DE2106942A1 - Atomic reactor fuel elements - made from high energy compacted powder - Google Patents
Atomic reactor fuel elements - made from high energy compacted powderInfo
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Abstract
Description
"Vorrichtung zur Formgebung von Reaktorbrennelamenten Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formgebung von Reaktorbrennelementen aus ummantelten, den Kernbrennstoff enthaltenden Partikeln und einem Pulver zur Bild1mg eines brennstofffreien Tiiantels um das Element, bei der zur Formgebung ein Antrieb und eine Form, in die das Material eingefüllt wird, vorgesehcn sind."Apparatus for Shaping Reactor Burning Lugs The Invention relates to a device for shaping reactor fuel elements from jacketed, the nuclear fuel-containing particles and a powder for Bild1mg a fuel-free Tiiantels around the element in which to shape a drive and a shape into which the material is filled in, are provided.
Die Erfindung ermöglicht die Formgebung von Reaktorbrennelementen mit verschiedenen Geometrien, darunter auch rohrförmigen @ohlkörpern; sie wird daher im folgenden lediglich zur Vereinfachung der Darstellung anhand von kugelförmigen Brennelenienten erläutert Derartige Brennelemente bestehen im wesentlichen aus einem Kern, der die eigentliche Brennstoffzone darstellt und einem Mantel, in dem sich kein Kernbrennstoff, sondern ein Moderatormaterial, @ämllch Graphit befindet. Die Brennstoffzone wird von Partikeln gebildet, die ihrerseits aus mehreren Schichten bestehen können0 Insbesondere enthalten diese Partikel in ihrem Kern den Kernbrennstoff, z.B. in Form von Uran/Thorium-ff1schkristallen.The invention enables the shaping of reactor fuel elements with different geometries, including tubular hollow bodies; it will therefore in the following only to simplify the representation using spherical Fuel elements explained Such fuel elements essentially consist of one Core, which represents the actual fuel zone and a jacket in which not a nuclear fuel, but a moderator material, @ amllch graphite. the Fuel zone is formed by particles, which in turn consist of several layers can pass 0 In particular, these contain particles in their Core is the nuclear fuel, e.g. in the form of uranium / thorium crystals.
Dieser Kern wird von mehreren Schichten umgeben, die von innen nach außen aus zwei aufeinanderfolgenden Tagen aus pyrolytischem Kohlenstoff, einer sich daran anschließenden Hülle aus zOB siliziumkarbid und einem darauffolgenden weiteren Mantel aus pyrolytischem Kohlenstoff bestehen. Das Ganze wird im allgemeinen von einem aus Moderatormaterial und einem geeigneten Binder bestehenden Mantel umgeben. Als Moderatormaterial kommt Binder natürliches Graphit und/oder Elektrographit in Betracht, der wird zumeist von einem Kunststoff, zOBo von Phenolharz gebildet.This core is surrounded by several layers, which consist of two consecutive days of pyrolytic carbon from the inside out, an adjoining shell made of zOB silicon carbide and a subsequent further shell made of pyrolytic carbon. The whole is generally made up of a moderator material and a suitable binder surrounding existing coat. As a moderator material, natural graphite and / or electrographite binders come into consideration is mostly made of a plastic, zOBo of phenolic resin.
Der Kern des Brennelementes besteht aus einer Vielzahl solcher Partikel, die einen Durchmesser von beispielsweise 1,0 bis 1,5 mm aufweisen. Der Kern kann seinerseits einen Durchmesser von 40 bis 50 mm erhalten. Die ihn umgebende brennstofffreie Zone besteht in der Regel aus einer Mischung aus Natur- und/ oder Elektrographit als Moderatormaterial und einem Phenolharz als Klebstoff. Ein kugelförmiges Brennelement dieser Art kann einen Durchmesser von ca, 60 mm aufweisen.The core of the fuel assembly consists of a large number of such particles, which have a diameter of, for example, 1.0 to 1.5 mm. The core can in turn obtained a diameter of 40 to 50 mm. The surrounding fuel-free Zone usually consists of a mixture of natural and / or electrographite as a moderator material and a phenolic resin as an adhesive. A spherical fuel assembly this type can have a diameter of approx. 60 mm.
