DE2246180A1

DE2246180A1 - Brennelemente fuer hochtemperaturreaktoren mit besonderer eignung fuer die wiederverwendung des strukturgraphits

Info

Publication number: DE2246180A1
Application number: DE2246180A
Authority: DE
Inventors: Franz Josef Dipl Chem Herrmann; Hans Dipl Chem Dr Huschka
Original assignee: Hobeg Hochtemperaturreaktor-Brennelement 6451 Wolfgang GmbH; Hobeg Hochtemperaturreaktor Brennelement GmbH
Current assignee: Hobeg Hochtemperaturreaktor-Brennelement 6451 Wolfgang GmbH; Hobeg Hochtemperaturreaktor Brennelement GmbH
Priority date: 1972-09-20
Filing date: 1972-09-20
Publication date: 1974-04-11
Also published as: FR2200585A1; GB1433889A; BE804996A; FR2200585B1; US4000039A; IT991818B; JPS4970097A

Description

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HOBEG mbH

6h5h Grössäuheira, Stadtteil ftoil^g

Brennelemente für Hochtemperaturreaktoren -mit bös-ondiji'er Eignung für die Wiederverwendung des Strukturgraphites

Unter einer grossen Zahl von verschiedenen Brenneleraenttypfcn für Hochtemperaturreaktoren haben besonders dia blockförmigem -Brenii'-olomento an. Interesse und Bedeutung gewonnen. Solche Brenneleniörtte sind hexagonale Graphitblöcke, in denen parallel zur Prismenachse in hexagonaler· Verteilung Bohrungen für Brennstoff und Kühlgas eingebracht sind. Der Brennstoff wird in Form von bepchiohteton Partikeln mit Graphitmatrix zu zylindernörmi^cn Körpern gebunden, die in die oben erwähnten Brennstoffkanale eingeschoben werden. Die Bindung der partikel mit Matrix ist aus Sie herbei begründen erforderlich, da bei dem Bruch eines BrennelcKentes während des Reaktorbetriebis ausgeschlossen werden muss, das« die lo«en Partikel aus den Bohrungen hcrauorieseln. Aussei·— dom -übernimmt die Matrix auch zum Teil die Wärmeleitung, Um einen guten Wärmeübergang von den Brennstoff einsätzen in den Struktur-· gi'-aphit au haben., werden die Einsätze so gut wie möglich in die Bohrungen eingepasst.

Für dio Wirtschaftlichkeit eines Reaktors spielt die Schliessung des Bronnstoffkreislaufs eino entscheidende Rolle, Dazu muss aus den abgebrannten Brernieleuienten der nicht abgebrannte, bzw. erbrütete Brennstoff zurückgewonnen 'werden. Nach derzeitigen Vorstellungen wird dasti das Brennelement gebrochen.;, der Graphit au COp verbrannt und das schwermetall dor chemischen Trennung zugeführt. - ' . "

T>as Verbrennen diesor grossen Mengoxi von Strukturgraphit; ist technologisch schwför zu lösen, da es in heisscn Zellen durchgeführt werden muss, ist unwirtschaftlich und verteuert die Brennstoffkos ten beträchtlich«

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rgr-öeser 'Vorteil ''Wore -es=, wenn «an -äUie mehrfach mit Schwermetall ent- und beladen und in den Reaktor 'einsetzen könnte. ^::Es wurden ..zwar 'Überlegungen mtqftfä&RiSlläbt, <αϋ^:β Schwermetalloinsätze aus 'den abgebrannten Blöoken herauszuarbeiten, '-aber es könnte bis Jetzt daJfür 'i-keiin ibugMJötttmstce*,: ^twterihe'f*-

liches Verfahren gefunden werden. Selbst wenn zwischen den Brennstoff einsätzen und der Bohrungs\^and ein Spalt beisteht, sitzt nach einem entsprechenden Abbrand die Brennstoffzone durch Verkrümmung -und Diraensionsänderung unverschiebbar fest. Bei dem Versuch, Hon Brennstoff auszustossen, werden dann einerseits beschichtete partikel zerstört, andererseits 'wird der "^tvU&tuwigiKlltt&tt sao· irftark beschädigt, dass der 'Block für einen ve !texten ,iiJitnsas*« ilttdttt mehr verwendbar ist.

