DE2319765C3

DE2319765C3 - Verfahren zum Herstellen von Brennelementen für Kernreaktoren

Info

Publication number: DE2319765C3
Application number: DE19732319765
Authority: DE
Inventors: Jacques St.-Ismier Devillard (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1972-04-25
Filing date: 1973-04-18
Publication date: 1976-03-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Brennelementes für Hochtemperaturreaktoren—Kernreaktoren, dessen Hülle durch Formen eines Gemisches aus Graphit und einem Bindemittel herge stelh wird.

Allgemein bestehen die bisher in solchen Raktoren verwendeten Brennstoffe aus kugelförmigen Teilchen von Uranoxid oder Urancarbid, die durch ein Gemisch von Graphit und wärmehärtbarem Harz fest zusammengehalten sind. Diese: Brennstoffe befinden sich in einer Graphithülle. Die Verfahren zum Herstellen solcher Elemente zeigen mehrere Nachteile, besonders muß der Brennstoff bei hohen Drücken behandelt werden, um das Harz zu polymerisieren und das Brennelement zu formen. Andererseits tritt beim Betrieb dieser Brennelemente eine erhebliche Temperaturdifferenz zwischen der Hülle und dem Graphit auf.

Von den verschiedenen bisher bekannten Verfahren zum Herstellen von Brennelementen sei erwähnt das in der FR-PS 15 88 611 des Anmelders (entsprechend DT-PS 19 47 837) beschriebene Verfahren, wonach eine durch Strangpressen erhaltene Graphithülle mit Brenn-Stoffteilchen gefüllt wird, die mit einer Graphitschicht überzogen sind, welche durch Aufspritzen einer den Graphit und ein organisches Verbindungsmittel enthal

tenden Mischung erhalten wurde.

Auch bei diesem Verfahren sind noch eine sorgfältig zu regelnder Verfahrensschritte erforderlilh| und die Herstellung langer Brennelemente stößt aufii Schwierigkeiten.

Durch die Erfindung sollen die Nachteile der bisherig gen Verfahren behoben werden und ein einfacheres Verfahren, das auch die Herstellung langer Brennelemente ermöglicht, geschaffen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle durch druckloses Formen eines trockenen Gemisches aus Graphitpulver und einem Harzpuiver hergestellt wird, daß diese Hülle einer Verkokungsbehandlung unterworfen und an schließend mit einem Gemisch aus Teilchen von spaltbarem Material und Graphitpulver gefüllt, die gefüllte Hülle verschlossen wird und daß dann in an sich bekannter Weise die Hülle mit einem gasförmigen Kohlenwasserstoff behandelt wird.

Dieses Verfahren ist sehr einfach durchzuführen und ermöglicht ohne weiteres die Herstellung langer Brennelemente von z. B. 50 bis 100 cm Länge. Die große Porosität des rohen Brennelementes läßt das Kohlenwasserstoffgas leicht das gesamte Element durchdringen, so daß man Brennelemente mit guten Eigenschaften erhält.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung folgt auf die Verkokungsbehandlung der Hülle eine Imprägnierungsbehandlung mit einem Strom von gasförmigem Kohlenwasserstoff, bevor die Brennstoffteilchen in die Hülle gefüllt werden. Diese Zwischenbehandlung begünstigt die Verfestigung der Hülle.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zur Herstellung der die Hülle bildenden Mischung benutzte Kunstharz ein Phenolharz. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich wie folgt ausführen.

In eine Aluminiumform wird ein Gemisch von Graphit geeigneter Korngröße und einem pulverförmigen Harz eingefüllt, und die Form wird in einem Ofen auf 300⁰C erhitzt, um die Mischung zu polymerisieren.

Die so erhaltene Hülle wird anschließend unter Stickstoff auf 900⁰C erhitzt, um die Verkokung zu bewirken. Diese Verkokungsbehandlung kann fortgesetzt werden, indem man bei der gleichen Temperatur die Hülle im Strom eines gasförmigen Kohlenwasserstoffs, z. B. Methan, imprägniert. In diesem Stadium haben die meisten Poren der Hülle einen Durchmesser zwischen 30 und 50 μηι.

Anschließend füllt man die Hülle mit einem Gemisch von Brennstoffteilchen und Graphitteilchen, wobei der Graphit eine Korngröße zwischen 0 und 125μπι aufweist, die für die gleiche Mischung verschiedene Werte haben kann. Diese Mischung wird trocken oder in feuchter Phase, z. B. in einem Alkohol, hergestellt.

Um leichter ein Brennstoffgemisch mit zusammenhängenden Teilchen zu erhalten, kann man gegebenenfalls in der Mitte der Hülle einen voll oder hohl ausgebildeten Kern von gleicher Zusammensetzung wie die Hülle, anordnen. Für ein gegebenes Verhältnis Spaltmaterial-Graphit wird der Durchmesser des Kerns so gewählt, daß man zusammenhängende Teilchen erhält.

