DE2233071A1 - Verfahren zur herstellung von prismatischen graphitformkoerpern fuer hochtemperatur-brennelemente - Google Patents

Verfahren zur herstellung von prismatischen graphitformkoerpern fuer hochtemperatur-brennelemente

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DE2233071A1
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Milan Hrovat
Hans Dr Huschka
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Nukem GmbH
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Nukem GmbH
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    • B30BPRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/02Dies; Inserts therefor; Mounting thereof; Moulds
    • B30B15/022Moulds for compacting material in powder, granular of pasta form
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    • B30B11/00Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses
    • B30B11/007Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses using a plurality of pressing members working in different directions
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    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • G21C21/02Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
    • GPHYSICS
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    • G21C3/28Fuel elements with fissile or breeder material in solid form within a non-active casing
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Description

NUKEM GmbH
Wolfgang b. Hanau
Verfahren zur Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern
für Hochtemperatur-Brennelemente.
Unter den prismatischen Brennelementen für Hochtemperaturreaktoren kommt dem blockförmigen Brennelement besonders grosse Bedeutung zu. Es handelt sich im allgemeinen um mechanisch vorgefertigte Prismen aus Graphit von meist hexagonal emoQueraohnitt, mit einer Schlüseelweite von etwa 400 ram und einer Länge von etwa 1000 mm. Parallel zur Prisiuenebene sind in ebenfalls hexagonaler Anordnung Bohrungen angebracht, die zu einem Teil mit Verbundkörpern aus beschichteten Brennetoffpartikeln und Graphitmatrix gefüllt sind, zua anderen Teil als Kühlkanäle während des Reaktorbetriebes dienen. Als Kühlmittel dient Helium,
Die beschichteten Teilchen sind oxidische oder karbidische Schwermetallkerne von einigen hundert /u Durchmesser, die vorzugsweise mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff mehrfaoh beschichtet sind. Als Brennstoff dienen Uran 235 und Uran 233, als Brutstoff Thorium oder Uran 23b. Die Schichten haben die Aufgabe, die im Brenn&tofXkeia gebildeten Spaltprodukte zurückzuhalten.
55ur Herstellung des oben beschriebenen blockförmigem Brennelements für Hochtemperaturreaktor«?!! werden im allgemeinen zwei Wege beschrittcn:
1. Es wird ein GrapUitblock fertiggepresst und geglüht und anschliessend in aufwendiger Weise maschinell bearbeitet, wobei etwa !>Q % Vetlusf.. «tu Graphit, anfallen. Getrennt da-
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von werden Brennstoffeinsätze gepresst und geglüht und dann in die Bohrungen des Graphitblocks eingesetzt. Die Nachteile bei der Herstellung des Graphitblocks liegen in den hohen Bearbeitungskosten und der grossen Menge Graphitabfall. Versucht man aber einen solchen Block, in der Kndforiu mit allen Jjöehern in der üblich;»: V.'ei.so gesenkzupressen, dann tritt durch die ileibung des Pressgutes an der grossen Oberfläche der Gesenkwand und der Einbauten für die Löcher vors den Stirnflächen zu der Mitte des Blockes hin ein starkei* Druckabfall auf,' der wiederum grosse EigenschaftsgracJienten bedingt. Ein solcher Block ist für den Einsatz in den iieaktor ungeeignet.
Aus dein gleichen Grund ist es nur möglich, Brennstoffeinsätze mit relativ kleiner Höhe zu pressen, zumal hier noch die Beschränkung Λ?zukommt, class der Pressdruck auf keinen Fall 200 kp/cni übersteigen darf, um nicht beschichtete Partikeln zu zerdrücken. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass man eine sehr grosse Zahl von Bi-ennsto ff einsätzen pressen muss, wobei für jeden Brennstoffkörper ein voller Pressvorgang .notwendig ist.
