DE2551512A1

DE2551512A1 - Verfahren zur herstellung eines brennstoffelements fuer einen gasgekuehlten hochtemperatur-reaktor

Info

Publication number: DE2551512A1
Application number: DE19752551512
Authority: DE
Inventors: Ronnie Albert Bradley; John David Sease
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1974-11-26
Filing date: 1975-11-17
Publication date: 1976-07-15
Also published as: US3960994A; FR2293037A1; GB1485707A; CA1057919A; FR2293037B3; JPS5174200A

Description

US Energy Research and Development Administration Washington, DC 2o545, USA

Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffelements für einen gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffelementen für einen gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor (HTGR).

Die Herstellung von Brennstoffstäben für den Einsatz in HTGR-Brennstoffelementen ist im US Patent 3 763 292 und in dem Bericht ORNL-TM-4207 vom August 1973, Seite 13 beschrieben. Typischerweise haben diese Stäbe einen Durchmesser von ungefähr einem halben Zoll und sie sind ungefähr 2 Zoll lang, wobei ungefähr 3000 verwendet werden, um einen einzigen Graphit-Brennstoff elementen-Block zu beladen. Der Core eines 1160 HTGR enthält ungefähr 4000 Brennstoffelemente, von denen ungefähr 1000 jährlich ersetzt werden. Es wird angenommen, daß ungefähr 40 % der Brennstoffelemente durch Fernbearbeitung aus aufbereitetem Brennstoff hergestellt werden, was ungefähr 60-80 Brennstoffelemente pro Tag in einer kommerziellen Brennstoffaufbereitungsfabrik von mäßiger Größe bedeutet.

Das derzeitige Verfahren zur Herstellung von HTGR Brennstoffstäben im Oak Ridge National Laboratory sieht folgendes vor: Anordnung der erforderlichen, mit Kohlenstoff überzogenen Teilchen in einer Form; Einspritzen einer geschmolzenen Matrix

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(bestehend aus einer Mischung von Graphitpulver und Pech) in sämtliche Zwischenräume zwischen den Teilchen. Erstarrung der Matrix, sowie darauffolgende Karbonisierung oder Verkohlung der Matrix zur Umwandlung des Pechs in Kohlenstoff. Diese Stäbe sind dann zum Einsetzen in die Öffnungen eines Graphit-Brennstoffelementenblocks verfügbar. Für den Verkohlungs- oder Karbonisierungs-Schritt werden die unbearbeiteten (grünen) Brennstoff stäbe in Aluminiumoxyd-Pulver gepackt, und zwar einer in jede Abteilung eines eierkartonartigen Trägers, wobei eine Erhitzung für eine etwa halbstündige Dauer auf 700 - 1000⁰C erfolgt. Nach der Entfernung des Aluminiumoxyds wird das Al„0 von den Oberflächen der Stäbe entfernt, und die Stäbe werden auf Graphitträgern für eine Wärmebehandlung bei 1.800 ⁰C für ungefähr eine halbe Stunde angeordnet. Der Packvorgang der Stäbe im Al₂O₃-Pulver für die Karbonisierung ist zeitaufwendig und bei der Fernherstellung unbequem. Das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) führte deshalb Versuche aus, um ein Verfahren zur Karbonisierung der Brennstoffstäbe direkt in dem Graphitbrennstoffelement zu entwickeln. Der größte Teil dieser Arbeit wurde unter Verwendung von Graphitrohren durchgeführt, um einen Abschnitt des Graphitbrennstoffelements zu simulieren.

Verfahren zur Herstellung von Brennstoffelementen wurden ebenfalls von der GuIf General Atomic (GGA) entwickelt. Diese Verfahren verwenden ähnliche Schritte. Der Erfolg war jedoch minimal.

Sowohl bei den ORNL- und GGA-Verf ahren ergibt sich die Möglichkeit des Bruchs des Kohlenstoffüberzugs auf den Brennstoff teilchen während der Wärmebehandlung. Wenn die Bindung zwischen der Matrix und dem Kohlenstoffüberzug zu groß ist, so erzeugt das Schrumpfen der Matrix während der Wärmebehandlung Beanspruchungen, welche den überzug zerreißen oder brechen. Das zusätzliche Schrumpfen der Matrix und der mit Kohlenstoff überzogenen Teilchen während der Bestrahlung würde dieses Problem noch vertiefen. Dies hätte die Freigabe von

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Spaltprodukten an ein Reaktorsystem während der Bestrahlung zur Folge. Es ist leider kein Verfahren bekannt, um die Qualität eines jeden Brennstoffstabes oder des gesamten Brennstoffelements im Falle der "im-Block"-Karbonisierung festzustellen.

