DE2614185A1

DE2614185A1 - Verwendung von gadoliniumhaltigen glaesern, glaskeramiken und keramiken

Info

Publication number: DE2614185A1
Application number: DE19762614185
Authority: DE
Inventors: Paul Daruschy; Walter Dipl Phys Dr Guber; Jaroslav Dipl Chem Dr Saidl
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1976-04-02
Filing date: 1976-04-02
Publication date: 1977-10-06
Also published as: DE2614185C2

Description

Verwendung von gadoliniumhaltigen Gläsern, Glaskeramiken
und Keramiken.
Zur Regelung der Kritikalitätsverhältnisse in einem Kernreaktor werden Regel-, Trinun und Abschaltelemente in Form von Stäben, Rohren und Platten aus Werkstoffen, die Bor, Cadmium oder Hafnium, z.B. als Bor-Aluminium-, Ca-dmiurn-Silber-, Cadmium-Silber-Indium-Legierungen oder Hafnium-Legierungen, enthalten, verwendet.
Oder es wird eine solche Regelung mit Hilfe von Stäben, die borhaltiges Glas enthalten, sogenannte Vergiftungsspinnen durchgeführt. Ein derartiges Glas enthält beispielsweise ca.
9,8 Gew.-% B203. Die Wirkung des Bors als Neutronengift beruht auf dem hohen Wirkungsquerschnitt für thermische Neutronen des im natürlich vorkommenden Bor mit 19,8 % enthaltenen Borisotops 10 5 B (6n,« = 3836 barn). Durch die Reaktionen 10 7 5 B (n,oc) 3 Li , 10 3 5 B (n, 2o&) 1 H und 7 Li 3 3 Li (n, «, n) 1 H entstehen gewisse Mengen an Helium und Tritium, die einen unerwünschten Gasdruck im Glas hervorrufen.
Außerdem wird eine weitere Regelungsmöglichkeit praktiziert, es wird Orthoborsäure (H3B03) zum Wasser des primären KUhlkreises im Reaktor zugegeben. Doch kommt es an entsprechenden Stellen eines/Kühlkreises zu Ablagerungen von Borverbindungen und u.U. zu Verstopfungen.
Zur Regelung der Kritikalitätsverhältnisse in einer Anlage zur Wiederaufarbeitung bestrahlter Kernbrenn- und/oder Brutstoffe oder in einer Vorrichtung in einer solchen Anlage wird außer der bereits bei der Konstruktion von Vorrichtungen und Behältern zu berücksichtigenden speziellen Geometrie (Abmessungen, die bei den gegebenen Betriebsbedingungen noch Kritikalitätssicherheit bieten) den Prozeßlösungen lösliche Gadoliniumsalze zugemischt.
Diese bisher praktizierten Verfahrensweisen bzw. die bisher verwendeten Materialien brachten eine Reihe von Nachteilen mit sich. Beispielsweise muß ganz allgemein bei der Verwendung von Bor als Borverbindungen Sorge getragen werden, daß die durch die Folgereaktionen des Neutroneneinfangs freiwerdende Energie, ähnlich wie bei den Brennstoffelementen, abgeführt werden kann. Bei Verwendung von Cadmium entstehen zwar keine nennenswerten Energiemengen, dafür aber eine starke sr-Strahlung, die besondere Aufgaben an die Abschirmung stellt. Auch spielen die Korrosionseigenschaften der verwendeten Materialien eine große Rolle.
Bei der Verwendung der im primären Kühlkreislauf im Wasser geborhaltigen lösten Borsäure hat man es mit größeren Mengen/schwach bzw.
mittelaktiven wässrigen Abfalls zu tun. Die beim Alkalisieren von Abwässern entstehenden größeren Mengen von Natriumtetraborat (Na2B4O7> bringen bei der Abfallbeseitigung Schwierigkeiten mit sich.