2. Es wird ein Graphitblock in der Endgeoraetrie mit allen Bohrungen vorgepresst, desgleichen die Brennstoffeinsätze - wie· oben beschrieben - mit relativ kleiner Höhe. Ansehliessend werden die Einsätze in die Bohrungen des Jilookes geschoben und diese auf Enddichte fertiggepresst. Wie oben beschrieben, treten auch hier die Nachteile des Druckabfalles und der Eigenschaftsgradienten auf sowie die Gefahr des Zerdrückens der beschichteten Partikeln.
Die beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren werden erfindungsgeroäss dadurch überwunden, dass die Verformung der Fressung gleichzeitig in nichr als einer -Dimsncion erfolgt.
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BAD ORIGINAL
Presst man z.B. einen hexagonalen prismatischen Block in einem herkömmlichen Gesenk, dann ist die Pressrichtung durch die Prismenachse gegeben und die PreBstempel sind die hexagonalen Stirnflächen. Dabei muss bei grosser Blockhöhe die Pressmasse in der Nähe der Stempel einen langen Weg entlang der relativ "grossen Mantelfäche zurücklegen, wobei""beträchtliche Reiliungskräfte auftreten - wie schon oben beschrieben. Wird der Pressvorgang erfindungsgemäss aber so durchgeführt, dass die MenteljCläohon des Gesenks als Preßstempel dienen, so dass sica die Kanten des Presakörpers während der Verformung gleichzeitig in Richtung zur gemeinsamen Mittelachse bewegen, dann wird die Reibung des Pressgutes auf die relativ kleinen Stirnflächen beschränkt, es tritt fast kein Druckabfall beim Pressen auf und der fertige Block zeigt keine Eigenschaftsgradienten. Ein solcher Pressvorgang lässt sich z.B. mit einem beheizbaren Gesenk, wie es in Figur 1 dargestellt ist, einfach durchführen.
Einseitig aneinander ansehli es sende Gesenicseitenf lachen 1 mit Führungen 2, die z.B. in Nuten 3 in der Bodenplatte h bzw. Deckplatte 5 gleiten, sind durch Kniehebel 6 mit einem drehbaren Ring 7 verbunden., Dieser Ring dient zum Aufbringen der Presskraft, die über einen oder mehrere Drehantriebe, z.B. Hydraulikzylinder ö, eingeleitet \>:ird. In der Pressmasse. 9 stehen die später erwähnten Verdrängerkörper 10.
Will man einen Block in Endforru mit allen Kanälen pressen, dann nüssen im Geeenk in dor Pressmasse die entsprechenden Verdrängerkörper eingesetzt werden. Dadurch wird aber nach den bekannten Verfahren die reibende Oberfläche unvertretbar gross. Auch dieses Problem kann nach vorliegender Erfindung durch mehrdi"ien.sinna3«?s Pressen senkrecht zur Prismenachse überwunden werden, \?obei die prismatischen Verdrängerkörper in der Pressmasse parallel zur Prismenachse angeordnet werden und während der Verdichtung - zum Gesenk frei beweglich -' in ihr
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verbleiben. Da sich diese Verdrängerkörper während des Pressvorgangs mit der Pressinasse mitbewegen, tritt an ihnen keine Reibung auf und man erhält auch in diesem Falle Blöcke ohne Eigenschaftsgradienten. Gegebenenfalls können die Verdrängerkörper beheizbar ausgeführt werden. Entweder nach dem Preüsen oder nach der Verkokung werden die Verdrängerkörper aus dem Block abgezogen. In Figur 2 ist ein Längsschnitt durch die . Mitte des Gesenkes gezeigt. Die linke Biidhälfte zeigt den Füllvorgang, iu der Bildhälfte 2 ist das pressfertige Gesenk dargestellt. Der-Pressvorgang ist in Beispiel 1 beschrieben.
