DE3042424C2

DE3042424C2 -

Info

Publication number: DE3042424C2
Application number: DE3042424A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 7515 Linkenheim De Ondracek
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1980-11-11
Filing date: 1980-11-11
Publication date: 1988-02-04
Also published as: FR2494023A1; GB2089101B; US4705577A; DE3042424A1; GB2089101A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Kernbrennstoffelements für Hochflußreaktoren mit über 50 Gew.-% UAl₄ im aluminiummatrixfreien Brennstoff kern, das mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung um hüllt wird.

Wenn die Verfügbarkeit über hoch-angereichertes Uran, das für die Herstellung von Kernbrennstoff-Elementen verwendet wird, nicht mehr gewährleistet ist, so müssen Atomkernreaktoren, beispielsweise Forschungsreakto ren (einschließlich der Materialprüfreaktoren) auf Kernbrenn stoffe mit niedrig-angereichertem Uran umgerüstet werden. Um eine solche Umrüstung sinnvoll und wirt schaftlich ohne allzu großen Aufwand durchführen zu können, sind Überlegungen und Untersuchungen im Gange, wie man von Kernbrennelementen mit ca. 90%iger An reicherung, d. h. 90% U-235 im Uran-Anteil, zu Brennelementen mit niedrig- angereichertem Uran, d. h. einer Anreicherung unter 20% an U-235 im Uran-Anteil, kommen kann, ohne eine allzu große Leistungsminderung während des bestimmungsgemäßen Reaktorbetriebs in Kauf nehmen zu müssen. Wenn die Anreicherung von 90 auf 20% U-235 reduziert wird, kann die Re aktorleistung nur dann beibehalten werden, wenn eine entsprechende Erhöhung der Urandichte im Brenn stoff erreicht werden kann. Es wurde hierzu errechnet, daß für Reaktoren mit niedriger Leistung (beispielsweise zwischen 1 Watt und 10 KW_th) eine Urandichte im Brenn stoff bis zu 2,4 g U/cm³, für Reaktoren mit mittlerer Leistung eine solche bis zu 3,3 g U/cm³ und für Reaktoren mit hoher Leistung eine solche bis zu 5,75 bzw. 7,03 g U/cm³ erreicht werden müßte. Für die Umrüstung mit niedrig ange reichertem Uran wurden Plattenelemente vorgeschlagen.

Uran-Aluminium-Legierungen für Brennelemente in Plat tenform und ein Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus der gattungsbildenden DE-PS 11 18 471 bekannt. Der Gegenstand dieses Patentes zielt allgemein darauf ab, die Bildung von sprödem UAl₄ in Uran-Aluminium-Legierungen zu unterdrücken.

Die möglichst vollständige Un terdrückung einer Bildung von UAl₄ in einem Uranalumini nid-Kernbrennstoff war bisher deshalb wünschenswert, weil die Eigenschaften des UAl ₄ für die weitere Verar beitung des Kernbrennstoffs große Probleme aufwerfen. Beispielsweise ist UAl₄ hart und spröde, zeigt ein orthorhombisches Gitter und läßt sich nicht zu Platten walzen. Wird wie es üblich ist und auch aus der DE-PS 11 18 471 hervorgeht, der Uranaluminid-Brennstoff durch Aufschmelzen der Bestandteile an Uran und Aluminium und durch Gießen eines Blockes hergestellt ohne Zusatz elemente, so wird beim nachfolgenden Warmwalzen mit bis zu 55 Gew.-% so viel UAl₄ gebildet, daß im Brennstoff Brüche auftreten. Eine gleichmäßige und homogene Verteilung des Urans im Brennstoff ist aber eine der Voraussetzungen für ein funktionsfähiges Kernbrennstoff-Element.