Die Tendenz hinsichtlich des Teilchenbruchs infolge der Matrix-Teilchen-Wechselwirkung wurde mit der Größe des Restkohlenstoffs in Beziehung gebracht, der sich aus der Karbonisierung des Matrix-Bindemittels (Pech) ergab. Dies wird manchmal als die Pech-Koks-Ausbeute bezeichnet. Wenn die Karbonisierung bei atmosphärischem Druck erfolgt, so erhöht sich die Tendenz für den Teilchenbruch, wenn die Pech-Koks-Ausbeute sich erhöht (über einen Schwellenwert hinaus). Die Pech-Koks-Ausbeute von Brennstoffstäben ,karbonisiert in Graphitrohren zur Simulierung der lm-Block-Karbonisierung_/ist normalerweise das zweifache von derjenigen, die man erhält, wenn die Karbonisierung in gepacktem Al₃O erfolgt, hängt aber von Verfahrensvariablen ab, wie beispielsweise der Heizgeschwindigkeit und der Permeabilität der Graphitrohre.

Die hohe Pech-Koks-Ausbeute ist an sich nicht unerwünscht. Sie ist nur dann unerwünscht, wenn sie zum Ausfall des Überzugs aus pyrolytischem Kohlenstoff infolge der Matrix-Teilchtjii-Wechselwirkung führt. Wenn der Teilchenbruch vermieden werden kann, so könnte eine hohe Pech-Koks-Ausbeute insofern erwünscht sein, als dies. ä.±e Matrixdichte erhöhen würde, wodurch die thermische Leitfähigkeit des Brennstoffstabs erhöht wird. Eine hohe Pech-Koks-Ausbeute erhöht auch das Kohlenstoff-zuThorium-Verhältnis im Brennstoffstab, was ebenfalls wirtschaftlich vorteilhaft ist.

Es besteht somit ein Bedürfnis, ein verbessertes Verfahren zur Karbonisierung von Brennstoffstäben innerhalb von Brennstoff elementen-Blöcken derart vorzusehen, daß jegliches Brechen des Kohlenstoffüberzugs von einzelnen Teilchen innerhalb

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des Stabes minimiert wird. Die folgende Erfindung beabsichtigt, dies zu erreichen.

Die Erfindung bezweckt ein Verfahren zur Karbonisierung oder Verkohlung von Brennstoffstäben in Brennstoffelement-Blöcken anzugeben, wobei gleichzeitig jegliches Brechen des Kohlenstoffüberzugs innerhalb einzelner Teilchen der Stäbe verhindert wird, wenn die Karbonisierung erreicht ist.

Die Erfindung sieht zu diesem Zweck vor, daß die nicht karbonisierten Brennstoffstäbe in geeignete Kanäle eines HTGR-Brennstoffelementen-Blocks eingesetzt werden, worauf dann der gesamte Block in einen Autoklaven für eine in situ Karbonisierung eingesetzt wird, wobei der Block einem gewünschten hohen Druck ausgesetzt wird.

Kurz gesagt, ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß die aus mit Kohlenstoff überzogenen Teilchen und einer Kohlenstoffmatrix hergestellten, unbehandelten Brennstoffstäbe in eng passende Kanäle eines Graphit-Brennstoffelementen-Blocks eingesetzt werden, worauf dann der gesamte Block einem Druck von 5000 - 15000 psi ausgesetzt wird, während die Temperatur von ungefähr 700 auf 1000 ⁰C erhöht wird,und zwar mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 100 ⁰C pro Stunde. Jeder der Brennstoffstäbe oder -stifte besteht aus einer Dispersion von mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogenen Kernbrennstoffoxyd- oder Karbid-MikroKugeln innerhalb beispielsweise einer Kohlenstoff- oder Graphitmatrix. Die Temperatur und der Druck wird ungefähr 1-2 Stunden lang aufrechterhalten, wobei danach der Block unter Druck abgekühlt wird. Sodann wird der Brennstoffblock wie üblich in einer inerten Atmosphäre auf ungefähr 1800 ⁰C Wärme behandelt.

