DE2264609C3 - Verfahren zur Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern für Hochtemperatur-Brennelemente - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von prismatischen Graphitformkörpern für Hochtemperatur-BrennelementeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gradientenfreier, über das gesamte Körpervolumen mit
gleichen Eigenschaften ausgestatteter, prismatischer
Graphitformkörper für Hochteinperaturreaktoren
durch Geserkpressen einer binderhaltigen Kohlenstoffpreßmasse und anschließende Temperaturbehandlung
des Preßkörpers.
Für gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren kommt dem blockiormigen Brennelement große Bedeutung
zu. Bisher bekanntgewordene Blockbrennelemente sind mechanisch vorgefertigte Prismen aus Graphit von
meist hexago'nalem 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 μνη
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 Brennsioffkern 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 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 siniJ 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 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 beim Bearbeiten
entstehende Graphitabfall eine entscheidende Rolle. Er beträgt 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-Brennelemente die äußere Geometrie und die Ausnehmungen (Kanäle) für Brenn- und
Brutstcff 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 Bewegurg 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
funktioneile 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
(>5 gelöst, 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 erhält, 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 der Abbildung wird dieses erfindungsgemäße Verfatv ':n beispielsweise
näher erläutert. Man füllt einen Teil der für den gesamten Block erforderlichen Preßmasse in das
Gesenk und preßt auf Enddichte. Auf diesen Preßli '.g 1
wird im Gelenk 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 mi; einem Profil 4 zu versehen. Die Grenzfläche zwischen zwei der Teilpreßlinge
entspricht somit der Profilfläche des Stempels. Bringt man zusätzlich auf die Grenzflächen eine kleine
Menge Bindemittel auf, z. B. durch dünnes Aufsprühen einer alkoholischen Lösung, so lassen sich am fenigen
Preßling makroskopisch an den Nahtstellen keine Eigenschaftssprünge feststellen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
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 gekennzeichne»,
daß das einheitliche Preßgut stufenweise in das Gesenk eingefüllt and 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 ) und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die Nahtstellen zwischen den Preßstufen zusätzlich Bindemittel
aufgegeben wird.
Priority Applications (1)
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Publications (3)
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DE2264609A1 DE2264609A1 (de) | 1974-06-20 |
DE2264609B2 DE2264609B2 (de) | 1977-07-07 |
DE2264609C3 true DE2264609C3 (de) | 1978-02-23 |
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