DE2208855B2 - Verfahren zur herstellung prismatischer blockbrennelemente fuer hochtemperatur- reaktoren - Google Patents
Verfahren zur herstellung prismatischer blockbrennelemente fuer hochtemperatur- reaktorenInfo
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- G21C—NUCLEAR REACTORS
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- G21C3/28—Fuel elements with fissile or breeder material in solid form within a non-active casing
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung prismatischer Blockbrennelemente für Hochtemperaturreaktoren,
die aus einem vorgefertigten Graphitblock mit Kühlkanälen und zylindrischen Bohrungen
zur Aufnahme der Brennstoffeinsätze bestehen.
Bei Hochtemperaturreaktoren haben unter den verschiedenen Brennelementtypen besonders die blockförmigen
Brennelemente, wie sie z. B. im gasgekühlten Fort St. Vrain-Reaktor (Nuclear Engineering International,
1969, S. 1073 bis 1777) eingesetzt wurden, an Interesse
und Bedeutung gewonnen. Solche Brennelemente, die auch in der DT-OS 15 64 029 beschrieben
werden, bestehen aus hexagonalen Graphitblöcken, in denen parallel zur Prismenachse in hexagonaler Verteilung
Bohrungen für Brennstoff und Kühlgas cingebracht sind. Der Brennstoff wird in Form von beschichteten
Partikeln mit Graphitmatrix zu zylinderförmigen Körpern gebunden, die in die obenerwähnten Brennstoffkanäle
eingeschoben werden.
Zwischen Brennstoffkörper und Bohrungswand ergibt sich dabei ein Spalt, der von den Herstellungstoleranzen
herrührt. Dieser Spalt muß so groll sein, daß durch das unterschiedliche thermische Verhalten von
Brennstoffkörpern und Blockgraphit bzw. durch die unterschiedliche Dimensionsänderung bei Reaktorbetrieb
der Blockgraphit nicht auf die Brennstoffkörper aufschrumpft. Bei den zur Zeit bekannten Brennstoffeinsätzen,
deren Kriechverhalten schlecht ist, würde es durch die eintretenden Drücke zu Schädigungen des
Strukturgraphits kommen. Eng mit dem Spalt verknüpft ist jedoch das entscheidende Problem der Abführung
der in den Brennstoffpartikeln entstandenen Wärme. Der Wärmetransport erfolgt von den Partikeln
durch die Matrix dei Brennstoffzylinder über den Spalt zum Blockgraphit und durch den Blockgraphit zu den
Kühlkanälen. Die drei bestimmenden Stellen für den Wärmeübergang sind also Matrix, Spalt und Blockgranhit,
wobei der Soalt den stärksten Einfluß hat. Die sich aufbauende Temperaturdifferenz ist durch die Kühlgastemperatur,
die für den Wirkungsgrad der Anlage bestimmend ist und durch die Brennstofftemperatur, von
der die ! ehensdauer der Partikeln bzw. die Spaliproduktfreisetzung
abhängt, gegeben. Durch geringe Wärmeleitfähigkeit und großen Spalt wird also der Wirkungsgrad,
die Partikellebensdauer und die Spcltpro-Hiitrtfivi<:<*t7nne
stark verschlechtert.
Alle zur Zeit bekannten Brennstofteinsatze haben eine im Vergleich zum Blockgraphit schlechte Wärmeleitfähigkeit
und benötigen zum Auffangen der Dimensionsänderung während der Bestrahlung einen verhältnismäßig
großen Spalt, der praktisch während der ganzen Bestrahlungszeit erhalten bleibt.
Zur Vermeidung dieser den Wärmeübergang behindernden
Spalte wurden verschiedene Verfahren entwickelt, deren Produkte eich in der Praxis aber nicht in
allen Fällen bewährt haben. So wird in der DT-OS 19 02 994 die Herstellung monolithischer Brennelementblöcke
beschrieben, während in der DT-OS 19 47 837 eine Rohhülle aus bindemittelhaltigem Graphüpuiver
mit beschichteten Brcnnstoffpartikeln gefüllt und danach auf höhere Temperaturen erhitzt wird.
