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Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffkörpern Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffkörpern,
die ihrerseits für Kernreaktorbrennelemente bestimmt sind. - Kernreaktorbrennelement
bezeichnet die konstruktive Vereinigung eines "Spaltstoffes", hier also der keramischen
Brennstoffkörper, mit einem Hüllenmaterial. Der Brennstoffkdrper ist derJenige Teil
eines Brennelements, der den Spaltstoff enthält. Im vorliegenden Falle wird er aus
Graphit und beschichteten Brennstoffteilchen geformt. Die beschichteten Brennstoffteilchen
bestehen aus Uran/Thoriumkarbid oder -oxidkernchen, die bei hohen Temperaturen mit
Pyrokohlenstoff und/oder Siliziumkarbid zur Spaltproduktzurückhaltung beschichtet
werden.
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Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffkörpern für Kernreaktorbrennelemente
sind in verschiedenen AusfUhrungsformen bekannt. Im allgemeinen wird so vorgegangen,
daß Brennstoffteilchen und Graphit, gegebenenfalls auch ein anderer
Stoff,
als keramischer Binder zu Formkörpern gepreßt und danach gebrannt werden. Insbesondere
arbeitet man dabei mit ogenannten beschichteten Brennstoffteilchen und Graphit.
Brennstoffkörper, die aus Graphit und beschichteten Brennstoffteilchen bestehen
werden in erster Linie für gasgekühlte, graphitmoderierte Hochtemperaturreaktoren
verwendet. Die Kernreaktorbrennelemente dieser Reaktoren enthalten als Brennstoffzone
zumeist eine möglichst homogene Mischung aus Brennstoffteilchen und Graphit. Nachteilig
bei den bekannten Verfahren ist die Tatsache, daß man auf diesem Wege keine homogene
Verteilung der Brennstoffteilchen erzielt. Überdies ist es bisher nicht gelungen,
eine befriedigend gleichmäßige dichte Verteilung des Graphits sicherzustellen. Um
die für die Wärmeabruhr aus dem Brennstoff unter Einhaltung bestimmter Grenztemperaturen
erforderliche Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, hat man die Brennstoffteilchen/Graphit-Mischung
unter starkem Druck verdichtet.
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Dabei läßt sich nicht ausschließen, daß ein gewisser Anteil der Brennstoffteilchen,
insbesondere beschichteter Brennstoffteilchen, beschädigt wird, - wodurch die Qualität
der Brennstoffkörper bzw. Kernreaktorbrennelemente im Hinblick auf ihre Spaltproduktrückhalteeigenschart
herabgesetzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
mit dem unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile Brennstoffkörper hergestellt
werden können, die bei guter W;rmeleitfähigkeit homogene Verteilung der Brennstoffteilchen
und gleichmäßige dichte Verteilung des Kohlenstoffs aufweisen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen
Brennstoffkörpern für Kernreaktorbrennelemente, wobei Brennstoffteilchen, insbesondere
sogenannte beschichtete Brennstofrteilchen, und Graphit zu Formkörpern gepreßt und
danach gebrannt werden. Die Erfindung besteht darin, daß die Brennstoffteilchen
mit einer Umhüllung aus einer Mischung aus Graphitpulver und einem Kunstharzbindemittel
versehen, die umhüllten Brennstoffteilchen zu Formkörpern gepreßt werden und danach
das Kunstharz verkokt wird. Um die Umhüllung der Brennstoffteilchen mit der Mischung
aus Graphitpulver und Kunstharzbindemittel herzustellen, werden Drehtrommeln eingesetzt.
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Sollen Brennstoffkörper für optimale Anforderungen hergestellt werden,
so empfiehlt es sich, dafür zu sorgen, daß alle Brennstoffteilchen mit einer Umhüllung
gleicher Dicke aus einer für alle Brennstoffteilchen gleichen Mischung aus Graphit
und Kunstharzbindemittel versehen werden. Um auszuschließen, daß Brennstoffteilchen
beim Preßvorgang beschädigt werden, ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Umhüllung versehenen Brennstoffteilchen
unter isostatischem Druck zu Formkörpern gepreßt werden. Das empfiehlt sich insbesondere
dann, wenn es sich bei den Brennstoffteilchen um sogenannte beschichtete Brennstoffteilchen
handelt, die erfahrungsgemäß sehr druckempfindlich sind. Man kann ohne weiteres
die mit der Umhüllung versehenen Brennstoffteilchen in eine Form einfüllen und in
der Form durch Zentrifugalkraft pressen.
