DE2519590A1

DE2519590A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines kompakten koerpers aus kernbrennstoff

Info

Publication number: DE2519590A1
Application number: DE19752519590
Authority: DE
Inventors: Roko Bujas
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-05-03
Filing date: 1975-05-02
Publication date: 1975-11-13
Also published as: FR2269776A1; CH588146A5; JPS5127694A; FR2269776B1; US4028446A; GB1469909A

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. R. B E E T Z sen. Dipi.-lng. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. B E E T Z jr.

München 22, Stelnsdorfstr. 1O Tel. (089)22 7201/227244/295910

Telegr. Allpatent München Telex B 22048

Mai 1975

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE A TQMIQUE, Paris (Frankreich)

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines kompakten Körpers

aus Kernbrennstoff

Die Erfindung bezieht sich in erster Linie auf ein Verfahren zur Herstellung eines kompakten Körpers aus Kernbrennstoff, bei dem man eine zylindrische Form mit umhüllten, spaltbares oder brütbares Material enthaltenden Teilchen, ggf. mit Graphitkörnchen füllt-

Das Verfahren soll es möglich machen, kompakte Körper in langgestreckter zylindrischer Form ohne Gefahr eines Bruches oder einer Verletzung der umhüllten Kugelteilchen, welche den kompakten Körper

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bilden und spaltbares oder brütbares Material enthalten, herzustellen.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung für das Durchführen des Verfahrens.

Es ist bekannt, daß in den Kernreaktoren für hohe Temperaturen der Brennstoff aus hochtemperaturfesten Kügelchen besteht, die spaltbares oder brütbares Material oder beide Materialien (beispielsweise UO oder ThO ) enthalten, diese Kügelchen werden allgemein "Kerne"

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genannt, und diese Kerne sind mit einer dichten Hülle versehen, die "Umhüllung" genannt wird, die aus durch Pyrolyse enthaltenen, hitzefesten Materialien, wie Kohlenstoff oder Siliziumkarbid, besteht. Die auf diese Weise umhüllten Kerne werden umhüllte Teilchen genannt; sie sind miteinander durch ein aus Graphit und nichtgraphitiertem Kohlenstoff zusammengesetzter Grundmasse verbunden, um kompakte Körper zu bilden. Diese kompakten Körper werden schließlich in Teile aus Graphit eingebracht, die ihrerseits durch einen Helium strom gekühlt werden.

Um eine Verseuchung gewisser Organe des Reaktors zu vermeiden, ist es wichtig, daß praktisch die gesamte Menge der umhüllten Teilchen die Spaltprodukte zurückhält, die in ihrem Kern während der Bestrahlung gebildet werden; hierzu ist eine unverletzte Umhüllung notwendig. Man muß insbesondere die kompakten Körper herstellen, ohne die Umhüllung zu beschädigen oder zu zerstören. In gewissen Fällen müssen die kompakten Körper zwei Arten von umhüllten Teilchen enthalten, die unterschiedliche granulometrische und Dichtespektren haben. Es ist wünschenswert, daß die Teilchen der beiden Arten in den kompakten Körpern möglichst homogen verteilt sind, um heiße Stellen in dem Re-

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aktor zu vermeiden, denn die Lebensdauer der Teilchen an diesen heißen Stellen würde sicher verringert werden.

Eine Maßnahme zur Erzielung von kompakten Körpern besteht darin, daß man unter Druck zwischen die dicht nebeneinanderliegenden umhüllten Teilchen eine Mischung aus Graphitpulver und Teer (die Teere sind die Rückstände der Destillation der Asphalte) zu injizieren. Die Injektion erfolgt bei einer Temperatur, bei der der Teer flüssig ist.

Bei den Verfahren der bekannten Art werden die kompakten Körper aus Kernbrennstoff, die insbesondere für Hochtemperaturreaktoren bestimmt sind, in folgender Weise erhalten:

- Man bringt in eine Form umhüllte Teilchen, die spaltbares oder brütbares Material enthalten und ggf. Graphitkörnchen, in sehr homogener Weise verteilt ein. Die Graphitkörnchen müssen eine Form und eine Granulometrie sehr bestimmter Art haben, damit sie einen geringen Widerstand gegen das Einfließen eines später injizierten Teeres bilden ι

- man heizt die Form über die Erweichungstemperatur des Teeres auf;

- man führt den Teer vom Boden aus durch ein Loch ein, dessen Durchmesser kleiner ist als der der umhüllten Teilchen, oder über einen Ringraum, der eine Breite hat, welcher kleiner ist als der Durchmesser dieser Teilchen. Der Teer ist im allgemeinen mit Graphitpulver einer genau überwachten Granulometrie versetzt bzw. gefüllt.

