DE2234587C3

DE2234587C3 - Verfahren zur Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern für Hochtemperatur-Brennelemente

Info

Publication number: DE2234587C3
Application number: DE2234587A
Authority: DE
Inventors: Milan 6451 Rodenbach Hrovat; Hans Dr. 6454 Grossauheim Huschka; Lothar 6455 Kleinauheim Rachor; Willi 8756 Kahl Wolff
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1972-07-14
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1975-03-13
Also published as: FR2193349A5; GB1443776A; IT991708B; US3985844A; BE802290A; DE2234587A1; DE2234587B2; JPS4956896A

Description

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Für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren kommt dem blockförmigen Brennelement große Bedeutung zu. Bisher bekanntgewordene Blockbrennelemente sind mechanisch vorgefertigte Prismen aus Graphit von meist hexagonalem Querschnitt, mit einer Schlüsselweite von etwa 400 mm und einer Länge von etwa 1000 mm, die ebenfalls in hexagonaler Anordnung parallel zur Prismenachse Bohrungen enthalten (A b b. I). Ein Teil der Bohrungen wird mit Verbundkörpern aus beschichteten Partikeln und Graphitmatrix gefüllt, der restliche Teil der Bohrungen dient als Kühlkanäle während des Reaktorbetriebes. Als Kühlmittel dient Helium.

Die beschichteten Teilchen sind oxidische oder karbidische Schwermetallkerne von einigen μπι Durchmesser, die vorzugsweise mit pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff mehrfach beschichtet sind. Als Brennstoff dienen Uran 235 und Uran 233, als Brutstoff Thorium oder Uran 238. Die Schichten haben die Aufgabe, die im Brennstoffkern gebildeten Spaltprodukte zurückzuhalten.

Der Graphitkörper des Brennelements, in dem die Brennstoffeinsätze eingebracht werden, wird zur Zeit durch Pressen von großen zylindrischen Graphitblöcken hergestellt, die dann maschinell bearbeitet werden. Dabei wird aus dem Zylinder ein z. B. hexagonales Prisma gefräst, in das die axialen Kanäle für die Helium-Kühlung und für die Brennstoffeinsätze gebohrt werden. Während das Fräsen der Prismenflächen ein übliches Routineverfahren darstellt, erfordert das Bohren von Kanälen bei Einhaltung kleiner Toleranzen einen großen Aufwand. Es ist dazu viel Erfahrung und vor allem ein teurer Maschinenpark erforderlich. Trotz des großen Aufwandes läßt sich ein Verlaufen der Bohrungen, die nur 10 bis 20 mm Durchmesser und 1000 mm Länge haben, nicht umgehen. Als Folge davon sind die Kühikanäle der aufeinandergestapelten Blockbrennelemente gegeneinander etwas versetzt, wodurch der Druckabfall des Helium-Kühlgases im Reaktor-Core erhöht wird. Dieser erhöhte Druckabfall führt zu einer größeren Pumpleistung und damit zu erhöhten Betriebskosten. Man muß dazu beachten, daß in einem 1000-MW-Leistungsreaktor etwa 4000 Blöcke eingesetzt werden, wovon jeder einzelne weit über 100 Bohrungen besitzt.

Neben diesem großen maschinellen Aufwand spielt aber für die Brennelementkosten der bein· Bearbeiten entstehende Graphitabfall eine entscheidende Rolle. Er beträgt bei der Bearbeitung des Zylinders zum hexagonalen Prisma etwa 20 %> und beim Bohren der Kanäle nochmals etwa 40⁰O vom Prismenvolumen. Insgesamt hat man also durch Bearbeitung Graphitabfall von mindestens 5O°/o der eingesetztem Menge.

Alle diese Schwierigkeiten werden nach der vorliegenden Erfindung dadurch überwunden, daß ein Verfahren zur Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern für Hochtemperatur-Brennelemente durch Gesenkpressen einer binderhaltigen Kohlenstoffpreßmasse und anschließender Temperaturbehandlung des Preßkörpers entwickelt wurde, bei dem die äußere Geometrie und die Ausnehmungen für die Kühlkanäle und für die Aufnahme von Brenn- und Brutstoffen bereits bei der Formgebung durch die Form des Gesenkes und durch in Ausnehmungen des Preßstempels eintauchende prismatische Verdrängerkürper hergestellt werden. Das erfindungsgerr.äße Verfahren wird dadurch gekennzeichnet, daß das Gesenk und/oder die Verdrängerkörper während des Preßvorganges unter Herabsetzung der Haftreibung zum angrenzenden Preßgut relativ zu den Preßstempeln axial bewegt werden.

A b b. II zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung für die erfindungsgemäße Herstellung solcher Graphitformkörper.