Die Karbonisierung unter Autoklaven-Bedingungen bildet das wesentliche Merkmal der Aufrechterhaltung einer Kompressions-

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beanspruchung an den Brennstoffteilchen, bis die Matrixfestigkeit vermindert wird. Demgemäß reduziert dies in wesentlichem Ausmaß Zugbeanspruchungen, die andernfalls in den Teilchenüberzügen auftreten würden. Diese Druckkraft wird gleichmäßig angelegt, so daß unterschiedliche Beanspruchungs-Wirkungen, hervorgerufen durch ungleichmäßige Heizgeschwindxgkeiten in einem großen Block abgeschwächt werden. Darüber hinaus ist die Karbonisierung im Autoklaven weniger empfindlich gegenüber Veränderungen der Permeabilität der Graphit-Brennstoffelemente und gestattet die Verwendung eines großen Bereichs von Füllstoffen und Bindemitteln.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde unter Verwendung der folgenden Testbedingungen betrieben. Vier Brennstoffstäbe wurden einzeln in vier Graphitrohre eingesetzt, deren Wandstärken die Gewebedimensionen zwischen Löchern eines HTGR-Brennelements annäherten. Graphitstopfen wurden in die beiden Enden jedes Rohrs eingesetzt, so daß die Brennstoffstäbe einer axialen Einschränkung unterworfen waren. Die beladenen Rohre wurden in einem offenen Behälter angeordnet und in einen Autoklaven eingesetzt, worauf der Druck auf 10000 psi (bei Raumtemperatur) unter Verwendung von Argon erhöht wurde.

Nachdem der gewünschte Druck erreicht war, wurde der Autoklav mit ungefähr 100 C/Stunde auf eine Temperatur von 700 C aufgeheizt, wobei Gas zur Aufrechterhaltung eines Drucks von 1OOOO psi abgelassen wurde. Diese Temperatur und dieser Druck wurden ungefähr 2 Stunden lang aufrechterhalten, um eine Gleichgewichtstemperatur in den Rohren sicherzustellen, und um die vollständige Karbonisierung des Matrixpechs zu gestatten. Der Autoklav wurde auf Raumtemperatur unter Druck abgekühlt, worauf dann der Druck abge-

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lassen und der Behälter entfernt wurde. Der Behälter wurde sodann in einem Ofen angeordnet, wo die Rohre in einer Argonatmosphäre auf 1800 ⁰C erhitzt wurden.

Sodann wurden die karbonisierten und wärmebehandelten Brennstoffstäbe aus den Graphitrohren zum Zwecke der Inspektion entfernt. Von besonderem Interesse war die Beobachtung von gebrochenen Teilchen und von Matrix-Teilchen-Wechselwirkungen. Beim Vergleich mit gemäß bekannten Verfahren hergestellten Brennstoffstäben zeigten die erfindungsgemäßen Brennstoffstäbe weniger zerbrochene Teilchen. Eine ins einzelne gehende Untersuchung stellte fest, daß die Matrix offensichtlich ohne Schädigung des Teilchenüberzugs schrumpfte. Die Pech-Koks-Ausbeute der Stäbe ( 60 Gewichts-%) war ungefähr das Dreifache der normalerweise bei in gepacktem Al„0 Pulver karbonisierten Stäben erhaltene und ungefähr das Eineinhalbbis Zweifache der Ausbeute, die dann erhalten wird, wenn die Karbonisierung in Graphitrohren bei atmosphärischem Druck erfolgt. Die höhere Pech-Koks-Ausbeute sollte die oben beschriebenen Vorteile bezüglich der thermischen Leitfähigkeit und des Kohlenstoff-zu-Thorium-Verhältnisses zur Folge haben.

Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert also das Ausmaß der inneren Beanspruchung, die im Körper eines Brennstoffstabes erzeugt wird, was zu einem verminderten Auftreten des Bruchs bei pyrolytischen Kohlenstoffüberzügen auf jeder Brennstoff-Mikro-Kugel führt.

Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, ist aber nicht darauf beschränkt, sondern kann auch auf anderen Gebieten als den beschriebenen Gebieten Anwendung finden.

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Claims

ANSPRUCH

Verfahren zur Herstellung von Brennstoffstabzusammensetzungen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: oder Karbid-Mikro-Kugeln,überzogen mit pyrolytischem Kohlenstoff innerhalb einer Pech-Matrix innerhalb eines jeden aus einer Vielzahl von entsprechenden Graphitrohren; Umschließen der gefüllten Rohre in einem Autoklaven; Aufrechterhaltung eines isostatischen Druckes in dem Autoklaven auf einem gewählten Druck im Bereich von 5000 -15000 psi, wobei gleichzeitig der Autoklav mit ungefähr 100 C/Stunde auf eine Temperatur von 700 C aufgeheizt wird, worauf der Druck und die Temperatur ungefähr 2 Stunden lang aufrechterhalten werden, um die vollständige Karbonisierung jedes Matrix-Pechs zu gestatten; Abkühlung der karbonisierten Matritzen auf Raumtemperatur innerhalb des erwähnten Druckbereichs und schließlich Entfernen der gekühlten, karbonisierten Matritzen aus dem Autoklaven und Erhitzung derselben in einem Ofen in einer Argonatmosphäre auf 18OÖ ⁰C.

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