Die Anforderungen an solche Elemente sind verhältnisinäßig hoch. In der Brennstoffzons muß eine gleichmäßige Verteilung der Partikel erreicht werden, um Brennstoffkonzentration en an bestimmten Stellen des Elementes zu vermeiden. Obwohl einerseits mit Rücksicht auf die WErmeabfuhr aus dem Brennelement eine Verdichtung des Materials gefordert wird, dürfen die Partikel bei der Formgebung der Brennstoffzone bzw. der Ummantelung des Kernes mit der brennstofffreien Zone nicht beschEdigt werden, um die Freisetzung radioaktiver Stahlung zu vermeiden.The requirements for such elements are relatively high. In a uniform distribution of the particles must be achieved in the fuel zone, to avoid fuel concentrations at certain points on the element. Although on the one hand a compression with regard to the heat dissipation from the fuel assembly of the material is required, the particles may be used when shaping the fuel zone or the sheathing of the core with the fuel-free zone are not damaged, to avoid the release of radioactive radiation.
Es ist bekannt, derartige Brennelemente in mechanischen Pressen herzustellen. Das geschieht u.a. nach dem Prinzip des quasi-isostatischen Pressens mit Hilfe einer speziellen Gummiform oder nach dem Prinzip des Natrizenpressens mit Hilfe einer speziellen Stahlform oder eines Gesenkes. Insbesondere für die Ummantelung des Kernes von Brennelementen mit Graphit als Moderatormaterial wird das pulverförmige Material durch isostatisches Pressen in die gewünschte Form gebracht.It is known to manufacture such fuel assemblies in mechanical presses. This happens, among other things, according to the principle of quasi-isostatic pressing with the help of a special rubber mold or according to the principle of sodium pressing with the help of a special steel mold or a die. Especially for the sheathing of the core of fuel elements with graphite as moderator material is the powdery material brought into the desired shape by isostatic pressing.
Die mit solchen Pressen hergestellten Brennelemente weisen jedoch beträchtliche Nachteile auf 0 Das Material läßt sich nämlich wegen der begrenzten Kräfte, die von einem Pressenantrieb aufgebracht werden können oder sich mit einer gummielastischen nur in hest.immten Grenzen orm upertragen lassen, veral cnten. vaaurcn wlra die Wärmeleitfähigkeit der Elemente verhältnismäßig schlecht.The fuel assemblies produced with such presses, however, have considerable disadvantages. Because of the limited forces that can be exerted by a press drive or with a rubber-elastic drive, the material can only be transmitted within certain limits. outdated. vaaurcn wlra the thermal conductivity of the elements is relatively poor.
Außerdem haben derartige Pressen den Nachteil, daß sich die Graphite in den verschiedenen Zonen des Elementes unterschiedlich ausrichten können, so daß das Element anisotrop wird. Das fahrt u.aO zu unerwünschten Temperaturgradienten.In addition, such presses have the disadvantage that the graphite can align differently in the different zones of the element, so that the element becomes anisotropic. This leads to undesirable temperature gradients, among other things.
Insbesondere beim isostatischen Pressen entsteht ein erheblicher technischer Aufwand. Dieses Pressverfahren erfordert eine hochelastische Form mit der gewünschten Geometrie, die das Material eingebracht wird0 Die hochelastische Form wird in einen Druckbehälter eingesetzt, der mit einer Flüssigkeit geflutet wird. Über eine Hochdruckpumpe wird der erforderliche Druck aufgebriit, der die Form mit dem in ihr enthaltenen Preßgut allseitig beaufschlagt und dadurch das Preßgut verdichtet0 Der hohe technische Aufwand ist vor allem auf die relativ hohen Drücke zurückzuführen, die erforderlich sind, um das Preßgut ausreichend zu verdichten. Außerdemmissen diese Driicke in möglichst kurzen Zeiträumen aufgebracht werden, so daß eine Massenfertilng noch möglich ist. Die Fertigungszeiten für das isostatische Pressen liegen im bereich von mehreren Minuten.In isostatic pressing, in particular, there is a considerable technical issue Expenditure. This pressing process requires a highly elastic shape with the desired Geometry into which the material is introduced0 The highly elastic form is transformed into a Pressure vessel used, which is flooded with a liquid. Via a high pressure pump the necessary pressure is applied, which the form with the contained in it Pressed material on all sides and thereby compacted the pressed material0 The high technical level Effort is mainly due to the relatively high pressures that are required are to sufficiently compress the material to be pressed. In addition, these pressures in As short periods of time as possible are applied, so that mass production is still possible is possible. The production times for the isostatic presses in the range of several minutes.