Auch Blöcke mit Brennstoff in beliebiger Verteilung lassen sich nach vorliegender Erfindung ohne Eigenschaftsgradienten herstellen. Man stellt dazu entweder Blöcke mit Bohrungen u."cl Brennstoffeinsätze durch Vorpressen her, setzt diese zusammen und presst, sie mehrdimensional fertig, oder man füllt in Kanäle des vorgepressten Blocks lose uahüllte Partikeln und presst fertig oder man setzt in die Pressmasse vorgepress-te Brennstoffeinsätze und presst fertig. Beim Pressen dieser Blöcke sind neben den Brennstoffsäulen die Verdrängorkörper für die Kühlkanäle eingesetzt, wie schon oben beschrieben.
Auf die gleiche Weise lassen sich auch Blöcke aus umhüllten beschichteten Partikeln aliein oder im Gemisch mit Pressmasse herstellen, wobei der Brennstoff homogen über den ganzen Block verteilt wird. In oben beschriebener Weise werden auch Kühlkanäle iuitgepresst, die mit brennstofffreien Zonen ausgekleidet werden können.
£iin weiterer Vorteil dieses Pressverfahrens besteht darin, dass man nach vorliegender Erfindung auch prismatische Brennstoff einsätze in beliebiger Länge, z.B.. in der Länge des
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Blockbrennelementes herstellen kann, indem, man - wie oben beschrieben - senkrecht zur Prismenachse mehrdimensional presst. Dabei erhält man keine Eigenschaftsgradienten in Richtung der Prismenachse und keine Zerstörung von beschichteten Partikeln, da der Pressdruck wegen der kleinen Presswege und der geringen Wandreibung niedrig bleibt. Stellt man nach diesem Verfahren die Brennstoffeinsätze für ein blockförmiges Brennelement her, so benötigt man pro Brennstoffsäule einen Preßschritt, d.h. etwa eine Grössenordnung weniger Pressyorgänge als beim Herstellen von Brennstoffeinsätzen mit geringer Höhe, Ausserdem treten bei einer so hergestellten Brennstoffsäule keine Trennungen bzw. Stoßstellen, wie beim Einsatz von kurzen, aufeinandergestapelten Brennstoffcompacts auf. Dies wirkt sich günstig auf die Festigkeit des gesamten Blocks aus.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es fxusserdem, die bei gesenk» gepressten Graphitformkörpern üblicherweise auftretende hohe Anisotropie deutlich zu verbessern. Dies kann erreicht werden, indem eindimensional vorgepresste Graphitkörper senkrecht zu der ersten Verformungsrichtung mehrdimensional fertiggepresst werden oder zweidimensional vorge'formte Körper in der dritten Dimension nachverdichtet werden. Auf diese Weise wird die beim ersten Preßschritt gebildete Vorzugsorientierung bei der darauffolgenden dazu senkrechten Verformung weitgehend zerstört und damit eine isotrope Struktur erreicht.
jbis ist also nach der vorliegenden- Erfindung möglich, sowohl Graphitblöcke ohne Brennstoff als auch Graphitblöcke mit Brennstoff in beliebiger Verteilung mit geringen Eigenschaftsgradienten, einer isotropen Graphitstruktur und ohne zerstörte Partikeln auf wirtschaftliche Weise herzustellen. Kühlkanale können in beliebiger Anordnung nach diesem Verfahren mit eingepresst werden,
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BAD ORIGJNAU
Beispiel 1 .
Herstellung eines Graphitblockes durch zweidimensionale Verformung.
Ein Geraisch aus Petrolkoks und Bindemittel (vorzugsweise Phenol-Formaldehydharz) wurde in eine heizbare Pressform entsprechend Figur 1 und 2 eingefüllt, wobei sich die Verdrängerkörper 10 bei aufgesetztem Zentriergitter 11 zunächst in der unteren Lage (linke Bildhälfte) befanden. Während der Einfüllung bewegten sich die Verdrängerkörper 10 durch Anheben der Montageplatte 12 nach oben. Kurz vor der oberen Endlage der Verdrängerkörper schlug die federnd (l3i 14} aufgehängte Zentrierplatte 15 an den Gesenkboden }i an und die Fußptüciie 16 tauchten in den Gesenkbodeu h so weit ein, dass ihre Stirnflächen mit der Oberseite des Bode.'"·« h abschlossen« Dadurch wurden die Verdrängerkörper 10 nur noch von der eingefüllten Pressmasse 9 in Position gehalten und konnten nach Abnehmen des Zentriergitters deren seitlichen Verfornmngsbewegungen widerstandslos folgen (Figur 2, rechte Bildhälfte).