In beiden Fällen geht man nicht von einem vorgefertigten Graphitblock mit eingeschobenen Brennstofleinsätzen
aus. eine Brennelementanordnung, die in der Praxis aus verschiedenen Gründen öfter verwendet wird.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung prismatischer Blockelemente
für Hochtemperaturreaktoren zu schaffen, bestehend aus einem vorgefertigten Graphitblock mit
parallelen Kühlkanälen und parallelen zylindrischen Bohrungen zur Aufnahme zylindrischer Brennstolfeinsätze
aus beschichteten Brennstoffpartikeln und einer Graphitmatrix, bei denen während des Reaktorbetriebs
keine den Wärmeübergang hemmende Spalte zwischen den zylindrischen Bohrungen des Graphitblocks und
den zylindrischen Brennstoffeinsätzen vorhanden sind.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zylindrischen Brennstoffeinsätze in an sich
bekannter Weise aus beschichteten Brennstoffteilchen und einem Graphitpreßpulver gepreßt weiden, daß die
Preßlinge in die Bohrungen des Graphitblockes eingeschoben und erst anschließend wärmebehandelt werden,
wobei die Zusammensetzung des Graphitpreßpulvers so gewählt wird, daß nach der Wärmebehandlung
der /.um Einfüllen erforderliche Spalt zwischen zylindrischer
Bohrung des Graphitblockes und Brennstoffeinsatz beseitigt wird und sich während des Reaktorbetriebes
kein neuer Spalt bildet.
Bei den erfindungsgemäß hergestellten Brennelementen für Hochtemperaturreaktoren mit gutem Wärmeübergang
vom Brennstoffeinsatz zum Strukturgraphit sitzen die Brennstoffeinsätze ohne Spalt in den
Bohrungen des Strukturgraphits. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die zylindrischen Brennstoffeinsätze
aus beschichteten Partikeln und einem Matrixpulvergemisch durch Pressen hergestellt werden
und diese grünen Preßlinge in die Bohrungen des Graphitblocks eingeschoben werden. Beim anschließenden
Verkoken und der folgenden Wärmebehandlung schwellen diese Einsätze und passen sich eng und ohne
Spalt in die Bohrungen ein. Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Zusammensetzung
des Preßpulvers so gewählt wird, daß die daraus hergestellte Matrix eine ebenso gute Wärmeleitfähigkeit
wie der Blockgraphit besitzt, und daß sich während des R-jaktorbetriebes zwischen Einsatz
und Blockgraphit kein Spalt bildet. Letzteres wird dadurch möglich, daß die Matrix von Bestrahlungsbeginn
an schwillt bzw. weniger schrumpft als der Strukturgrase zl: keinem Zeitpunkt während
des Keaktorbetnebes zur Ausbildung eine;. Spaltes
kommt (s. Abbildung aus dem Bericht Ȇber das Besttahlungsverhalten von Reaktorgiaphiten unterschiedlicher
Zusammensetzung« von W. Delle, Jül-747-KW.
April 1971). hin zu bcnaden funrenüei Dim_kaufbau
wird dadurch vermieden, daß diese Matrix hervorragende Kriecheigenschaften besitzt.
Die zur Zeit für diese Zwecke zum Einsstz kommenden
Graphitmatrixpulver bestehen aus Elektrographit (z. B. graphitieriem Petrolkoks) allein oder aus einem
Gemisch mit Naturgraphit unter Zusatz von Bindermaterialien, oder aus Naturgraphit allein aber mit hohen
Anteilen von Binder, d. h. etwa 50% Binder und mehr.