Im allgemeinen muß mit diesem bekannten Preßverfahren jedes Element in zwei Preßvorgängen he@gestellt werden. Zunächst werden die Partikel zu der gewünschten Form der Brennstoffzene verdichtet. Danach wird in einem weiteren Preßvorgang das pulverförmige Material der brennst@ffreien Zon@ mit dem vergepreßten Kern in eine Form gegeben und de dieser zu dem Element mit der gewünschten Form verpr@@t.In general, with this known pressing method, each element be made in two pressing processes he @. First, the particles become the desired Condensed form of the fuel scene. Then in a further pressing process that powdery material of the flammable Zon @ with the pressed core in a Given the shape and verpr @@ t this to the element with the desired shape.
Die so hergestellten Elemente @@@@@@ z.B. @@@@ ärmebehandlung unterzogen. Diese besteht zunächst in ei@@@ Brhit/2ung der Elemente auf 800 °C, bei der das Bindemittl, z.B. da@ Phenal langsa@ verkokt wird, weil bei der auftretenden Teilvergasung @isse vermieden werden müssen. Daran schließt sich eine Erhitzung auf ca. 1800° C an, bei der Wasserstoff ausgetrieben wird und es zu einer Teilgraphitierung des verkekten @at@@ials kommt.The elements produced in this way are @@@@@@ e.g. @@@@ subjected to heat treatment. This consists initially of heating the elements to 800 ° C, at which the Binding agent, e.g. because @ Phenal is slowly coked, because partial gasification occurs @isse must be avoided. This is followed by heating to approx. 1800 ° C an, in which hydrogen is expelled and it leads to a partial graphitization of the Verkekten @ at @@ ials is coming.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Herstellung von @eaktorbrennelementen zu vereinfachen und will insbes@@dere die Voraussetzungen @ für eine rationellere Herstellung von Brennelementen schaffen, die verbesserte Eigenschaften @@@enüber den bisher herstellbaren Elementen aufweisen.The invention has the task of producing @eactor fuel elements to simplify and especially wants to @@ dere the conditions for a more rational Manufacture of fuel assemblies that have improved properties over have the elements that could be produced up to now.
Erfindungsgemäß wird zu diesem @w@@k die einga@@s angegebene Vorrichtung so ausgebildet, daß @h@ Ant@ie@ von @inem mit einer Sprengladung oder einer Hochapannung@entladung uf die Form einwirkenden Impulsgenerator gebildet wird un@ die @orm zum Beschleunigen des eingefüllten @aterials bei der Formgebung des Elementes dient.According to the invention, the device specified in the input is used for this @ w @@ k designed so that @ h @ Ant @ ie @ from @inem with an explosive charge or a high voltage @ discharge The impulse generator acting on the shape is formed and the standard for accelerating of the filled @material is used when shaping the element.
Nach diesem Prinzip läßt sich nicht nur die @rennstoffzone aus den beschriebenen Partikeln, sondern auch der b@ennstofffreie Mantel des Bebktorbrennelementes herstellen. Da nicht mehr wie bei den bekannten Pressen mit der Form unmittelbar Druckkräfte auf das Material a@sgeübt werden, sondern die Teilchen des @aterials, also beim Pressen des Kernes die Partikel und beim Pressen d£u die brennstofffreie r,j7one bildenden Mantels das aus Graphit und Kunststoff bestehende Pulver beschleunigt werden, lassen sich praktisch beliebig hohe Kräfte auf@ringen. Tatsächlich werden Beschleunigungen in der Größenord@@ng von 20 bis @0.000 g erzielt. Diese ergeben eine außerordentlich starke Verdichtung des Materials, Da die aufgebrachte Energie senr kurzfristig auf das Preßgut einwirkt, wird.According to this principle, not only the fuel zone can be removed from the described particles, but also the fuel-free a coat of the reactor fuel element. No longer like the well-known presses pressure forces are exerted directly on the material with the form, but rather the Particles of the @material, i.e. the particles when pressing the core and when pressing d £ u the fuel-free, j7one-forming jacket made of graphite and plastic Existing powders are accelerated, forces can be practically of any magnitude on @ wrestle. In fact, accelerations will be on the order of 20 to Achieved @ 0,000 g. These result in an extremely strong compression of the material, Since the energy applied has a short-term effect on the material to be pressed.
eine Ausrichtung der einzelnen Bestand-telle des pulverförmigen Preßgutes, insbesondere der Graphit ausgeschlossen, so daß die Preßlinge isotrop ausfallen.an alignment of the individual constituent parts of the powdery material to be pressed, in particular the graphite excluded, so that the compacts turn out isotropic.
Von erheblichem Vorteil ist einerseits die Verkürzung der für das Pressen erforderlichen Zeit, andererseits die Verminderung des technischen Aufwandes für die Druckerzeugung.On the one hand, the shortening of the Pressing required time, on the other hand, the reduction of the technical effort for pressure generation.
