem Kühlmitteleinlaßmundstück 90 und einem Auslaßmundstück 92. An der Kernwandung ist ein Reaktorkopf 94 befestigt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist keine Wasserkühlung des Reaktorkernes dargestellt. In einem vergrößert dargestellten Teil der Wandung 88 erkennt man eine Bohrung 96, die sich von der Außenfläche der Wandung aus in diese hinein erstreckt. In der Bohrung ist ein Körper 98 aus Gettermaterial untergebracht und durch eine Kappe 100 flüssigkeitsdicht in der Bohrung eingeschlossen. Eine große Zahl solcher Bohrungen mit Abschlußkappen 100 ist in Abständen über die gesamte Oberfläche der Wandung 88 verteilt. Die verschiedenen Körper 98 aus Gettermaterial bewirken eine Wassers^offabsorption aus den umgebenden

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Wandungsbereichen und verhindern hierdurch Fehler in der Wandung aufgrund von Rissen, die durch eine Wasserstoffversprödung entstehen.

In der obigen Beschreibung dienen die besonderen Anwendungsbeispiele der Erfindung, welche in den Fig. 1 bis 7 der Zeichnungen dargestellt sind, nur zur Erläuterung und sollen keineswegs zum Ausdruck bringen, daß die Anwendung einer binären Legierung auf Zirkonbasis mit einem Gehalt an Zinn auf diese Beispiele beschränkt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß eine solche binäre Getterlegierung in beliebigen hermetisch abgeschlossenen Behältnissen verwendet werden kann, in welchen während des Betriebes des betreffenden Gerätes Gase oder Dämpfe freigesetzt werden, welche sich mit der Legierung chemisch oder physikalisch binden lassen. Die binäre zinnhaltige Legierung auf Zirkonbasis ist insbesondere dann von besonderem Wert, wenn es sich um die Verbesserung von Geräten handelt, in denen Wasserstoff größere Schwierigkeiten bereitet als Sauerstoff und Wasserdampf und in denen es wünschenswert ist, den Wasserstoff zu entfernen, um eine Wasserstoffversprödung eines Metallgehäuses zu vermeiden oder um den Aufbau zu großer Drücke innerhalb eines hermetisch abgeschlossenen Behältnisses auszuschalten.

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Claims

Patentansprüche

1. Gettermaterial, welches mit in abgeschlossenen Behältnissen befindlichen Gasresten reagiert und diese Gasreste adsorbiert, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe aus einer Zirkon-Zinn-Legierung besteht, die zu einem wesentlichen Anteil die intermetallische Verbindung Zr^Sn enthält.

2. Gettermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 10$ bis 30$ Zinn, -vorzugsweise 24,5$ Zinn enthält.

3. Getterungseinrichtung zur Adsorbtion von Gasresten in abgeschlossenen Behältnissen, mit einem Körper aus Gettermaterial nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Erhitzen dieses Körpers auf eine Temperatur von 300⁰C bis 700⁰C.

4. Getterungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Körpers auf eine höhere Temperatur als der übrige Teil des Körpers erhitzbar ist.

5· Getterungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der auf höhere Temperaturen erhitzbare

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Teil des Körpers auf bis zu 70O⁰C erhitzt wird.

6. Getterungseinrichtung nach Anspruch 5.» dadurch gekennzeichnet, daß in einem anderen Teil des Körpers eine Temperatur von etwa JOO⁰C aufrechterhalten wird.

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