Die Verwendung eines gelösten Gd-Salzes als Neutronengift im chemischen Ablauf der Wiederaufarbeitung bestrahlter Kernbrenn- und/oder Brutstoffe hat eine unerwünschte Anreicherung von in der Abfallösung gelösten Substanzen zur Folge, die als Ballaststoffe bei der Verfestigung der hochaktiven Abfallösungen auftreten. Bei der Verfestigung der hochaktiven flüssigen Abfälle in Glas hat man mit Konzentrationen an Gd203 bis zu 10 Gew. % zu rechnen, was zudem noch die Aufnahmefähigkeit des Glases für Spaltproduktoxide beschränkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,wirksamereMaterialien zu finden, die in Kernreaktoren und anderen kerntechnischen Anlagen und Vorrichtungen anwendbar sind und Kritikalitätssicherheit gewährleisten. Diese Materialien sollen gute mechanische, chemische und thermische Beständigkeit aufweisen und durch Variierbarkeit der Konzentration der neutronenabsorbiercnden Substanz im Material in weitem Anwendungsbereich mit vorbestimmter Höhe der Neutronenabsorption eingesetzt werden können.
Das heißt, das Material soll sowohl bei niedrigem als auch bei hohem Gehalt an neutronenabsorbierender Substanz mit Ausnahme der Neutronenabsorption praktisch die gleichen Eigenschaften aufweisen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung von gadoliniumhaltigen Gläsern, Glaskeramiken und Keramiken als Grundmaterial für in kerntechnischen Anlagen, Vorrichtungen oder Einrichtungen zur Kritikalitätssicherheit einsetzbare Formkörper. Das Grundmaterial läßt sich bei der Herstellung zu Elementen beliebiger Geometrie (Stäbe, Röhren, Platten etc.) formen.
Diese Elemente werden nach entsprechenden Berechnungen hergestellt und in Reaktorcores bzw. Vorrichtungen und/oder Behältern etc. von Wiederaufarbeitungsanlagen eingesetzt. Das Gd wird als Gd2O3 in Glas, Glaskeramik bzw. Keramik inkorporiert und thermisch fixiert. Nachstehende Tabelle zeigt einen Vergleich der einzelnen Neutronenabsorbenten. Daraus ist der Vorteil des Gadoliniums klar ersichtlich: Element Gew. - %-Gehalt n-Wirkungsquerschnitt Reaktion im natürlichen (barn) Gemisch 10B 19,8 3,836 o 103 113Cd 12,3 1,991 . 104 115In 95,72 2,02 . 102 155Gd 14,9 6,1 . 104 (n #) 157Gd 15,7 2,54 105 (n,ji) Das natürliche Gemisch von Gadoliniumisotopen, das zu über 30 Gew.-% die Isotope 155Gd und 157Gd enthält, ist nach den bisherigen Kenntnissen das wirksamste Neutronengift und kann in beliebigen, jeweils den speziellen Erfordernissen des Verwendungsortes entsprechenden Konzentrationen in chemisch, thermisch und mechanisch beständige Formen aus Glas-, Glaskeramik- oder Keramik-Material inkorporiert werden.
Werden als Grundmaterial für den genannten Zweck Gläser verwendet, so wird erfindungsgemäß folgende Zusammensetzung bevorzugt SiO2 35 bis 40 Gew.-% TiO2 0 " 3 Al 203 2 B203 0 bis 10 CaO bis 20 mit maximal 15 " Gd203.
Wird es als vorteilhaft angesehen, Glaskeramiken als Grundmaterial für den genannten Zweck zu verwenden, so weisen diese erfindungsgemäß die Zusammensetzung auf SiO2 40 bis 55 Gew.% TiO2 0 " 5 " Al2O3 O " 8 B203 ° " 8 8 MgO O bis 5 Gew.-% CaO o " 5 " BaO O n 5 Alkalioxide " 16 mit maximal 20 " Gd203.
Bei Verwendung von bor- und lithiumfreien Keramiken als Grundmaterial für den genannten Zweck ist erfindungsgemäß folgende Zusammensetzung von Vorteil SiO2 38 bis 58 Gew.-% TiO2 O " 2 " Al2O3 O " 2 " MgO O " 5 " Alkaloxide " 20 " mit maximal 30 " Gd203.
Erfindungsgemäß können auch Sinterkeramiken der Zusammensetzung SiO2 31,3 Gew.-% Al2O3 18,6 Gew. - % mit mehr als 50 Gew. - % Gd 203 als Grundmaterial für den genannten Zweck verwendet werden.
Die Vorteile der Gd2O3-haltigen Materialien sind aus ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften abzuleiten. - Aufgrund des Gehaltes an 10B im natürlichen Bor und der B2O3-Konzentration im Glas sind in 1 g Glas ca. 3,36. 1020 10B-Kerne enthalten.
