DE2264609B2 - Verfahren zur herstellung von prismatischen graphitformkoerpern fuer hochtemperatur-brennelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gradienlenfreier, über das gesamte Körpervolumen mit gleichen Eigenschaften ausgestatteier, prismatischer Graphitformkörper für Hochtemperaturreaktoren durch Gesenkpressen einer binderhaltigen Kohlenstoffpreßmasse und anschließende Temperaturbehandlung des Preßkörpers.

Für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren kommt dem block förmigen 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. 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 oxydische oder carbidische Schwermetallkerne von einigen hundert um 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 Brennelementes, in den die Brennstoffeinsätze eingebracht werden, wird zur Zeit vor allem 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 e-ebohrt 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 Kühlkanäle der aufeinander gestapelten Blockbrennelemente gegeneinander etwas versetzt, wodurch der Druckabfall des Helium-Kühlgases im Reaktor-Core erhöht wird. Dieser erhöhte Druckabfall führt zu einer größeren Pumpleistung und zu erhöhten Betriebskosten. Man muß dazu beachten, daß in einem lOOO-MW-Leistungsreaktor etwa 4000 Blöcke eingesetzt werden, wovon jeder einzelne weit über 100 Bohrungen besitzt.

Neben diesem großen maschinellen Aufwand spielt aber für die Brennelementkosien der beim Bearbeiten entstehende Graphitabfall eine entscheidende Rolle. Er beirägf bei der Bearbeitung des Zylinders zum hexagonalen Prisma ca. 20% und beim Bohren der Kanäle nochmals ca. 40% vom Prismenvolumen. Insgesamt hat man also durch Bearbeitung Graphitabfall von mindestens 50% der eingesetzten Menge.

Nach einem Vorschlag (DT-PS 22 34 587) werden bei der Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern für Hochtemperatur-Brennelementc die äußere Geometrie und die Ausnehmungen (Kanäle) für Brenn- und Brutstoff und Kühlung bereits bei der Formung des Kohlekörpers erzeugt. Das wird dadurch erreicht, daß ein Gesenk in der Geometrie, die für den Preßling gewünscht wird, hergestellt wird. Die Ausnehmungen oder Kanäle werden dadurch erhalten, daß prismatische Verdrängerkörper, z. B. Stäbe, an den gewünschten Stellen parallel zur Prismenachse im Gesenk angeordnet sind, die während des Pressens in entsprechende Bohrungen in den Preßstempeln eintauchen. Das Gesenk und/oder die Verdrängerkörper werden dabei in eine drehende, schraubende oder schiebende Bewegung relativ zu den Preßstempeln versetzt, wodurch die Reibung entscheidend verringert wird. Diese Graphitformkörper zeigen aber noch gewisse Eigenschaftsgradienten.

Es ist bekannt (US-PS 32 55 278), zur Brennelementherstellung aus Schale und Kern diese stufenweise durch Pressen herzustellen, wobei jede Preßstufe eine funktionell Aufgabe erfüllt und Preßquerschnitt und Preßgut jeweils sich ändern. Mit diesem bekannten Verfahren ist es daher nicht möglich, Graphitformkörper mit gradientenfreien Eigenschaften zu bekommen.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung gradientenfreier, über das gesamte Körpervolumen mit gleichen Eigenschaften ausgestatteter, prismatischer Graphitformkörper für Hochtemperaturreaktoren zu finden, durch Gesenkpressen einer binderhaltigen Kohlenstoffpreßmasse und anschließende Temperaturbehandlung des Preßkörpers, wobei die äußere Geometrie und die Ausnehmungen für Kühlkanäle und für die Aufnahme von Brenn- und Brutstoffen bereits vor der Formgebung durch die Form des Gesenkes und durch in Ausnehmungen des Preßstempels eintauchende prismatische Verdrängerkörper hergestellt werden sollten.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelösi, daß das einheitliche Preßgut stufenweise in das Gesenk eingefüllt und darin verdichtet wird.

Es wurde dabei überraschenderweise gefunden, daß man in bezug auf die Eigenschaften besonders

gradientenfreie Preßlinge dann erhall, wenn man die Preßhöhe klein macht. Da aber für den Reaktor aus mehreren Gründen eine Mindestblockhöhe erforderlich ist, wird erfindungsgemäß das Preßgut stufenweise in das Gesenk eingefüllt und verdichtet. In dir Abbildung wird dieses erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise näher erläutert. Man füllt einen Teil der für den gesamten Block erforderlichen Preßmasse in das Gesenk und preßt auf Enddichte. Auf diesen Preßling 1 wird im Gesenk der nächste Teil der Preßmasse gefüllt und verdichtet 2. Weitere Füll- und Preßschritte bis zur

gewünschten Höhe des Endpreßlings werden angeschlossen. Um an den Nahtstellen 3 eine Diskontinuität der Eigenschaften zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, den Preßstempel mit einem Profil 4 zu versehen. Die Grenzfläche zwischen zwei der Teilpreßlinge entspricht scr"¹» Her Profilfläche des Stempels. Bringt man zusätzlich auf die Grenzflächen eine kleine Menge Bindemittel auf, z. B. durch dünnes Aufsprühen einer alkoholischen Lösung, su lassen sich am fertigen Preßling makroskopisch an den Nahtstellen keine Eigenschaftssprünge feststellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung gradientenfreier, über das gesamte Körpervolumen mit gleichen Eigenschaften ausgestatteter, prismatischer Graphitformkörper für Hochtemperaturreaktoren durch Gesenkpressen einer binderhaltigen Kohlenstoffpreßmasse und anschließende 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 Preßstempels eintauchende prismatische Verdrängerkörper hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das einheitliche Preßgut stufenweise in das Gesenk eingefüllt und darin verdichtet wird.

2. Verfahren zur Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Nahtstellen zwischen den Preßstufen durch Profilierung des Stempels vergrößert werden,

3. Verfahren zur Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Nahtstellen zwischen den Preßstufen zusätzlich Bindemittel aufgegeben wird.

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