Wird der Antrieb von einem mit einer Sprengladung arbeitenden Impulsgenerator gebildet, so empfiehlt sich die Verwendung einer 3prengstoffhohlladung, die die Form umgibt.It is powered by a pulse generator working with an explosive charge formed, it is recommended to use a 3-explosive shaped charge, which the Surrounds shape.
Zur Übertragung des Impulses auf die Form kann im übrigen ein hyd@aulisches oder ein mechanischs Gestänge verwendet werden.For the transfer of the impulse to the form, a hydraulic or a mechanical linkage can be used.
@nsbeson @e@e soll der Impulsgenerator von einem Hochspannungsmagneten und einer Kondensatorbatterle gebildet werden und dient zur @eschleunigung eines Druckstempels, der seine Energie an die Poren abgi-bt.@nsbeson @ e @ e is supposed to be the pulse generator from a high voltage magnet and a capacitor battery and is used to accelerate a Pressure stamp that emits its energy to the pores.
Zum sei@piel können die Formen zu mehreren mit Preßgut gefüllt iri einem @ruckbehälter @ angeordnet werden. Auf der Gegenseite deß Druckbehälters wird eine Spule des @ochspannungsmagneten angeordnet, die von der Kondensatorbatterie au.fgeladen wird.For sei @ piel, the molds can be filled with pressed material to several iri be arranged in a @ jerk container @. On the opposite side of the pressure vessel is a coil of the high voltage magnet arranged by the capacitor bank is loaded.
Bei der Entladung der Spule wird der Druckstempel beschleunigt, der seine Energie an die im Behälter befindliche Flüssigkeit abgibt, welche al. hydraulisches Gestange auf die Formen wirkt.When the coil is discharged, the pressure stamp is accelerated, the releases its energy to the liquid in the container, which al. hydraulic Rod acts on the forms.
Dieser Vorgang läßt sich periodisch durchführen, d.h. im Wechsel zwischen Auffüllen der Preßformen und Entladen der Hochspannungspue, so daß damit das Prinz@p der Automatisierung der Reakt orbronnvlemeii tunhe rs tellung verwirklicht wird0 Bei Verwendun eines mechanischen Gestänges empfiehlt es sich, eine insbesondere hälftig geteilte Form zu verwenden, die auf einem Sekundärmagnetan befestigt und nnt dem seinerseits beweglichen Druckstempel belastet ist, wobei d-ie den P-rimärrnagneten bildende Hochspannungsspule ortsfest gelagert wird.This process can be carried out periodically, i.e. alternating between Filling the molds and unloading the high-voltage pue, so that the Prinz @ p the automation of the react orbronnvlemeii tunhe rs position is realized0 When using a mechanical linkage, it is advisable to use one in particular to use a half-split form that is attached to a secondary magnet and nnt the, in turn, movable plunger is loaded, with d-ie the primary magnet forming high-voltage coil is stored stationary.
Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung erläutert, welche eine 1-nechanische Vorrichtung gemäß der Erfidung wieder-gibt.For a better understanding, the invention is based on a Schematic drawing explains which a 1-mechanical device according to the Renders invention.
Die Vorrichtung hat; ein Gerüst, das von einer Grundplatte 1, mehreren Säulen 2 LIfld einer Deckplatte 3 gebildet wird, wobei die Grundplatte mit den Säulen einstückig ausgebildet und bei 4 bzw. 5 mit einem Funlament verbunden sein kann. Die Grundplatte ist; bei 6 bzw. 7 mit den freien Enden der Säulen 2 verbunden, z.B. verschra@bt. Sie hat außerdem eine Ausnehmung 8, über der sich ein Schutz- und Führungsrohr 9 erhebt, das durch einen Flansch 10 bei 11 bzw. 12 mit der Oberseite 1@ der Platte 3 verbunden, insbesondere verschraubt it. In dem Führungsrohr steckt ein @ohrförmiges Gefäß 15 mit einem Stahlsyllnder 18.The device has; a framework, which is from a base plate 1, several Columns 2 LIfld a cover plate 3 is formed, the base plate with the columns formed in one piece and can be connected to a funlament at 4 or 5. The base plate is; connected at 6 and 7, respectively, to the free ends of the columns 2, e.g. screwed @ bt. It also has a recess 8 over which there is a protective and guide tube 9 rises through a flange 10 at 11 or 12 with the top 1 @ of the plate 3 connected, in particular screwed it. There is an @ ear-shaped in the guide tube Vessel 15 with a steel syllable 18.