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Die Endstufe besteht darin, daß man abkühlt und den kompakten Körper aus der Form entfernt.

Diese bekannte Herstellungsart der kompakten Körper hat zunächst den Nachteil, daß man Körnchen aus Graphit von einer sehr genau bestimmten Form und Granulometrie verwenden muß; dies ist sehr kostspielig . Andererseits ist die Länge der so hergestellten kompakten Körper auf ungefähr 60 mm begrenzt, eine Begrenzung, die den Zweck hat, Brüche der Teilchen zu vermeiden, die durch einen hohen Einpreßdruck des Teeres hervorgerufen werden können, der aber notwendig ist, damit der Teer die gesamte Länge der kompakten Körper größerer Abmessungen durchzieht.

Die so bedingte geringe Länge der kompakten Körper des bekannten Standes der Technik bringt ebenfalls hohe Herstellungskosten mit sich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von kompakten Körpern aus Kernbrennstoff zu schaffen, das es gestattet, kompakte Körper größerer Länge mit einer größeren Sicherheit herzustellen.

Genauer gesagt, besteht das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung darin, daß man eine zylindrische Form mit umhüllten, spaltbares oder brütbares Material enthaltenden Teilchen füllt, ggf. mit Graphitkörnchen, und diese Form auf eine Temperatur erhitzt, die höher als die Erweichungstemperatur eines Teeres ist; man injiziert diesen Teer in die genannte heiße Form durch Öffnungen, die in

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regelmäßigen Abständen über die ganze Länge der Formwand verteilt sind; das Injizieren erfolgt senkrecht zu den Erzeugenden des von der Form gebildeten Zylinders und durch die genannten Öffnungen, deren Durchmesser kleiner als das Größenmaß der umhüllten Teilchen ist.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß man den Teer in der kleinsten Abmessungsrichtung des kompakten Körpers injiziert, d.h. zumindest angenähert längs eines Radius des Grundkreises des kompakten Körpers. Der Weg des Teeres durch das Bett der Partikel ist in gewissen Fällen ganz erheblich, etwa um einen Faktor, der größer als 10 ist, verringert. Dies gestattet die Verwendung von weniger gut ausgesuchten Graphitkörnchen als bei der bekannten Verfahrensweise, und zwar sowohl hinsichtlich ihrer Form als auch ihres Durchmessers, und die Länge der kompakten Körper ist erheblich größer.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung injiziert man den Teer in einer radialen Richtung, die, bezogen auf den die Form bildenden Zylinder, nach außen weist; der Teer wird in einem inneren zylindrischen Kanal gespeichert, der mit Öffnungen versehen ist; dieser zylindrische Kanal bildet die innere Wand der Form. Da die Form ringförmig ist, ergibt sich bei diesem Verfahren nach dem Ausformen ein kompakter Körper ringförmiger Gestalt.

Es dürfte klar sein, daß man nach dem Ausformen dieses ringförmigen kompakten Körpers den zentralen Hohlraum entweder mit Teerpastillen oder mit Graphit ausfüllen kann, der von der Anwesenheit der Injektionsorgane (der zylindrische Kanal) herrührt.

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Nach einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Teer durch Öffnungen injiziert, die an der Außenseite der zylindrischen Form liegen. Die Richtung des Teerflusses zeigt dann auf die Achse des Zylinders. Man erzielt auf diese Weise kompakte volle zylindrische Körper.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie für die Herstellung von kompakten Körpern ringförmiger Gestalt umfaßt:

- eine Form von im wesentlichen ringförmiger Gestalt, die mit umhüllten Teilchen und ggf. Graphitkörnchen gefüllt ist,

- Mittel zur Überwachung der Temperatur dieser Form,

- einen zentralen zylindrischen hohlen Kanal, der die Innenwand der Form bildet; dieser Kanal enthält Teer unter Druck und ist von radialen Öffnungen durchbohrt, durch welche der Teer in den Innenraum der Form injiziert wird,

- zwei Kolben, welche die Rolle der am oberen und unteren Ende der Form sitzenden Stopfen spielen,

- Mittel, beispielsweise eine Presse, um den Teer unter Überdruck in das Innere des zentralen Kanals hineinzudrücken.

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der zentrale Kanal eine dichte Rohrleitung, in der Öl umläuft.

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Nach einer weiteren Variante der Erfindung, die dazu bestimmt ist, volle zylindrische ko ^nakte Körper herzustellen, umfaßt die Vorrichtung:

- eine Form von zumindest annähernd zylindrischer Gestalt, die mit umhüllten Teilchen und ggf. Graphitkörnchen gefüllt ist,

- Mittel zur Überwachung der Temperatur,

- in die Masse der Formwand eingearbeitete Nuten, die mit dem Inneren der Form über radiale Öffnungen verbunden sind,

- zwei Kolben, welche die Rolle von Stopfen spielen und am oberen und unteren Ende der Form sitzen,

- und schließlich Mittel, beispielsweise eine Presse, zum Irjizi eren des Teers unter Überdruck in das Innere der erwähnten Nuten.