Nach Aufsetzen der oberen Verschlussplatte 5 und Aufgabe eines Vordruckes (ca. 20 kp/eni") wurde da ο Gesenk zur Plastif iz.i erung der Pressmasse so lange aufgeheizt, bis eine gleienniässige Temperatur von 150 C erreicht war.
Durch Verschieben dex* Gesenkseitenflächen 1 mit Hilfe ihres gemeinsamen Antriebes 7,8 wurde die Pressmasse auf die gewünschten" Dimensionen verdichtet. Bei der gewählten Dosierung yar dazu ein Druck von ca. 200 kp/cra erforderlich. Nach Abkühlung auf ca. HO0C wurde der Pressling aus dem Gestik entnommen und die Verdrängerkörper 10 wurden einzeln mit einom zylindrischen Dorn ausgestossen. Karbonisierung una Graphitierung erfolgten in bekannter Weise.
Die Lochabstände bei nacheinander unter gleichen Bedingungen hergestellten Graphitkörpern waren innerhalb ca. 0,2 min reproduzier-
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BAD ORIGINAL
bar. Der Anisotropiefaktor der thermischen Ausdehnung Am Bereich 20 bis 500°C betrug weniger als 1,4.
Beispiel 2
Vorpressen einer hexagonalen Brennstoffsäule grosser Länge aus umhüllten beschichteten Teilchen.
Mehrfach mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff beschichtete Brennstoffteilchen (coated particles) wurden nach Art eines
Dragierverfahrens mit Graphitpresspulver umhüllt. Dieses Pulver von 30 /U mittlerer Korngrbsse setzte sich aus 64 Gew.% Naturgraphit, 16 e/o El ekt ro graphit und 20 #> Phcnol-Formaldehyd-Binderharz zusammen. Die umhüllten Teilchen enthielten einen Presspulveranteil von 55 Gew. c/b. Das 400 min hohe hexagonale
Gesenk eni.sprecherfd Figur .1 , jedoch uhne \rerdrängerlrcjrper 10, hatte einen Versfcellbereich von 20 bis 12,5 »am Kantenlänge K. Beim Einfüllen wurde das Volumen des Gesenkes langsam so weit vergrössert, bis dio vordosierte Menge umhüllter Teilchen das Geseiik eben ausfüllte. Nach Verschliessen der Stirnflächen
O.
des Gesenkes, Aufgabe eines Vordruckes von ca« 20 kp/cjn und
Erwärmung auf 110 C wurden die Seitenflächen des Gosuikes auf 13,5 mm Kantenlänge zusammengeschoben. Nach Abkühlung wurde
der Pressling aus dem Gesenk entnommen.
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BAD ORIGINAL^
Beispiel 3
Eindimensionales Fertigpressen eines analog Beispiel 1 vorgepressten hexagonalen Brennelementes mit Brennstoffsäulen nach Beispiel 2 und Kühlkanälen.
Entsprechend Beispiel 1, jedoch unter Verwendung von Graphitpresspulver anstelle von Petrolkoks wurde ein hexagonales
Prisma mit hexagonalen Ausnehmungen für Brennstoff und
zylindrischen für Kühlkanäle so vorgepresst, dass die radialen Dimensionen eines Fertigpressgesenks erreicht wurden. Die
Dosierung war so gewählt, dass eine Dichte von 1,5 g/cm"' etrfcstand. Der Vordruck betrug ca. 20 kp/cia , die Temperatur 110 C,
r>
der Pressdruck erreichte knapp $0 kp/ciu*". Nach Entfernung der Verdrängerkörper für die Brennstoffkanüle wurden entsprechend Beispiel 2 hergestellte Brennstoffsäulen eingeschoben und
deren Stirnflächen mit vorgeformten Prossmasseplättchen abgedeckt.
