DE1909871C - Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Graphitbrennelementen - Google Patents

Description

Kugelförmige Graphitbrcnnelcmcnte für Kugel-Iuiufcn-Π ichiemperaliir-Keniienktoren haben im Reakturbelricb hohe AnfordcriinLvn zu erfüllen. Außer einer guten Oxidationsbeständigkeit gegen Vertinrcinigungci im Kü'ilgas, gutem Abi tdn erhalten, guter Wärmeleitfähigkeit und guter Bcsirnhlungs-HCsländiukeit gegen eine hohe Dosis von schnellen Neutronen werden insbesondere eine hohe Fslifestig keit und Bruchfestigkeit gefordert. Bisher stellte die bei praktisch allen Kugelhaufenreaktoren erforderliche Fallbeständigkeit für den Fall aus mehreren Metern Höhe auf ein Graphitkugelbett die für die Festigkeit der Brennelementkugeln bestimmende Spezifikation dar.

In neuerer Zeit wurden die Anforderungen an die Festigkeit der kugelförmigen Elemente beträchtlich erhöht. Ursache hierfür ist eine Änderung der Reaktorkonstruktion. Bei Hochtemperatur-Leistungsreaktoren sollen die Abschaltstäbe direkt in das Kugelbett eingefahren werden. Versuche haben gezeigt, daß bei dieser Konstruktion die Brennelemente einer erheblich höheren Druckbelastung ausgesetzt werden.

Die alten Anforderungen konnten durch mehrere Typen von kugelförmigen Bre.melementen erfüllt werden, die aus der Literatur bekanntgeworden sind. Ein Typ dieser Art beruht auf der Herstellung einer

ao Kugel aus Elektrographit, aus der durch mechanische Bearbeitung eine Hohlkugel mit verschließbarer öffnung gefertigt wird. In den Hohlraum dieser Kugel wird der Brennstoff eingefüllt, wobei hier wie bei den nachstehend beschriebenen gepreßten Brennelemente«", vorzugsweise beschichtete Brenn- und/ oder Brumoffpartikeln verwendet werden. In den Hohlraum der Elemente mit vorgefertigter Schale wird beispielsweise ein Gemisch der Brennstoffpartikeln mit einer binderhaltigen KohlenstofTmasse eingepreßt, die Kugel mit einem Graphitstopfen verschlossen und temperaturbehandelt (französische Patentschrift 1 445 072). Bei anderen bekanntgewordenen Verfahren werden die Partikeln lose in den Hohlraum eingefüllt.

Die Bruchfestigkeit dieses Typs von Elementen mit vorgefertigter Graphimchale b"im Einsatz im Reaktor beruht auf der Bruchfestigkeit der Schale. Dies gilt sowohl für die Ekmcntvarianten mit lose eingefüllten Teilchen als auch für Varianten, bei denen der Kern aus einem anderen Material besteht als die Schale, da bei dem Reaktoremsatz diener Elemente der Kern stärker schrumpft als die Schale und daher das Element an Festigkeit verliert, weil die ursprünglich vorhandene Abstützung der Schale durch den Kern vrrlorengeht. Die Festigkeit der Schale reicht bei geeigneter Konstruktion aus, um die bisher angegebenen Forderungen nach genügendes Fallbeständigkeit zu erfüllen, sie reicht aber auch bei Verwendung vt)n Graphitsorten relativ hoher Festigkeit nicht für die neugestelltcn Forderungen aus.

Ein weiterer Tvp von kugelförmigen Graphitbrciinelemenlen wild durch Preisen eines homogenen GemN s von Graphitpulver, Binder und BrennstolTteilclien zu einer Kugel hergestellt. Der Brennstolf wird hierbei wiederum vorzugsweise in Form von beschichteten Brennstofftcilchen eingesetzt. Die sphärischen Brennstoffteilchen von einigen 100 μ Durchmesser bestehen vorzugsweise aus U;an- oder Uran/Thorium-Karbid bzw. -Oxid. Die auf den Brennstolltcilchen pyrolytisch abgeschiedenen Beschichtimuen aus Kohlenstoff, Karbiden oder OxiJcn haben die Aufgabe, die im Reaktor entstehenden Spaltproduktc zurückzuhalten. Um die gepreßten Kugelelcmenle an der Oberfläche auf das exakte Kugelmaß bearbeiten zu können und um eine mechani^v'.'hc Beschädigung von ober'.achennahen BrennstolHeilcbcn bei der Handhabung und dem Reaktoreinsatz der Kugeln /u vermeiden, wird eine brenn-

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stofffreie Zone aus dem gleichen binderhaltigen Graphitgemisch. das für den Kern verwendet wird, auf diesen aufgepreßt. Nach einer Temperaturbehand- !ung auf über 800" C erhält man Kugeln hoher Festigkeit, die auch den neuen Anforderungen genügen. Verschiedene Preßverfahren zur Herstellung solcher Kugeln sind bekanntgeworden (französische Paientschrift 1 330 985).

