DE1932567B2

DE1932567B2 - Verfahren zur Herstellung von Brenn- und/oder Brutelementen für Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1932567B2
Application number: DE1932567A
Authority: DE
Inventors: Ernoe Dr. Gyarmati; Hubertus Dr. Nickel
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1969-06-27
Filing date: 1969-06-27
Publication date: 1974-11-14
Also published as: BE751406A; FR2047972B1; NL7006674A; GB1311715A; FR2047972A1; DE1932567A1; JPS536312B1; US3907948A; DE1932567C3; LU60984A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Brenn- und/oder Brutelementen für Kernreaktoren, bei denen der Brenn- und/oder Brutstoff in Form von mit pyrolytischem Kohlenstoff, Carbiden, wie Silicium-, Zirkoniumcarbid und/oder Oxiden, wie Berylliumoxid, Aluminiumoxid beschichteten Teilchen mit einem Durchmesser von einigen μηι zu einem Verbundkörper verbunden wird, wobei eine in eine zylindrische Hülse eingefüllte Schüttung von Brenn- und/oder Brutstoffteilchen in einer Induktionsspule auf Temperaturen zwischen und 2100° C aufgeheizt und zur Bildung einer festen Verbindung aus pyrolytischem Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid, Zirkoniumcarbid zwischen den Teilchen von sich bei diesen Temperaturen thermisch zersetzendem Methan, Acethylen, Benzol und anderen gasförmigen Kohlenwasserstoffen und/oder Cl₃SiCH₃ und anderen Chlormethylsilanen durchströmt wird.

Es sind verschiedene Ausführungen von Brenn- und/oder Brutelementen bekannt, bei denen der Brennstoff und/oder der Brutstoff in Form von beschichteten Teilchen des Brennstoffs oder Brutstoffs vorliegt. Zur Herstellung von Siliciumcarbidbeschich-

tungen werden beispielsweise - wie aus der französischen Patentschrift 1 504 355 bekannt ist - Chlormethylsilane verwendet und deren Zersetzungsprodukte abgeschieden.

Durch die auf die Brennstoff- oder Brutstoffteilchen aufgebrachten Beschichtungen soll auch bei hohen Abbränden der Austritt von gasförmigen oder festen Spaltprodukten verhindert werden. Der Durchmesser der beschichteten Teilchen beträgt dabei vorzugsweise 400 bis 1000 μιη. Nach einem bekann-

'5 ten Verfahren zur Herstellung von Brenn- und/oder Brutelementen unter Verwendung von beschichteten Brenn- und/oder Brutstoffteilchen hat man bereits die beschichteten Teilchen mit einem Bindergemisch aus Graphit und pdykondensierbarem Kunstharz umhüllt

ίο und diese Teilchen sodann bei einer Temperatur von etwa 180° C verfestigt. Die Dichte der in dieser Weise gebildeten Verbundkörper betrug dabei etwa 2 g je cm¹. Zur Verwendung im Reaktor wurden die Ve,-bundkörper von einer Umhüllung aus Graphit umgeben.

Um möglichst hohe Abbrände zu erreichen, hat man für wasser- und metallgekühlte Reaktoren auch ein Brenn- und/oder Brutelement entwickelt, bei dem beschichtete Brenn- und/ode.' Brutstoffteilchen in der Größe von einigen hundert μιη als lose Schüttung in einer metallischen Umhüllung enthalten sind (deutsche Patentschrift 1241541).

Sowohl bei dem aus beschichteten Brenn- oder Brutstottteilchen hergestellten Verbundkörper als

j5 auch bei der Verwendung der losen Schüttung von beschichteten Teilchen ist für den Einsatz im Reaktor die Anordnung einer Umhüllung zweckdienlich, wenn nicht sogar erforderlich. Beim Einsatz im Reaktor werden daher diese Brenn- and/oder Brutelemente durch das den Reaktorkern durchströmende Kühlmittel nur von außen umströmt und gekühlt. Um einen Kernreaktor unter möglichst günstigen wirtschaftlichen Bedingungen zu betreiben, ist man jedoch bestrebt, die Wärme auch aus dem Innern des Brenn- und/oder Brutelements möglichst unmittelbar auf das Kühlmittel zu übertragen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Brenn- und/oder Brutelementen zu schaffen, die bei hinreichender Stabilität für den Einsatz im Reaktor eine solche Porosität aufweisen, daß sie auch in ihrem inneren Kern von dem Kühlmittel, insbesondere von einem gasförmigen Kühlmittel durchströmt werden. Das Verfahren soll unter einfachen Bedingungen und somit wirtschaftlich durchführbar sein.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Schüttung der Brenn- und/oder Brutstoffteilchen in eine mit Bohrungen versehene, aus Graphit bestehende zylindrische Hülse eingefüllt wird und die in die Hülse eingefüllten Brenn- und/oder Brutstoffteilchen j'.onenweise in Richtung der Längsachse der Hülse von oben nach unten in zeitlicher Aufeinanderfolge derart aufgeheizt werden und wobei die Hülse von unten nach oben von einem Gasgemisch, bestehend aus einem Kohlenwasserstoff und/oder einem Chlormethylsilan sowie einem inerten Trägergas, wie Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff derart

durchströmt wird, daß sich zwischen den Brenn- und/ oder Brutstoffteilchen lediglich Verbindungsbrücken bilden.