Diese Schwierigkeiten konnten nach der vorliegontten UtsSindung überwunden werden durch Entwicklung von BtenneleiuettHen init besonderer Eignung für die Wiederverwendung des StPUktTugP^fitoites, indem es gelang, für die Brennstoffzonen eine MötPtx einzusetzen, die eine ausreichend hohe Festigkeit besitzt, um Ute beeehichteten partikel entsprechend den sicborheitsbaetieimuneen au binden.

Erfindungsgetnäss geschieht dies dadurch, dass tjie Festigkeit der Matrix in der Brennstoffzone zur Bindung de*· eingefoefctöten beschichteten Brennstoff-partikel ausreichen«!, Jedoch deutlich kleiner als die des Strukturgraphits ist und somit durch K*afteinwirkung leicht zerlegt werden kann, ohne dass partikel zerstört werden.

Die zur Zßit für Brennstoffeinsätze verwendeten Matrixsorten bestehen alle aus Elektrographitfüller und 10 tots ^:'2O %, Binder, evtl. auch im Gemisch mit Naturgraphitfüller, oder Naturgraphitfül.ler mit hohen Bindergehalten von 50 $ und «ehr. St® besitzen hohe Festigkeit und sind sehr hart. Erfindungegeniiisβ wird eino Matrix eingesetzt, die aus Graphitfüller m!t nur kieiuen Bindergehalten besteht, d. h. mit weniger als 10 «£. 'Vorzugsweise wird

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Naturgraphitpulver als Füller verwendet.

Diese Matrix lässt sich durch direkten mechanischen Einfluss, wie z. B. durch Bearbeitung mit kratzenden, schabenden oder bohrenden Werkzeugen, oder durch Erosion, Ultraschall odei- Vibration leicht zerlegen; bei Bearbeitung der senkrecht gestellten Brennstoff zonen von unten, rieseln dann das Matrixpulver und die beschichteten Partikeln kontinuierlich aus den Bohrungen heraus und können der-Wiederaufarbeitung zugeführt werden.

In die Bohrungen des Graphitblocks werden die neuen Brennstoff ·- einsätze eingeschoben, die aus Presspulver und beschichteten oder umhüllten und beschichteten Partikeln in bekannter Weise gepresst, verkokt "nd temperaturbehandelt wurden. Um die Brennstoffeinsätze möglichst exakt in die Bohrungen einpassen zu können, bietet sich folgender Weg an;

Die Einsätze werden nur leicht vorgepresst, mit einem pressstempel in die Bohrungen eingeschoben und dort nachgepresst, wobei eine enge Anpassung an die Bohrungswand erfolgt. Wenn der Block gefüllt ist und die Bohrungen konstruktionsgemass,z. B. mit einem Gewindestopfen aus Strukturgraphit oder einem Stopfen aus Matrixgraphit ohne Brennstoff, welcher sich bei der nachfolgenden Wärmebehandlung fest anpasst, verschlossen sind, wird der Block zum Verkoken der Matrix auf ca. 1000 C hochgeheist; und anschliessend kurz bei etwa 1800 C gehalten. Wenn diese Temperaturbehandlung in einem geeigneten Ofen durchgeführt wird, kann neben der Verkokung der Matrix auch eine weitgehende Reinigung des Graphitblocks von Spaltprodukten erreicht werden. Der Spaltproduktgehalt im Graphitblock kann ausserdem bekannterweise durch geeignete Auswahl von beschichteten Partikeln niedrig gehalten werden. Die beschriebenen Arbeitsscliritte dos Ilerausarbeitens der Brennstoff zonen und des Füllers der Brennelementblöcke mit neuem Brennstoff sind geeignet, in heissen Zellen einfach und wirtschaftlich durchgeführt zu werden.