Die Mittel zur Überwachung der Temperatur der Form sind beliebiger Art, vorzugsweise bestehen sie aber aus dem Stromkreis eines wärmeübertragenden Fluids, wie beispielsweise Öl, dessen Temperatur regelbar ist, je nachdem, ob man den Teer verflüssigen oder den kompakten Körper ausformen will; dieser Ölumlauf ist in Berührung mit der Wand der Form .

Die Temperatur für das Injizieren des Teers liegt in der Nähe von 180 , der Injektionsdruck in der Nähe von 80 bar. Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung werden sich besser im Laufe der Beschreibung

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ergeben, die sich auf Durchführungsbeispiele bezieht, die nur der Erläuterung dienen, aber keineswegs einschränkend sind, und die sich auf die Zeichnung stützen, in der zeigen:

Fig. 1 ein Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Herstellung von ringförmigen Körpern,

Fig. 2 ein Schema einer Variante der Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung, die zur Herstellung von vollen kompakten Zylinderkörpern bestimmt ist.

In der Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Form zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens dargestellt. Die Form, die aus einer äußeren zylindrischen Hülle 2 und einem zentralen Kanal 4 besteht, begrenzt einen ringförmigen Raum 6, in den miteinander umhüllte Teilchen und Graphit eingefüllt sind, die den kompakten Körper bilden sollen. Ein Ölumlauf 8 gestattet eine Überwachung der Temperatur des Teils 2 der Form, während der Ölumlauf 10 die Überwachung der Temperatur des Teeres möglich macht, der in dem zentralen Kanal 4 enthalten ist. Ein Injektionssystem, das in der Figur nicht dargestellt ist, drückt den Teer in Richtung des Pfeiles 12 in das Innere des zentralen Kanals 4. Der unter Überdruck stehende Teer wird aus dem zentralen Kanal senkrecht zur den Erzeugenden des Zylinders herausgedrückt, der den Teil 2 der Form bildet, in Richtung der Pfeile 14. Die oberen und unteren Enden der Form sind durch Kolben-Stopfen 18 und 20 verschlossen. Der Kolben 20, der fest mit dem zentralen Kanal 4 über Verbindungen 22 verbunden ist, hat Entlüftungsöffnungen 24. Die Öffnungen, wie 26, die in den zentralen Kanal 4 gebohrt sind, sind in

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ihrem Durchmesser kleiner als die umhüllten Teilchen, damit diese nicht in den zentralen Kanal eintreten können, der den Teer enthält.

Um einen kompakten Körper herzustellen, füllt man den ringförmigen Raum zwischen dem zentralen Kanal 4 und der äußeren Wand der Form 2 mit umhüllten Teilchen und Graphitkörnchen, dann drückt man einen Teer mit einer Temperatur, die durch die Temperatur des Öls in der Leitung 10 überwacht wird, durch die Öffnungen 26, um den kompakten Körper zu bilden. Nach Abkühlen und Abfall der Temperatur des Öls in dem Umlauf 8 wird der ringförmige kompakte Körper ausgeformt.

In der Fig. 2 ist eine zweite Durchführungsweise der Erfindung veranschaulicht, bei der die Form 2 mit Längsnuten wie 30 versehen ist, die parallel zu den Erzeugenden des Zylinders verlaufen und in die der Teer in Richtung des Pfeiles 32 über die Zuleitung 34 eingepreßt wird. Der heiße Teer geht durch die Öffnungen 26 in der Form, um sich mit den umhüllten Teilchen in dem herzustellenden kompakten Körper zu mischen. Nach Abkühlung und Ausformen erhält man bei dieser Arbeitsweise einen vollen kompakten Körper. Man sieht, daß es bei dieser Ausführungsform möglich ist, kompakte Körper großer Länge herzustellen, da der Weg des Teeres innerhalb des kompakten Körpers gleich der geringen Radialabmessung des kompakten Körpers ist, d. h. ungefähr gleich dem Radius eines Grundkreises der zylindrischen Form

Bei der Arbeitsweise gemäß Fig. 1 ist die Vorrichtung nur für die Herstellung von kompakten Körpern verwendbar, die einen Füllungsprozentsatz an umhüllten Teilchen und Graphitkörnchen haben, der klei-

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ner als 55 % ist, wegen der Anwesenheit des zentralen Kanals, den man dann mit Graphitmaterial oder Teer füllen muß. In der Variante der Erfindung gemäß Fig. 2 gestattet die Vorrichtung Füllungsverhältnisse an umhüllten Partikeln und Graphitkörnchen in der Größenordnung von 60 %.