Da der gemittelte Wirkungsguerschnitt für den n, α-Umwandlungs-Prozess bei 3836 barn liegt, beträgt somite der Wirkungsquerschnitt von 1 Gramm Glas etwa 1,20 cm2. Aktivitätsberechnungen für "Vergiftungsspinnen" aus dem Reaktor:ore (Borosilikatglashüllen, h = 3,5 m, außen = 10 mm, innen = 5 mm) erbrachten Werte für Tritium, die zwischen 300 und 400 Ci pro Hülle liegen.
Beim Verpacken, d.h. beim Zerschneiden bzw. Brechen, der Borosilikat-Glasstäbe für die spätere Abfallagerung wird > 1 % der errechneten Tritiumaktivität freigesetzt und wirft bei der Beseitigung des aus den bestrahlten Borosilikat-Glashüllen entstandenen radioaktiven Abfalls zusätzliche Probleme auf.
Im Falle der Verwendung einer Matrix, die kein Bor, sondern nur Gd als Neutronenabsorptionjszusatz enthält, entfällt die unerwünschte He- und 3H-Bildung, da die Neutronenabsorption bei Gd einen n. #-Prozess hervorruft Einem Borosilikatglas mit 9,8 Gew.-t an B203 entspricht, was die Neutronenabsorption betrifft, eine Gd203-Matrix mit ca. 0,8 Gew.-% an Gd203. Eine Inkorporierung von Gd203 in eine Glas-, Glaskeramik köder Keramikmatrix, die kein Bor enthält, ist in diesem Fall nicht schwierig, da diese Matrices bis zu 25 - 30 Gew.-% an Cd 203 aufnehmern können.
Das Borosilikatglas bestimmter Zusammensetzung kann zusätzlich ca. 15 Gew.-e an Gd203 aufnehmen, mehr gilt für die Glaskeramik und noch mehr für die Keramik. Von den einzelnen Gd-Isotopen errechnen sich dann folgende Neutronenwirkungsquerschnitte pro Gramm Glas: Gd-155 . . . . . . . 4,54 cm2 Gd-157 . . . . . . . 19.9 cm² Für ein Borosilikatglas mit 10 % B2O3 und 15 % Gd2O3 bedeutet das eine Zunahme der Neutronenabsorption um einen Faktor 13,6.
Regelstäbe im Reaktorcore aus solchem Material erhalten dann eine besondere Bedeutung, wenn ein schnelles Abschalten des Reaktors gefordert wird.
Die Verwendung von Regelstäben aus Gd-haltigen Glas-, Glaskeramik- bzw. Keramikmatrix, in denen die Gd-Konzentration nach Bedarf in weiten Grenzen variabel ist, ermöglicht eine feine Regelung der Kritikalitätsbedingungen im Core und kann die Zugabe der Borsäure, bzw. Natriumtetraborats zum Wasser des primären Kühlkreises des Reaktors eliminieren, was wiederum das Entstehen der radioaktiven borhaltigen Abfallösungen aus dem Reaktorbetrieb ausschließt.
Durch den Einbau der Gd-haltigen Elementen in Reaktion- bzw.
Aufbewahrungsbehältern für Lösungen mit Spalt stoffen entfällt die Belastung der hochradioaktiven Lösungen mit Gd-Salzen, die bei der Wiederaufarbeitung der bestrahlten Kernbrennstoffe entstehen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verwendung von gadoliniumhaltigen Gläsern, Glaskeramiken und Keramiken als Grundmaterial für in kerntechnischen Anlagen, Vorrichtungen oder Einrichtungen zur Kritikalitätssicherheit einsetzbare Formkörper.
2. Verwendung von Gläsern der Zusammensetzung SiO2 35 bis 40 Gew.-% TiO2 O " 3 Al2O3 O " 2 B2O3 O " 10 CaO " 20 mit maximal 15 " Gd203 als Grundmaterial für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
3. Verwendung von Glaskeramiken der Zusammensetzung SiO2 40 bis 55 Gew.-% TiO2 0 " 5 A1203 0 " 8 B2O3 O " 8 MgO O " 5 CaO 0 " 5 5 BaO O " 5 Alkalioxide " 16 mit maximal 20 " Gd2O3 als Grundmaterial für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
4. Verwendung von bor- und lithiumfreien Keramiken der Zusammensetzung SiO2 38 bis 58 Gew. - % TiO2 o " 2 Al2O3 O " 2 MgO O " 5 Alkalioxide " 20 mit maximal 30 " Gd2O3 als Grundmaterial für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
5. Verwendung von Sinterkeramiken der Zusammensetzung SiO2 31,3 Gew. - % Al2O3 18,6 Gew. - % mit mehr als 50 Gew.-* Gd203 als Grundmaterial für den in Anspruch 1 genannten Zweck.