Das Gesenk 1 wird in der Geometrie ausgebildet, die für den Preßling 6 gewünscht wird. Die Ausnehmungen oder Kanäle werden dadurch erhalten, daß prismatische Verdrängerkörper 2 und 3, z. B. Stäbe, an den »>e wünschten Stellen parallel zur Prismenachse im Gesenk angeordnet sind, die während des Pressens in entsprechende Bohrungen in den Preßstempeln 4 und 5 eintauchen. Eine große Zahl von Einbauten führt durch die Reibung des Preßgutes an deren Oberfläche zu beträchtlichen Druck-, Dichte- und damit auch anderen Eigenschaftsgradienten von den Stirnseiten zur Mitte des Preßlings. Diese Schwierigkeit konnte erfindungsgemäß dadurch überwunden werden, daß das Gesenk 1 und/oder die Verdrängerkörper 2 und 3 in eine drehende, schraubende oder schiebende Bewegung relativ zu den Preßstempeln 4 und 5 versetzt werden. Dadurch wird die Reibung entscheidend verringert.

Abschließend muß darauf hingewiesen werden, daß für das Pressen der beschriebenen Formkörper die Zusammensetzung der Preßmasse von entschei-

dender Bedeutung ist. Alle die hier beschriebenen Preßvorgänge verlaufen bei Temperaturen, die über dem Erweichungspunkt des Bindemittels liegen. Bei diesen Temperaturen muß die Preßmasse ein gutes Fließverhalten und eine gute Verpreßbarkeit zeigen, jedoch müssen die Preßlinge eine gute Standfestigkeit beim Ausstoßen and Verkoken besitzen. Es ist daher besonders vorteilhaft, daß die beim Preßvorgang erforderliche erhöhte Preßguttemperatur außer durch das in bekannter Weise von außen beheizte Preßgesenk auch durch die von innen beheizten Verdrängerkörper auf das Preßgut übertragen wird.

Folgendes Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:

Bei der Herstellung eines Graphitblockes von etwa 240 mm Durchmesser und einer Höhe von etwa 360 mm wurde ein Gemisch aus Petrolkoks und 20 ^e/o Phenolharzbinder in einem Preßgesenk kompaktiert. Das Preßwerkzeug bestand aus einer heizbaren Matrize von 240 mm Durchmesser (Heizleistung 3 kW) und 73 stabförmigen Verdrängerkörpern. 18 dieser Stäbe hauen einen Durchmesser von 26,0 mm und waren für das Einbringen der Brennstoffeinsätze vorgesehen. Sie waren gleichmäßig über den Querschnitt des Blockes verteilt. Hexagonal um diese Stäbe waren die übrigen 54 Verdrängerkörper mit 12,2 mm Durchmesser für Kühlkanäle angeordnet. Sowohl die Matrize als auch alle Innen stempel waren in axialer Richtung bewegbar.

Das Gemisch wurde im Preßwerkzeug auf 150° C aufgeheizt und mit einer Kraft von 45 t, entsprechend einem Druck von 130 kp/cm², auf eine grüne Dichte von 1,85 g/cm³ verpreßt. Nach dem Ausstoßen des Preßlings wurden die Verdrängerkörper abgezogen. Zum Verkoken des Binderharzes wurde der Preßling auf 800° C unter Stickstoffatmosphäre erhitzt und anschließend bei 2800° C graphitiert.

Die Eigenschaften dieses Blockes sind aus der Tabelle ersichtlich.

Eigenschaften von gepreßten Graphitblöcken nach der Temperaturbehandlung

Dimensionen (mm)

Außendurchmesser 235,3 ± 0,2

Brennstoffkanaldurchmesser 25,8 + G,I

Kühlkanaldurchmesser 12,1 ± 0,1

Höhe 359,6 ± 0,2

Dichte (g/cnv>) 1,69

Wärmeleitfähigkeit, 20° C
(Cal/° C - cm · s)

axial 0,16

radial 0,10

Spez. el. Widerstand (Ω ■ cm)

axial 1,17· 10-*

radial 2,97-10-»

Lin. therm. Ausdehnung (1 /° C)

axial 4,2 · 10~e

radial 1,75-10-«

Anisotropiefaktor der thermischen

Ausdehnung 2,4

Biegefestigkeit (kp/cm²)

axial 354

radial 170

E Modul (kp/cm²)

axial 16,4· 10⁴

radial 13,1 -10*

Druckfestigkeit (kp/cm²)

axial 533

radial 312

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Hersteilung von prismatischen Graphitfonnkörpern für Hochtemperaturreaktoren durch Gesenkpressen einer binderhaltigen Kohlenstoffpreßmasse und anschlie-Bende Temperaturbehandlung des Preßkörpers, wobei die äußere Geometrie und die Ausnehmungen für Kühlkanäle und für die Aufnahme von Brenn- und Brutstoffen bereits bei der Formgebung durch die Form des Gesenkes und durch in Ausnehmungen des Preßstempeb eintauchende prismatische Verdrängerkörper hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesenk und/oder die Verdrängerkörper während des Preßvorganges unter Herabsetzung der Haftreibung zum angrenzenden Preßgut relativ zu den Preßstempeln axial bewegt werden.

2. Verfahren zur Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdränge rkörper bei dem Preßvorgang relativ zu den Preßstempeln in eine drehende oder schraubende Bewegung versetzt werden.

3. Verfahren zur Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Preßvorgang erforderliche erhöhte Preßguttemperatur außer durch das in bekannter Weise von außen beheizte Preßgesenk auch durch die von innen beheizten Verdrängerkörper auf das Preßgut übertragen wird.