Um diese Probleme zu vermeiden nach DE-PS 11 18 471 werden bis zu 20 Atomprozent eines Elementes aus der Gruppe Si, Ti, Ge, Zr, Sn, Pb, In, Tl, Fe, Nb und Ga, bezogen auf das Fertigprodukt, als zusätzliche Komponente eingesetzt. Die Anwesenheit von mehr als 0,5 Atomprozent irgendeines der genannten ternären Zusatzelemente führt zu einer UAl₃-Konzentration von mehr als 20 Gewichtsprozent und einer UAl₄-Konzentration von weniger als 42 Gewichtsprozent. Wird der Anteil der Zusatzelemente erhöht, so verringert sich der UAl₄- Gehalt. Bei Anwesenheit von mehr als 1,2 Atomprozent an einem bevorzugten Zusatzelement erhält man eine Le gierung, deren UAl₃-Konzentration mehr als 60 Gewichts prozent und deren UAl₄-Gehalt weniger als 8 Gewichts prozent beträgt. Die Anwesenheit von 5 Atomprozent und mehr des bevorzugten Siliciums führt zur vollständigen Unterdrückung des UAl₄ und zu einer UAl₃-Konzentration von 65 Gewichtsprozent.

Ein gut verformbarer, insbesondere gut auswalzbarer Uranalu minid-Aluminium-Dispersionskernbrennstoff, bestehend aus ei ner homogenen Verteilung eines vorzugsweise einzigen Uran aluminids der allgemeinen Formel UAl_x in einer dieses Uran aluminid kontinuierlich umgebenden Aluminium-Matrix, wobei x nicht größer als 3 sein soll, ist aus der DE-OS 18 09 924 bekannt.

Zwar wird dort erwähnt, daß man aus zuvor hergestellten stöchiometrischen UAl₃-Pulverpartikelchen einer bestimmten Korngröße herstellen und dieses Pulver mit Aluminiumpulver mischen, verpressen und zu UAl₃-Al-Dispersionskernbrennstoff verarbeiten kann, doch kann in diesem Falle nur ein Kern brennstoff erhalten werden mit maximal 50 Gew.-% UAl₃, wobei der Rest Aluminium- Matrixmaterial ist (Seite 6 der DE-OS 18 09 924, letzter Absatz). Daß beim späteren Einsatz eines solchen Kernbrenn elementes im Reaktor eine Nachreaktion des UAl₃ mit dem dieses allseitig umgebenden Aluminium zu UAl₄ stattfinden kann, wird dort ebenfalls erwähnt. Die in der Offenlegungsschrift ge nannten Dispersionskernbrennstoffe können aber nicht für plattenförmige Kernbrennstoffelemente mit niedrig angerei chertem Uran für Hochflußreaktoren Verwendung finden, da ihr Urangehalt zu niedrig ist.

Schließlich wurde die Verwendung von UAl₄-Al-Dispersions- Kernbrennstoffen mit 50 Gew.-% Uran beschrie ben (Nuclear Reactor Fuel Elements, Ed. A.R. Kaufmann (1962) New York-London, S. 61-62), bei welchen die harten, spröden UAl₄-Teilchen in der duktilen Al-Matrix verteilt sind, doch ist hierbei ein praktisches Limit für den Volu menanteil an spröder Phase zu beachten, da bei dessen Über schreitung Brüche oder Risse in der Legierung während der Heiß- oder Kaltbearbeitung auftreten.

Es ist also nicht möglich, zunächst schmelz- oder pul vertechnologisch UAl₄ herzustellen und dieses dann über die Bilderrahmentechnik zu Kernbrennstoffplatten zu verarbeiten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren zur Herstellung eines plattenförmigen Kernbrennstoff- Elementes für Hochflußreaktoren auf Uranaluminid-Basis mit niedrig-angereichertem Uran als spaltbarem Material bereitzustellen, um somit die Nachteile der Anrei cherungsreduzierung von hochangereichertem Brennstoff (90% U-235 im Uran-Anteil) auf niedrig-angereicherten Brennstoff (20% U-235 im Uran-Anteil) vollständig kompensieren zu können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch folgende Verfahrensschritte