Im folgenden werden Zahlenwerte für die Herstellung von kompakten Körpern gemäß der Erfindung gegeben:

1. Voller Kompaktkörper

Länge 100 mm, Durchmesser 16 mm.

- spaltbare Teilchen Durchmesser ungefähr 500 um

- brütbare Teilchen " " 800 ρ

- Graphitkörnchen " von 500 - 1000 um.

Der Teer füllt die nach einer Vorkompression der Teilchenmischung in der Form zwischen den drei Arten fester Teilchen bestehenden Zwi~ schenräume.

- Füllfaktor für die Teilchen etwa 60 %

- Vorkompression ungefähr 15 kg/cm

- Injektion des Teeres zwischen 50 und 80 kg/cm

bei einer Temperatur zwischen 150 und 180 ⁰C

- nach Entformen Erhitzen bis 1800 C

- mechanisches Verhalten vollkommen zufriedenstellend

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2. Ringförmiger Kompaktkörper
Gleiche Kennwerte bis auf:

- innerer Durchmesser 8 mm

- Füllfaktor für die Teilchen ungefähr 60 % des ringförmigen Raumes, d.h. ungefähr 45 % des als voll anzunehmenden Zylinders

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung eines kompakten Körpers aus Kernbrennstoff, bei dem man eine zylindrische Form mit umhüllten, spaltbares oder brütbares Material enthaltenden Teilchen und ggf. mit Graphitkörnchen füllt, dann diese Form auf eine Temperatur aufheizt, die höher ist als die Erweichungstemperatur eines Teeres, dadurch gekennzeichnet , daß man den Teer in die heiße Form durch in regelmäßigen Abständen längs der gesamten Länge der Formwand angeordnete Öffnungen injiziert und das Injizieren des Teeres senkrecht zu den Erzeugenden des von der Form gebildeten Zylinders durch die genannten Öffnungen hindurch erfolgt, deren Durchmesser kleiner als das Größenmaß der umhüllten Teilchen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Teer in einer radialen Richtung injiziert, die auf die Außenwand des Zylinders weist, daß der Teer in einem zylindrischen inneren Kanal gespeichert ist, der Öffnungen aufweist und daß der zylindrische Kanal die innere Wand der Form bildet, wodurch nach dem Ausformen ein kompakter Körper ringförmiger Gestalt erhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Teer, der sich außerhalb der zylindrischen Form befindet, durch Öffnungen injiziert, die den Teer hindurchfließen lassen, wobei die Richtung des Fließens auf die Achse des Zylinders hin weist, und daß man so einen vollen zylindrischen Kompaktkörper erhält.

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4. Vorrichtung für die Herstellung von kompakten Körpern aus Kernbrennstoff nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung umfaßt:

- eine Form (2) von zumindest näherungsweise ringförmiger Gestalt, die mit umhüllten Teilchen und ggf. Graphitkörnchen gefüllt ist,

- Mitteln zur Überwachung der Temperatur der Form,

- einen zylindrischen zentralen Hohlkanal (4), der die innere Wand der Form bildet, Teer unter Überdruck enthält und radiale Öffnungen (26) aufweist, durch die der Teer in die Form injiziert wird,

- zwei Kolben (18, 20), welche die Rollen von Stopfen spielen und an den oberen und unteren Enden der Form sitzen,

- Mittel zum Injizieren des Teers unter Überdruck in das Innere des zentralen Kanals.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Kanal (4) eine dichte Rohrleitung (lO) enthält, in der ein Wärmeträgerfluid umläuft.
6. Vorrichtung zur Herstellung von kompakten Körpern aus Kernbrennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfassen:

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- eine Form (2) von zumindest angenähert zylindrischer Gestalt, die mit umhüllten Teilchen und ggf. Graphitkörnchen gefüllt ist,

- Mittel zur Überwachung der Temperatur der Form,

- hohle Nuten (30) in der Masse der Wand der Form, die mit dem Inneren der Form über radiale Öffnungen (26) in Verbindung stehen,

- zwei Kolben (18, 20), welche die Rolle von Stopfen spielen und am oberen und unteren Ende der Form sitzen,

- Mittel zum Injizieren des Teeres unter Überdruck in das Innere der erwähnten Nuten.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Umlauf eines Wärmeträgermediums hat, dessen Temperatur regelbar ist, wobei dieser Umlauf mit der Wand der Form (2) in Berührung ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bzw. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionstemperatur des Teeres in dem Bereich von 180 C liegt und der Injektions-Einpreßdruck des Teeres im Bereich von 80 bar.

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