Das geschieht zweckmäßig dadurch, daß die in der Hülse eingefüllten Brenn- und/oder Brutstoffteüchen durch eine die Graphithülse umschließende, in Rieh tung der Längsachse der Graphithülse verschiebbare Induktionsspule aufgeheizt werden. Das Aufheizen erfolgt dabei zweckmäßig in der Weise, daß die Induktionsspule des Induktionsofens über die Länge der Graphithülse von oben nach unten verschoben wird. Die Pyrolyse wird somit über die Länge der in der Graphithülse enthaltenen Schüttung in zeitlicher Folge durchgeführt. Dabei entweichen die bei der Pyrolyse entstehenden Zersetzungsprodukte in der jeweiligen heißen Zone durch in der Graphithülse vorgesehene kleine Bohrungen.

Zwar ist aus der deutschen Auslegeschrift 1227 163 ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion von Kernstoffpartikeln in einem Matrixkörper bekannt, bei dem beschichtete Brennstoffteilchen in einer dicht gepackten Konfiguration angeordnet werden und diese Anordnung sodann bei erhöhter Temperatur in eine zusammenhängende, fest verbundene Matrix überführt wird. Dies geschieht nach diesem bekannten Verfahren dadurch, daß durch die dicht gepackte Konfiguration der beschichteten Teilchen ein bei der erhöhten Temperatur zersetzliches Gas oder ein reaktionsfähiges Gasgemisch hindurchgeleitet wird, das bei der Zersetzung oder der Reaktion feste Stoffe in den Zwischenräumen der Kugelpackung abscheidet. Dabei entsteht zwar eine feste Matrix, jedoch ist von Nachteil, daß die Zwischenräume zwischen den Teilchen so weitgehend ausgefüllt sind, daß die so gebildete Matrix nicht durch ein Kühlmittel durchströmt und somit nicht in ihrem Inneren gekühlt werden kann.

Demgegenüber zeichnen sich Brenn- und/oder Brutstoffelemente, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt worden sind, dadurch aus, daß sie, obwohl die beschichteten Brenn- oder Brutstoffteüchen nur Verbindungsbrücken zueinander aufweisen, eine hinreichende Festigkeit besitzen, gleichwohl jedoch von einem gasförmigen Kühlmittel so durchströmt werden können, daß auch das Innere des Brenn- und/oder Brutelementes so gekühlt wird, daß eine sehr wirtschaftliche Betriebsweise des Reaktors gesichert ist.

Bei Brenn- und/oder Brutelementen, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt worden waren und die im Reaktor eingesetzt wurden, zeigte sich, daß bei der Verwendung eines gasförmigen Kühlmittels, wie z. B. Helium, eine Überhitzung im Inneren des Verbundkörpers wirksam verhindert wurde. Verbundkörper, die mit einer Graphitumhülluiig umgeben worden waren, erwiesen sich auch bei den in Hochtemperaturreaktoren auftretenden Arbeitstemperaturen bis über 1000° C auch über lange Zeiträume hinweg als hinreichend stabil. Waren die Brücken zwischen den beschichteten Teilchen zur Herstellung des Verbundkörpers durch thermische Zersetzung eines Kohlenwasserstoffes gebildet worden, so ergab sich als weiterer Vorteil, daß die Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsbrücken zwischen den beschichteten Teilchen den Beschichtungen praktisch entsprachen. Auch hier entsprach der Wärmeausdehnungskoeffizient der Verbindungsbrücken dem der Beschichtung.

Waren die Verbindungsbrücken zwischen den Brenn- und/oder Brutstoffteilchen durch thermische Zersetzung von Chlormethylsüanen gebildet worden, so wurde dadurch, wenn die Brenn- oder Brutstoffteilchen mit Siliciumcarbid beschichtet worden waren, die Korrosionsfestigkeit gegenüber Wasser erheblich erhöht, es zeigte sich ferner, daß die Verträglichkeit eines solchen Verbundkörpers und in gleicher Weise die Verträglichkeit von mit Zirkoniumcarbid oder ähnlichen Materialien beschichteten Brenn- oder Brutstoffen gegenüber metallischen Umhüllungen gleichfalls verbessert wurde.