Demgegenüber besteht die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Matrix vorteiUiafterweise
aus Naturgraphit allein oder mit nur kleinen Binderanteilen
von. maxima! 15%. vr>r7iigswcise aber mit weniger
als 10%. Diese Zusammensetzung ergibt sich aus der Abhängigkeit der Dehnung bzw. Schrumpfung vom
Bindergehalt bei Verkokung, wie im Diagramm in A b b. 2 gezeigt ist. Man sieht, daß bei etwa 12% Binder
die Dehnung in eine Schrumpfung übergeht, so daß für ein fugenloses Einpassen der Brennstoffeinsätze in die
Blockbohrungen ein Bindergehalt von etwa 10% voll ausreicht. Die Kriecheigenschaften werden mit fallendem
Bip.dergeha'.t günstiger
Zum Füllen eines prismatischen Brennelementes mit Crer.r.^tcffcir.cä'.zer! einer ^rhwermetalldichte von
etwa 0,8 g/cm3 werden die beschichteten Partikeln, im
vorliegenden Falle Oxidkerne mit 350 bis 420 μίτι
Durchmesser und einer Gesamtschichtdicke von etwa 150 μηι, nach bekannter Weise mit einem Preßpulver
umhüllt. Das Preßpulver besteht aus einem Gemisch von Naturgraphit und 10% Steinkohlenteerpech als
Binder. Die umhüllten Partikeln werden heiß zu zylinderförmigen Körpern verpreßt. Bei Wahl der geeigneten
Preßbedingungen sind Schwermetalldichten von 0,8 g/cmJ und mehr ohne Schwierigkeiten zu erreichen.
Diese Brennstoffkörper werden in die Blockbohrungen eingesetzt. Anschließend wird der gefüllte Block zur
Verkokung der Einsätze in bekannter Weise hochge heizt und bis maximal 1800" C getempert. Die Bicnnstoffzylinder
sitzen dann ohne Spalt in den Bohrungen und zeigen im Reaktorbetrieb einen sehr guten Wärmeübergang.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellu™** "riümätischsr Blockbrennelemente
für Hochtemperaturreaktoren, bestehend aus einem vorgefertigten Graphitblock mit
parallelen Kühlkanälen und parallelen zylindrischen Bchr"jr;~cn, in die zHindricchs
bestehend aus beschichteten Brennstoffpartikeln in einer Graphitmatrix, eingeschoben werden, dadurch
gekennzeichnet, daß die zylindrischen Brennstoffeinsä'.ze in an sich bekannter Weise
aus beschichteten Brennstoffteilchen und einem Graphitpreßpulver gepreßt werden, daß diese
Preßlinge in die Bohrungen des Graphitblocks eingeschoben und erst anschließend wärmebehandelt
werden, wobei die Zusammensetzung des Graphitpreßpulvers so gewählt wird, daß nach der Wärmebehandlung
der zum Einfüllen erforderliche Spalt zwischen zylindrischer Bohrung des Graphitblocks
und Brennstoffeinsatz beseitigt wird und sich während des Reaktorbetriebs kein neuer Spalt bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Graphitpreßpulver
aus Naturgraphit, gegebenenfalls mit bis zu 15% Binderanteilen besteht.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19722208855 DE2208855C3 (de) | 1972-02-25 | Verfahren zur Herstellung prismatischer Blockbrennelemente für Hochtemperatur-Reaktoren | |
IT68688/72A IT958994B (it) | 1972-02-25 | 1972-05-26 | Elemento combustibile per reattore ad alta temperatura |
FR7225890A FR2172946B1 (de) | 1972-02-25 | 1972-07-18 | |
GB775173A GB1421987A (en) | 1972-02-25 | 1973-02-16 | Fuel element for high temperature reactors |
US05/501,449 US4092218A (en) | 1972-02-25 | 1974-08-28 | Fuel element for high temperature reactors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19722208855 DE2208855C3 (de) | 1972-02-25 | Verfahren zur Herstellung prismatischer Blockbrennelemente für Hochtemperatur-Reaktoren |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2208855A1 DE2208855A1 (de) | 1973-09-06 |
DE2208855B2 true DE2208855B2 (de) | 1976-02-19 |
DE2208855C3 DE2208855C3 (de) | 1976-10-07 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB1421987A (en) | 1976-01-21 |
IT958994B (it) | 1973-10-30 |
DE2208855A1 (de) | 1973-09-06 |
FR2172946A1 (de) | 1973-10-05 |
FR2172946B1 (de) | 1977-04-01 |
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