Das Gefäß ist an einer nur schematisch wiedergegebenen Sekundärspule 17 befestigt, die über einer ortsfesten Primärspule 18 in senkrechter Richtung und in einem Führungsgestell 19 gelagert ist.The vessel is on a secondary coil, which is only shown schematically 17 attached, which over a stationary primary coil 18 in vertical Direction and is mounted in a guide frame 19.
über dem Stablzylinder 16 befindet sich eine hälftig bei 20 geteilte Kugelform, deren beide Hälften 21 bzwO 22 ihrerseits mehrteilig ausgebildet sind0 Die Kugelform besitzt an zwei Enden ebene BegrensungsSlächen. Die eine mit 23 bezeichnete Begrenzungsfläche stützt sich auf dem Stahlzylinder 16 ab, während die zweite bei 24 angedeutete Begrenzungsfläche das Widerlager für einen i.n das Gefäß 15 eingesetzten zylindri@chen Stempel 25 bildet, dessen Masse durch eine Verbreiterung 26 möglich gro gemacht ist, In die allgemein mit 27 bezeichnete Foiinhöble wird entweder der vorgepreßte Brennelementenkern zusammen mit einem aus NaturbæwG Elektrographit und Kunststoff, z.B. Phenolharz bestehenden Pulver oder lediglich eine bestimmte Gewicht.smenge an Partikeln eingefüllt. Die beiden Hälften 21. bzw. 22 der Form liegen dann nicht aufei.nander, sondern be finden sich in einem Abstand, der durch die beabsichtigte Verdichtung des Materials bestimmt ist.Above the rod cylinder 16 there is a half divided at 20 Spherical shape, the two halves 21 and 22 of which are in turn formed in several parts0 The spherical shape has flat boundary surfaces at two ends. The one labeled 23 Boundary surface is supported on the steel cylinder 16, while the second at 24 indicated boundary surface the abutment for a i.n the vessel 15 used cylindri @ chen punch 25 forms, the mass of which is possible by a widening 26 is made large, in the Foiinhöble, generally designated 27, either the pre-pressed fuel element core together with one made of NaturbæwG electrographite and Plastic, e.g. phenolic resin powder or just a certain amount by weight filled with particles. The two halves 21 and 22 of the mold then do not lie on top of each other, but are at a distance determined by the intended Compaction of the material is determined.
Vor einer nicht dargestellten Kondensatorbatterie erhält die Primärspule 18 eine Hochspannung, durch die die Sekundärspule 17 beschleunigt wird. Dadurch wird auch der Preßstempel 25 beschleunigt und bringt am Ende der durch diese Beschleunigung hervorgerufenen Bewegung der Teile einen Impuls kurzer Wirkungsdauer auf die beiden Formhälften 21 bzwO 22 und damit auf den Inhalt der Formhöhle 27 auf, der dadurch beschleunigt wird.The primary coil is placed in front of a capacitor bank, not shown 18 a high voltage by which the secondary coil 17 is accelerated. Through this the ram 25 is also accelerated and at the end brings about this acceleration caused movement of the parts a pulse of short duration of action on the two Mold halves 21 or 22 and thus on the contents of the mold cavity 27, which thereby is accelerated.
Die Beschleunigung führt zu außerordentlich hohen Kräften, welche das Material in der Formhöhle 27 zusammenpressen.The acceleration leads to extraordinarily high forces, which compress the material in the mold cavity 27.
P a t e n t a n s p r ü c h e P a t e n t a n s p r ü c h e
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19712106942 DE2106942A1 (en) | 1971-02-13 | 1971-02-13 | Atomic reactor fuel elements - made from high energy compacted powder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19712106942 DE2106942A1 (en) | 1971-02-13 | 1971-02-13 | Atomic reactor fuel elements - made from high energy compacted powder |
Publications (1)
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|---|---|
| DE2106942A1 true DE2106942A1 (en) | 1972-08-31 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19712106942 Pending DE2106942A1 (en) | 1971-02-13 | 1971-02-13 | Atomic reactor fuel elements - made from high energy compacted powder |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE2106942A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2597016A1 (en) * | 1986-04-09 | 1987-10-16 | Commissariat Energie Atomique | Method and device for compacting a powder by means of electromagnetic pulses and composite material obtained |
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1971
- 1971-02-13 DE DE19712106942 patent/DE2106942A1/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2597016A1 (en) * | 1986-04-09 | 1987-10-16 | Commissariat Energie Atomique | Method and device for compacting a powder by means of electromagnetic pulses and composite material obtained |
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