Da für das Pressen der Kugeln nach diesen Methoden relativ hub" Pret5drücke erforderlich sind. kann man nicht ausschließen, daß beim Preßvorgang einzelne beschichtete Brei- ■·-^ffteilchen, die in mehr oder weniger guier SiHiss. -..her Verteilung im Preßgemenge enthalten, sir * wenn sie sich gegenseitig berühren. ZCrUnVk₁ werden. Diese Partikelbeschädigiirig ergibt ci^.n gewissen Anteil von frei zuganglichem Br-,'- i-'orf, aus dem im Reaktoreinsatz die Spallprodukij ungehindert entweichen können. Um solche Beschädigungen zu veimeiden, sind verschiedene Methoden einzeln ode^r kombiniert angewendet worden.

Einmal hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß Preßgemisch in Gummiformen zu füllen und entweder den Preßdruck von außen isostatisch tiurch cine Flüssigkeit zu übertragen oder die außen zylindrisch geformte Gummif'nm in einer Stahlmatrize zweiseitig zu pressen (semihydrostatisches Preßverfahren). Außerdem hat es sich für das Pressen von brennstoffteilchenhaltigen Formkörpern als zweckmäßig erwiesen, die beschichteten Brennstoffteilchen mit dem beim Pressen verwendeten Graphitpulver in einer Dragiertrommel zu umhüllen (österreichische Patentschrift 263 959, französische Patentschrift I 451 699). Beim Pressen dieser umhüllten beschichteten Teilchen sind die spröden Beschichtungen jeweils durch die weichen Umhüllungsschuhten voneinander getrennt. Während die Bruchlast der nackten beschichteten Teilchen, gemessen /wischen zwei planparallekn Platten, nur 1 bis 3 kg pro Teilchen beträgt, können eingebettete Teilten über 5000 kg'cm- Preßdruck uhne Beschädigung au·,-hallen.

Zur Herstellung kugelförmiger Brennelemente kann nun daher die beschichteten BrennMoffteilchen tr t iler gesamten Menge an '..aphitpreßpulver umhu len. ,lic /ur U.ld_Ung der ,n.ph.tmatnx erforderhch ist. und dann diese umhüllten Teilchen zu einer Kugel pressen Auf diese brcnnstolThallige Ku»el wird (/um Schutz »cgen eine mechanische Beschädigung der Brennstolfleilihcn) aus dem Graphilpiebpiiher eine biL-iiiiMwiifrciv: Graphif^ha!:: a»f-j»r'.-Ki Mit

solchen Brennelemenlkugeln ist es mödidi. die meisten vom Reaktcrhetrieb gestellten Anforderungen zu erfüllen. Allerdings ist die Festigkeit von Kugeln. deren Kern in dieser Art aus umhüllten Teilchen hergestellt wird, nach der abschließenden Tcmp,-raturbehandlung erheblich geringer als die Festigkeit von Graphitkugeln, die auf die gleiche Weise mil gleichem Graphitpreßpulver hergestellt werden. Die Ursache für diesen Festigkeitsiinicrschicd ist eine Orientierung des GraphitprcßpuKcrs beim Umhüllen der Te¹IcIiLMi /u einer zwiebeUihnlichen Struktur der Umluillungssehicht auf den Teilchen. Diese Oricntier..i'^ führt beim Preßvorgang an den Gren/Ilächen zwisf'hui den umhüllten Teilchen /u Gleitelfekten und zu einem schlechteren Verbund in der Graphitmatrix an diesen Trennlläehen auf Grund der so erhaltenen Bienenwaben- oder Bronibeersiiuk.ur.

Darüber hinaus bilden sich bei der Wärmebehandlung der Preßkörper und hei der anschließenden Neutronenbestrahlung an den Grenzflächen Sehvvundrisse, die zu einer Verschlechterung der Warmeleitfähigkeit führen. Für zylindrische, brennstoftteilehenhaltige Formkörper, die als BrennstofFeinsätze in Graphilhüllrohre oder in Bohrungen \on Graphilblöcken eingebracht werden, ist diese niedrige Festigkeit ohne besondere Bedeutung; für kugelförmige Brennelemente ist sie aber untragbar.