Der assemblierte Block wurde anschliessend in ein hexagona-les» heizbares Fertigpressgesenk eingeschoben und nach Aufheizung auf 150 C zwischen zwei hexagonalen Stempeln in axialer
Äichtung auf die Enddimension verdichtet. Die Verdrängerkörper für die Kühlkanäle konnten dabei in Bohrungen in den Stempelstirnflachen eindringen. Der Pressdruck betrug etwa
"" 2 ο
80 kp/cm . Nach Abkühlung auf UO C wurde der Block mit Hilfe des Unterstempels ausgestossen und die Verdrängerkörper entfernt. Zur Karbonisierung des Bindemittels wurde der Block unter Inertgas nach Programm auf 800 C aufgeheizt UiId1 anschliessend in Vakuum bis 1 800°C wäriuebehandelt.
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BAD ORIGINAL
_ 9 - ■
Die Matrix hatte folgende Eigenschaften:
- Geometrische Dichte 172 g/cnP
- Druckfestigkeit 400 kp/cra
- Wärmeleitfähigkeit . 0,08 cal/sec 0C
- Anisotropie der thermischen Ausdehnung 1,25
309881/OOH

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE.
    Verfahren zur Herstellung von prismatischen Gesenkpresskörpern aus Kohlenstoff, die für den Einsatz als Hochtemperatur-Brennelemente oder Teile derselben geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ve .'i'or mm g beim Pressen gleichzeitig in mehr als einer Dimension erfolgt.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung von Presskörpern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen eines Gesenkes mit,polygonalem, 'vorzugsweise hexagonalem Querschnitt so geführt sind, dass sich die Kanten des Presskörpers während dessen Verformung gleichzeitig in flieh Lung zur gemeinsamen Mittelachse bewegen.
  3. 3. Verfahren zur Herstellung von Presskörper»! nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch p. ek enn:; e i chn e t, dass Ausnehmungon, die als Kühlkanäle und/oder zur Aufnahme von Brennstoff tiieii dadurch gebildet werden, dass prismatische, beheizbare \rer~ drängerkörper in der Pressmasse parallel zur PrisirienacLse angeordnet werden, während der Verdichtung zum beheizbaren Gesenk frei beweglich in der Pressmasse verbleiben und anschliessend entfernt werden.
    h. Verfahren zur Herstellung von Presskörpern nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass Brenn- und/oder Brutstoff, vorzugsweise in Form von beschichteten Partikeln, in der gewünschten Verteilung in die Pressgasse oder den vorgepressten Block eingebracht wird und alles sanuuen mehrdimensional for liggepresst wird.
    309885/0031 BAD ORIGINAL.
    Verfahren zur Herstellung von Presskörpern nach den.Ansprüchen 1, 2 und k, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brenn- und/oder Brutstoff-Matrix-Geinisch, vorzugsweise unter Verwendung von umhüllten beschichteten Partikeln, zu prisiaatlseilen Körpern grosser Länge, vorzugsweise in der Gröesenordnung der Länge eines Brennelements, verpresst, wird.
    Verfahren zur Herstellung von Presskörpern nach den Ansprüchen 1, 2, 3 uiid 4fj dadurch gekennzeichnet, dass eindimensional .vor.geformte hexagonale Körper senkrecht zur ersten Verformimgsriohtung nachverdichtet werden oder dass zweidimensional vorgefornite Körper in der dritten Dimension fertiggepresst werden.
    Frankfurt/Main, 4,7.1972 v
    Schn/Bi
    3 0 9 8 8 5 / 0 Q 3 1
    BAD
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