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Dabei kann es sich der Form schon um die Hülle des Kernreaktorbrennelementes
handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Herstellung
kugelförmiger Kernreaktorbrennelemente für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren.
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Bei der Fertigung solcher Kernreaktorbrennelemente geht man von einer
innen ausgedrehten Graphitkugel aus. Die Graphithohlkugel wird durch eine Uffnung
mit in der beschriebenen Weise umhüllten Brennstoffteilchen gefüllt. Die Dicke der
Umhüllung und die Zusammensetzung werden so gewählt, wie es für die Brennstoffzone
des Brennelementes gefordert wird. Beim Füllprozeß können die überzogenen Brennstoffteilehen
mechanisch ein wenig nachverdichtet werden, obwohl es zweckmäßig ist, die Verdichtung
in der beschriebenen Weise durch Zentrifugalkraft zu erzeugen.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß
mit dem erfindnngsgemäßen Verfahren unter Vermeidung der eingangs beschriebenen
Nachteile Brennstoffkörper hergestellt werden können, die bei guter Wärmeleitfähigkeit
homogene Verteilung der Brennstoffteilchen und gleichmäßige dichte Verteilung des
Kohlenstoffs aufweisen. Die Umhüllung aus der Mischung aus Graphit und Kunstharzbindemittel
stellt für den Verdichtungsvorgang gleichsam eine Schutzschicht dar, die eine Beschädigung
der Brennstoffteilchen ausschließt, da nur der Überzug aus Graphit und Kunstharzbindemittel
verformt wird. Das ist insbesondere für empfindliche beschichtete Brennstoffteilchen
wichtig. Durch die Auswahl des Umhüllungsmaterials und die Verdichtungsbedingungen
ist es im übrigen möglich, die physikalischen Eigenschaften der Brennstoffkörper
und dadurch der Kernreaktorbrennelemente in engen Grenzen auf gewünschte Werte festzulegen.
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Beispiel: (...Ergänzung erforderlich...) Im folgenden wird die Erfindung
anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher
erlutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: Fig. 1 einen Längsschnitt durch
ein Kernreaktorbrennelement mit erfindungsgemäßen Brennstoffkörpern, Fig. 2 den
vergrößerten Ausschnitt A aus dem Gegenstand nach Fig. 1, - dic Brennstofrkörper
teilweise im Schnitt, Fig. 3 in nochmaliger Vergrößerung einen Querschnitt durch
ein einzelnes Brennstoffteilchen mit Umhüllung.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kernreaktorbrennelement 1 ist
ein kugelförmiges Brennelement und z.B. für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren
bestimmt. Die Hülle 2 ist eine innen ausgedrehte Graphithohlkugel, Durchmesser etwa
6.9 mm, Wanddicke etwa 66. mm. Insbesondere aus Fig. 2 entnimmt man, daß in der
Hülle 2 die Brennstoffteilchen 3 gleichmäßig verteilt sind, während darüber hinaus
auch eine gleichmäßige dichte Verteilung des Kohlenstoffs 1F erzielt ist. Dazu sind
(vgl.
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Fig. 3) die Brennstoffteilchen D zunachst mit einer Umhüllung 5 aus
einer Mischung aus Graphitpulver und einem Kunstharzbindemittel versehen worden.
Danach sind die Brennstoffteilchen 3 zu dem Formkörper verpreßt worden, der sich
im Innern der Hülle 2 befindet, während im Anschluß daran das Kunstharz
in
der beschriebenen Weise verkokt worden ist. Die aus der Fig. 2 erkennbare Homogenität
erreicht man insbesondere dann, wenn alle Brennstoffteilchen 3 mit einer Umhüllung
5 gleicher Dicke aus einer für alle Brennstoffteilchen 3 gleichen Mischung aus Graphit
und Kunstharzbindemitteln versehen werden.
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Gegenstand der Patentanmeldung sind Brennstoffkörper, die den in Figur
2 dargestellten Aufbau aufweisen und aus Brennstoffteilchen 3 mit Umhüllung 5 aus
Graphit und Kunstharzbindemittel in der beschriebenen Weise hergestellt sind.
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Ansprüche