a) inniges Mischen von Pulver aus bis zu 20 Gew.-% mit U-₂₃₅ angerei chertem Uran mit Aluminiumpulver in einem Gewichtsver hältnis von Uran zu Aluminium zwischen 1,1 U : 1 Al und 2,2 U : 1 Al,
b) Vorpressen dieses Gemisches bei Raumtemperatur mit einem Druck von 300 MPa bis 500 MPa zu einem plattenförmigen Grünling,
c) Einsetzen des Grünlings in einen Aluminium- oder Alumi niumlegierungsbilderrahmen und Verschweißen mit diesem im Vakuum,
d) Walzen des Bilderrahmens in drei Walzstichen bei einer Temperatur von 800 ± 25 K, wobei während des ersten und zweiten Stiches jeweils eine Dickenabnahme von ca. 30% und während des dritten Walzstiches eine Dickenreduzie rung um ca. 15% erreicht wird,
e) Fixieren und Einspannen der Platte mit Rahmen nach dem dritten Walzstich zwischen zwei Blechen und abschlie ßendes Wärmebehandeln bei 800 ± 25 K mindestens während einer Dauer von 75 Stunden zur Bildung von mehr als 50 Gew.-% UAl₄ im Plattenkern.

In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Partikelgröße von Uranpulver zwischen 0,1 Mikrometer bis 90 Mikrometer und die Partikelgröße von Aluminiumpulver zwischen 0,1 Mikrometer und 100 Mikrometer.

Vorteilhafterweise bestehen die Bleche, zwischen denen die ausgewalzte Platte eingespannt wird, aus Molybdän.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also die Kernbrennstoffplatte im wesentlichen gefertigt, bevor so viel UAl₄ gebildet worden ist, daß die Walzbarkeit unmöglich wird, aber dennoch eine Al-umhüllte Platte nach der abschließenden Glüh behandlung mit letztlich hohem Gewichtsprozentanteil an UAl₄ bzw. mit praktisch reinem UAl₄ als soge nanntem Meat (das ist der Kernbrennstoff innerhalb des Rahmens und innerhalb der Platte) zu erhalten. Auf diese Weise wird durch den Ersatz der Al-Matrix in den bisher bekannten UAl_x-Al-Dispersionen durch UAl₄ praktisch die Möglichkeit einer vollständigen Kompensation der Anreicherungsreduzierung von 90 auf 20 At.-Prozent U-235 erreicht. Da UAl₄ bekanntermaßen eine hohe Defektstellenrate im Kristallgitter aufweist und daher ein gewisser Gitterraum für gasförmige Spaltprodukte vorhanden ist, zeigt ein UAl₄-Brennstoffelement wenig Neigung zum Schwellen durch die Bildung von Spaltprodukten während der Standzeit des Brennele mentes im Kernreaktor, vgl. J. Nul. Mat, Bd. 56 (1975) S. 251-259.

Die angegebene Mindestdauer von 75 Stunden für die abschließende Glühbehandlung gewährleistet einen Umsatz des Uran- und Aluminiumpulvergemisches zu über 50 Gewichtsprozent zu UAl₄. Dieser Umsatz erhöht sich mit zunehmender Zeitdauer dieser Glühbehandlung. Da jedoch die UAl ₄-Bildung während des Einsatzes des Brennelementes im Reaktor fortschreitet, ist das Aus dehnen der Glühbehandlung bis zur vollständigen Um setzung zu UAl₄ für das erfindungsgemäße Verfahren nicht mehr unbedingt erforderlich bzw. wesentlich.