Es wurde nun gefunden, daß bei Bronnelementkugeln eine ebenso gute Festigkeit wie bei reinen Graphitkugeln durch ein Verfahren, bei dem mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtete Brennstoflteilchen mit binderhaltigem Graphitpreßpulver in einer Dragiertrommel umhüllt und anschließend zu einem Formkörper gepreßt und einer Wärmebehandlung unterzogen werden, dadurch erreicht werden kann, daß für ul·· Umhüllungsschicht der beschichteten Brennstoffteilchen nur ein Teil des zum Aufbau des Graphitbrennelementes insgesamt notwendigen Graphitpulvers verwendet wird, daß dann die durch die Umhüllung geschützten Brennstoff'eilchen mit dem restlichen Graphitpreßpulver /ti einem homogenen Gemisch, bestehend aus den umhüllten BrennsloirteUchen und dem lockeren Preßpulver gemengt werden, und daß dieses homogene Gemisch ixi hohem Druck zu einem Matrixkörper mit homogen verteilten Brennstoffpartikeln gepreßt wird.

Der Verfahrensablauf erfolgt beispielsweise nach folgendem Schema.

1. Verfahrensbeispiel

Stufe 1: Herstellen der Brennstoflteilchen (UO,-Kerne 400 μ)

^Stuie _u ^2: Besch.chtung der Brennstoifteilchen im Wirbeibett mit Pyrolytkohlenstoffschichten (Drei^facilscnicnt 40 ( 30 - 8t) μ).

Stufe 3: Herstellen um binderhaltigem Graphitpreßpulver (aus Naturgraphitpulver, Eileklrographitpulver und Phenolharze

_Sluf(, ₄. _{UmhlIlcn d(}._{r besdlldllcK}._n Teilchen mit Graphitpreßpulver in einer Draaierm.mmel (Umhül-,_ung\,_stn_icht ^F _I0() „ _{mit Dichle} f.4 gern', porös, aber . _nji_nh_UnesfestV

Stufe 5: Mischen von umhüllten, beschichteten 5» Teilchen, portionsweise mit der erforderlichen Menge an zusätzlichem Graphitpreßpulver.

stufe 6: Pressen zu Formkörpcrii (Kugel) in Ciummiform.

J>tufe 7: Temperaturbehandlung durch hrhiUen auf «^M» ^{Γ in 1ΐκΛ}&* ^und anschließend auf 1800 C im Vakirim.

Die mittlere Schichtdicke der I iiihiillung muß bei beschichteten Teilchen von ci*;i 'OHu Durchmesser noch mindestens 100 bis 200 n !vir iiieti. damit zwei umhüllte Teilchen, die in ikr I .um /ufiillig direkt aneinandergrenzen. ohne duuh lose Pulver getrennt zu sein, beim Pressen nicht btsihadi^i werden.

Das Mischen der umhüllten Teilchen nut dem restliehe» Grapbilpreßpuhcr wild weuen der leichten Hntmischbarkeit vor/ugsweisc lur jede Rrcnnelcrientkugel portionsweise getrennt durchgeführt.

Hier/u können beispielsweise die umhüllten be-

schichteten BrennstofTteilchen mit dem Graphitpreßpulver portionsweise in einem kleinen Mischer homogenisiert und anschließend direkt in die Gummipreßform eingefüllt werden.

Da sich beim Einfüllen in die Gümmiform eine geringe Entmischung nicht völlig vermeiden läßt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen* daß eingefüllte Gemisch unmittelbar vor dem Pressen mit einem geeigneten Rührer zu homogenisieren. Gegebenenfalls reicht der Rührvorgang in der Preßform für eine gute Durchmischung aus, so daß auf ein Vormischen verzichtet werden kann.

Bei den so hergestellten Kugeln (F i g. 1 und 2) isl die Festigkeit nach dem Pressen und Glünen so hoch und die Teilchen sind durch die Umhüllung — falls sie dick genug ist — so gut geschützt, daß diese Kugeln den erforderlichen Druckbefcislungcn genügen, ohne daß cine Beschädigung der an der Kugel' oberfläche befindlichen Teilchen eintritt. Falls stärkere Schlagbeanspruchungcn zu erwarten sind, und das ist normalerweise im Kugelhaufenreaktor der Fall, kann auf die Kugel in an sich bekannter Weise eine aus weiterem Graphitpulver durch Einfor.nen gebildete Schale aufgepreßt und die so geformte Kugel der abschließenden Glühung unterworfen werden (Fig. 3).