^ls Es hat sich ferner gezeigt, daß durch thermische Zersetzung von Kohlenwasserstoffen und/oder Chlormethylsüanen auch bei der Verwendung von unbeschichteten Brenn- oder Brutstoffteüchen ein Verbundkörper hinreichender Festigkeit gebildet werden kann.

1. Ausführungsbeispiel

Es wurden in eine Graphithülse, deren Boden mit zahlreichen kleinen Bohrungen versehen war, mit py-

*5 rolytischem Kohlenstoff und Siliciumcarbid beschichtete Brvnnstoffteilchen mit einem Durchmesser von 600 μπι eingefüllt. Diese Hülse war für die Zuführung eines Gasgemisches aus Methan und Argon mit einem Graphitrohr verbunden. Die Graphithülse wurde mit

3" einer Induktionsspule beginnend von ihrem oberen Ende auf 1500° C erhitzt. Die Induktionsspule wurde dann langsam, d.h. bei einer Zeitdauer von einer Stunde vom oberen Ende der Graphithülse bis zum unteren Ende verschoben. Während des Beheizens der Graphithülse wurde das Methan-Argon-Gemisch in die in der Graphithülse enthaltene Schüttung eingeleitet. Der auf diese Weise gebildete Verbundkörper besaß eine ausreichende Festigkeit bei einer Porosität von etwa 15 %. Während der Herstellung des Verbundkörpers stieg der Strömungswiderstand in der Hülse bis auf 0,190 bis 0,326 kp/cnr.

2. Ausführungsbeispiel

Mittels der gleichen Anordnung, wie im Ausführungsbeispiel 1 beschrieben, wurde durch eine Schüttung mit pyrolytischem Kohlenstoff und Siliciumcarbid beschichtet ^prennstoffteilchen bei einer Temperatur von 20^c C Si» an Trichlormethylsilan gesättigter Wasserstoff*·! w /·< schickt. Dieser Gasstrom wurde im VerhäSt--i. nt Argon gemischt. Die thermische ZerseUi« ^ ■ ·^: ■ »Igte unter gleichen Bedingungen, wie im Ausfüiuungsbeispiel 1 beschrieben. Es entstand ein sehr fester, gleichmäßiger Verbundkörper mit Siliciumcarbidbindung, dessen Porosität zwischen 15 und 20 % lag.

3. Ausführungsbeispiel

Unter gleichen Bedingungen wie bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2 wurde eine mit CH₃SiCl₃ ge-

°o sättigte H₂-Menge ohne Argon durch eine Schüttung beschichteter Brennstoffteilchen geleitet. Auch hierbei zeigte sich, daß die Eigenschaften des gebildeten Verbundkörpers den gewünschten Anforderungen entsprachen. Sie stimmen überein mit dem durch die Maßnahmen gemäß Ausführungsbeispiel 2 hergestellten Verbundkörper.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Brenn- und/ oder Brutelementen für Kernreaktoren, bei denen der Brenn- und/oder Brutstoff in Form von mit pyrolytischetn Kohlenstoff, Carbiden, wie Silicium-, Zirkoniumcarbid und/oder Oxiden, wie Berylliumoxid, Aluminiumoxid beschichteten Teihäicu mit einem Durchmesser von einigen 100 μιη zu einem Verbundkörper verbunden wird, wobei eine in eine zylindrische Hülse eingefüllte Schüttung von Brenn- und/oder Brutstoffteilchen in einer Induktionsspule auf Temperaturen zwischen 1200 und 2100° C aufgeheizt und zur Bildung einer festen Verbindung aus pyrolytischem Kohlenstoff und/oder Siliciumcarbid, Zirkoniumcarbid zwischen den Teilchen von sich bei diesen Temperaturen thermisch zersetzendem Methan, Aceihylen, Benzol und anderen gasförmigen Kohlenwasserstoffen und/oder Cl₃SiCH₃ und anderen Chlormethylsilanen durchströmt wird, d adurch gekennzeichnet, daß die Schüttung der Brenn- und/oder Brutstoffteilchen in eine mit Bohrungen versehene, aus Graphit bestehende zylindrische Hülse eingefüllt wird und die in die Hülse eingefüllten Brenn- und/oder Brutstoffteilchen zonenweise in Richtung der Längsachse der Hülse von oben nach unten in zeitlicher Aufeinanderfolge derart aufgeheizt werden und wobei die Hülse von unten nach oben von einem Gasgemisch, bestehend aus einem Kohlenwasserstoff und/oder einem Chlormethylsilan sowie einem inerten Trägergas, wie Argon, Helium, Stickstoff oder Wasserstoff derart durchströmt wird, daß sich zwischen den Brenn- und/oder Brutstoffteilchen lediglich Verbindungsbrücken bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Hülse eingefüllten Brenn- und/oder Brutstoffteilchen durch eine die Graphithülse umschließende, in Richtung der Längsachse der Graphithülse verschiebbare Induktionsspule aufgeheizt werden.