Die wesentlichsten Vorteile einer UAl₄-Brennstoffplatte sind darin zu sehen, daß das Betriebsverhalten unter Bestrahlung verhältnismäßig gut ist, daß das UAl₄ mit den Aluminiumhüllen nicht weiter reagieren kann, und daß bei der Wiederaufarbeitung des verbrauchten Brenn elementes keine Probleme durch zusätzliche Elemente außer Uran und Aluminium geschaffen werden. Volumener weiterungen der Brennstoffplatten bzw. Plattendeforma tionen während der Brennelementstandzeit im Reaktor werden durch das UAl₄-Brennstoffelement weitgehend reduziert.

Im folgenden wird die Erfindung durch ein Ausführungs beispiel näher erläutert.

Beispiel

7,6 g Uranpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 30 µm und 5,6 g Aluminiumpulver einer mittleren Teilchen größe von 50 µm wurden in einem Taumelmischer mit Plas tikeinsätzen bei 70 Umdrehungen/min über eine Stunde lang gemischt. Wegen der Pyrophorität des U-Pulvers wurde in einer Gasreinigungsbox gearbeitet. Das Pulvergemisch wurde danach bei 300 MPa und Raumtemperatur zu einer 2,5 mm dicken Platte gepreßt. Anschließend wurde der Preßling in einen Al-Bilderrahmen mit Al-Boden- und Deck folien eingesetzt und in einer Schweißbox im Vakuum mit dem Rahmen verschweißt. Das Walzen wurde in 3 Stichen ausgeführt, wobei beim 1. und 2. Walzstich jeweils 1 mm Dickenabnahme erzielt wurden und beim 3. Walzstich noch mals eine Dickenreduzierung von 15%. Danach betrug die Dicke der Platte 1,3 mm. Die Walztemperatur lag bei 800 ± 25 K, die Aufheizzeit des Bilderrahmens vor dem 1. Walzstich betrug ca. 10 min. Nach dem 3. Walzstich wurde die Platte mit Rahmen auf ein Molybdän-Blech gelegt, mit einem weiteren Molybdän-Blech bedeckt und fixiert. In einer Spannvorrichtung aus Stahl wurde die fixierte Platte bei 800 ± 25 K 100 Stunden lang einer Glühbehandlung unter zogen. Röntgenaufnahmen und Glühbilder der Platte zeigten einen gleichmäßigen und homogenen Aufbau ohne Riß- oder Blasenbildung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Kernbrenn stoffelements für Hochflußreaktoren mit über 50 Gew.-% UAl₄ im aluminiummatrixfreien Brennstoffkern, das mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umhüllt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) inniges Mischen von Pulver aus bis zu 20 Gew.-% mit U₂₃₅ angerei chertem Uran mit Aluminiumpulver in einem Gewichtsver hältnis von Uran zu Aluminium zwischen 1,1 U : 1 Al und 2,2 U : 1 Al,
b) Vorpressen dieses Gemisches bei Raumtemperatur mit einem Druck von 300 MPa bis 500 MPa zu einem plattenförmigen Grünling,
c) Einsetzen des Grünlings in einen Aluminium- oder Alumi niumlegierungsbilderrahmen und Verschweißen mit diesem im Vakuum,
d) Walzen des Bilderrahmens in drei Walzstichen bei einer Temperatur von 800 ± 25 K, wobei während des ersten und zweiten Stiches jeweils eine Dickenabnahme von ca. 30% und während des dritten Walzstichs eine Dickenreduzie rung um ca. 15% erreicht wird,
e) Fixieren und Einspannen der Platte mit Rahmen nach dem dritten Walzstich zwischen zwei Blechen und abschlie ßendes Wärmebehandeln bei 800 ± 25 K mindestens während einer Dauer von 75 Stunden zur Bildung von mehr als 50 Gew.-% UAl ₄ im Plattenkern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße von Uranpulver zwischen 0,1 Mikrometer bis 90 Mikrometer und die Partikelgröße von Aluminiumpulver zwi schen 0,1 Mikrometer bis 100 Mikrometer liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche, zwischen denen die ausgewalzte Platte einge spannt wird, aus Molybdän bestehen.