Für solche Brennelemente mit Schale ergibt sich das folgende· Vcrfahanssch^ma

2. Verfahrensbeispiel

Stufe I: Herstellung der Brennstoff teilchen (UO.,-Tcilchen 400 μ).

Stufe 2: Beschichtung der Brennstoffteilchen im Wirbelbett mit Pyrojyf kohlenstoff schichten (Dreifachschicht 40 4- 30 + 80 μ).

Stufe 3: Herstellen von binderhaltigem Graphitpreßpulver (aus Naturgraphitpulver, Elektrographitpulver und Phenolharz).

Stufe 4: Umhüllen der beschichteten Teilchen mit Graphhpreßpulver in einer UmhülJungstronimcl (Umhüllungsschicht IGOμ, Dichte 1,4 g/cm³, porös, aber* handhabungsfesi)'

Stufe 5; Mischen von umhüllten, beschichteten Teilchen^ portionsweise mit der crförtidrlicheh! Menge sari zusätzlichem Graphilpulverv

Stufe 6: Pressen zu Pormkörpcrn (Kugel) in _lö Gummiform.

Stufe 7: Aufpressen einer brennslofifrcicn Schale aus Graphitprcßpulver (in Gummiform).

Stufe 8: Temperaturbehandlung bei 1000° C in Inertgas und anschließend bei 1800' C im Vakuum.

Die Verbesserung der Festigkeit von ßrennelemenifeu£cln mit 60 mm Durchmesser durch die neue Verfahrensweise zeigt die folgende Tabelle, in der die zwischen zv/ei parallelen Stahlplatte crmil- *° leite Bruchlast von reinen Graphitkugeln, hergestellt aus dem gleichen Graphitpreßpulver, verglichen ist mit Brennelcmertikugeln, deren Kern hergestellt ist

1. nur aus (dick) umhüllten beschichteten Brennstoffteilchen,

2. aus (dünn) umhüllten Teilchen und beigemischtem Graphifpreßpulver.

Die Brennelemente haben eine teilchenfreie Graphitschale von 5 mm, das Volumen der beschichteten Teilchen beträgt etwa 5 cm³, d. h., ihr Volumenanteii im Kern beträgt etwa 8 ⁰Zo.

Tabelle Miniere Bruchisst

Graphitkugel 2 550 kg

Brennelementkugeln

1. Kern nur aus umhüllten Teilchen ... 1 140 kg

2. Kern aus umhüllten Teilchen und

Graphitpulver 2 550 kg

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen Graphitbrennelementen hoher Festigkeit für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren, bei dem mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtete Brennstoffteilchen mit binderhaltigem Graphitpreßpulver in einer Dragiertrommel umhüllt und anschließend zu einem Fonnkörper gepreßt und einer Wärmebehandlung unterzogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß fur die Umhüllungsschicht der beschichteten Brernstoffteilchen nur ein Teil des zum Aufbau des Graphitbrennelementes insgesamt notwendigen Graphitpulvers verwendet wird, daß dann die durch die Umhüllung geschützten Brennstoßteilchen mit 'lern restlichen Graphitpreßpulver zu einem homogenen Gemisch, bestehend aus den umhüllten Brennstoffteilchen und dem lockeren Preßpuiver, gemengt werden, und daß dieses homogene Gemisch bei hohem Druck zu einem Matrixkörper mit homogen verteilten Brennstoffpartikeln gepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßvorgang in einer Gummiform erfolgt.

\ Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gefüllte Gummiform in eine Stahlmatnze einführt und mit Ober- und Unterstcmpel z'isarrmengepreßt wird, wobei die Abmessung der Gumniform und die des inneren Hohlraumes so aufeinander abgestimmt sind, daß ein sphärischer Preßling entsteht

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere gefüllte Gummiformen in einer Flüssigkeit isostatisch gepreßt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die umhüllten beseiiichieien Breiinsiuifteüchen mit dem restlich.n (iraphitpreßpulver in der Gummitorm gemischt werden.

6. Verfahren ::ach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch von umhüllten beschichteten Brennstoffteilchjn und ieMlicnem GraphilprcKj ulver zunächst vorgemischt und in der Gummiform zusätzlich homogenisiert wird.

7. Verfahren nach tlen Ansprüche.: 1 bis rS, dadurch gekennzeichnet, daß auf die aus dem

Ge=TlJ¹H:!! ^v'"? iiinliiinii-n ι '».L'hirhtet'Ml Brenn-

stoffteilchen und Graphitpreßpulvei gepreßten brennsioffhaltigcn Kuge-In eine brennstolffreie Schale von Graphit aufgepreßt und die so hergestellten Kugeln vvärmebeliandeit werden.