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Beispiel;

An dem aus dem Reaktor kommenden Brenne2ementblock werden zunächst die aus Strukturgraphit bestehenden Gewindestopfen herausgeschraubt, bzw. die aus Matrixgraphit bestehenden festsitzenden Stopfen mit einem Kronenbohrer herausgebohrt. Danach kann die Brennstoffzone mit dem gleichen Kronenbohrer oder mit einem Spiralbohrer oder einem Fingerfräser gelockert werden.

Diese Bearbeitung erfolgt von unten her, so dass die gelockerten Brennstoffteilchen und Matrixgraphitkrümel frei aus den Bohrungen des Graphitblockes herausfallen. Bei Verwendung eines Spiralbohrers ist es von Vorteil, die gelockerten Teilchen durch einen Kanal im Innern des Spiralbohrers pneumatisch aus dem Block herauszufordern, um eine Verstopfung bei schlechter Materialförderung zu vermeiden.

Eine pneumatische Förderung des Brennstoffs ist auch beim Arbeiten mit Kronenbohrern möglich.

In diesen beiden Fällen unter Verwendung von Spiral- und Kronenbohrern mit pneumatischer Förderung kann auch von oben nach unten gebohrt werden.

Nach der vorliegenden Erfindung werden bei einem 2. Einsatz des mit neuem Brenn- und Brutstoff gefüllten Strukturgraphitblocks, in den Reaktor sowohl die Kosten des maschinell bearbeiteten Graphitblocks als auch die Kosten für die Verbrennung oder Lagerung dieses Blocks gespart. Das bedeutet bei zweimaligem Einsatz eines Strukturgraphitblockes eine Kostensenkung von rund 15 %$ bei dreimaligem Einsatz von etwa 20 bis 25 $.

Abschliessend ist festzustellen, dass ein besonderer vorteil des erfindungsgemässon Verfahrens darin besteht., ßmss durch Verringerung des zu verbrennenden Graphites auf die Hälfte oder ein Drittel ein bedeutendes Problem in Bezug auf den öaweltsctuta der Lösung nähergebracht wird.

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Claims

Patentansprüche»

f 1./Brennelemente für Hochtemperaturreaktoren, aus denen die Brennstoff zonen nach erfolgtem Spaltstoff-Abbrand aus dem Strukturgraphit entfernt werden können, so dass das Brennelement mit neuem Brennstoff gefüllt und wieder in den Reaktor eingesetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet» dass die Festigkeit der Matrix in der Brennstoffzone zur Bindung der eingebetteten beschichteten Brennstoff-Partikel ausreichend, jedoch deutlich kleiner als die des Strukturgraphits ist und somit durch Krafteinwirkung leicht zerlegt werden kann, ohne dass partikel zer~ stört werden.

2, Brennelemente für Hochtemperaturreaktoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus einem Kohlenstofffüller, vorzugsweise aus Naturgraph.it, und aus Binderkoks besteht, wobei der Gehalt an Binderkoks kleiner als 10 ^ ist.

3. Brennelemente für iiochtemperaturreaktoreii nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerlegung dar Matrix in der Brennstoffzone auf mechanischem Wege oder durch Erosion oder Ultraschall erfolgt.

'+. Brennelemente für Iiochtemperaturrealctoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wiederbeladimg des Strukturgraphitblockes nur leicht vorverdichtete Brennstoffeinsätze in . die Bohrungen geschoben und dort erjdverdichtet v;erdsn ,und dass bei Temperaturbehandlung die ausgedampften Spalfcproduktc abgesogen oder abgeschieden werden.

Sclin/Ta
Uo 9. 1972

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