Nach dem Einfüllen der Brennstoffmischung in die Hülle wird sie ohne Druck leicht gerüttelt (vibriert). Man schließt dann die so erhaltene Hülle durch einen Stopfen, der aus einer Paste aus Graphit und einem Bindemittel mit Wasser geformt ist. die beim Brennen kaum schrumpft.

Man erhitzt dann das so aufgebaute Brennelement in

einem Strom von gasförmigem Kohlenwasserstoff (z. B. Methan, Propan, Propen usw.) au! eine Temperatur zwischen 700 und 1000⁰C.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man Brennelemente mit homogener Dichte zwischen 1,5 s und 2 ohne wesentliche Diskontinuität zwischen der Hülle und dem Brennstoff erhalten. Außerdem weisen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen rohen, als Halbprodukte anzusehenden Brennelemente, also vor der Verdichtung, eine gleichmäßig verteilte Porosität auf, was eine gleichmäßige Imprägnierung des Brennelements durch die gasförmigen Kohlenwasserstoffe ermöglicht, ohne daß bestimmte Poren durch übermäßige Abscheidungen von Pyrokohlenstoff verstopft werden. Ferner bleibt der Restkoksgehalt gering, nämlich in der Größenordnung von 3 bis 5%.

Da die Hülle durch Formen erhalten wird, kann man je nach dem gewünschten Zweck !eicht Brennelemente mit Zentrierrippen, äußeren Kühlrippen, Innenrippen zur Wärmeverteilung oder mit einem vollen oder höhlen Kern herstellen.

Die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert die Erfindung.

a) Herstellung der Hülle

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Ein Graphitpulver mit einer Korngröße von 80 bis 125 μπι wird trocken mit 20 Gewichtsprozent eines Phenolharzes gemischt.

Diese Mischung wird unter Rütteln (Vibrieren) kalt in eine Aluminiumform eingefüllt, die zuvor mit einem Gleitmittel überzogen ist.

Die gefüilte Form wird an der Luft in einem Ofen auf 300⁰C erhitzt Die Hülle, die eine Dichte von etwa 0,72 g/cm³ aufweist, wird aus der Form entnommen.

Die Hülle wird dann unter Stickstoff bei 900° C verkokt Die Hülle wird durch eine Behandlung mit Methan (Fließgeschwindigkeit des Methans 6cm/sec) bei iKK)"C während 5 Stunden verfestigt

Die erhaltene Hülle besitzt dann eine Dichte von etwa 0,70 g/cm³ und eine offene Gesamtporosität von 70%.

b) Herstellung des Brennelements

Die Hülle, wird unter Rütteln (Vibrieren) mit einem Gemisch von 60% Brennstoffteilchen mit einer Korngröße von 1100 μπι und 40% Graphit wovon 20% eine Korngröße von 0 bis 80 μπι und 80% eine Korngröße von 80 bis 125 μπι habe.-·, gefüllt; die gefüllte Hülle wird durch einen Stopfen verschlossen, der aus einer Paste von Graphit mit einer Korngröße zwischen 80 und 125 μπι unter Zusatz von 2% Polysaccharid hergestellt ist;

Das Brennelement wird mit Propan bei 940° C während 10 Slunden bei einer Fließgeschwindigkeit des Propans von 1 cm/sec imprägniert

Man erhält so ein Brennelement, dessen Kohlenstoffmatrix eine Dichte von 1,6 g/cm³ aufweist

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Kernbrennstoffelemente sind auch in wassergekühlten Kernreaktoren vom Typ Druckwasserreaktor oder Siedewasserreaktor verwendbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Brennelements für Hochtemperatur-Kernreaktoren, dessen Hülle durch Formen eines Gemisches aus Graphit und einem Bindemittel hergestellt wird, dadurchgekennzeichnet, daß die Hülle durch druckloses Formen eines trockenen Gemisches aus Graphitpulver und einem Harzpulver hergestellt wird, daß diese Hülle einer Verkokungsbehandlung unterworfen und anschließend mit einem Gemisch aus Teilchen von spaltbarem Material und Graphitpulver gefüllt, die gefüllte Hülle verschlossen wird und daß dann in an sich bekannter Weise die Hülle mit einem gasförmigen Kohlenwasserstoff behandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle nach dem Verkoken in einem Strom von gasförmigem Kohlenwasserstoff imprägniert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Harz ein Phenolharz verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Hülle ein Graphit mit einer Korngröße zwischen 80 und 125 μΐη verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz dem Graphit in einem Anteil von 20 Gewichtsprozent zugesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen der Hülle bei einer Temperatur von 300° C erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkokungsbehandlung der Hülle unter Stickstoff bei einer Temperatur von 900⁰C vorgenommen wird.

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