DE3144755A1 - Formkoerper zur einbindung von abgebrannten kernbrennstoffstaeben und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Formkoerper zur einbindung von abgebrannten kernbrennstoffstaeben und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
3H4755 81 231 KN
N u k e m GmbH
6^50 Hanau 11
Formkörper zur Einbindung von abgebrannten
Kernbrennstoffstäben und Verfahren zu seiner Herstellung
]0 Die Erfindung betrifft einen zylindrischen oder polygonalen Formkörper aus Graphit und Nickelsulfid zur
sicheren Langzeiteinbindung von abgebrannten Kernbrennstoffstäben
in Originalform oder verformter Gestalt und ein Verfahren zur Herstellung solcher Formkörper.
Abgebrann te Brennelemente aus Kernreaktoren müssen nach einer gewissen Zeit der Zwischenlagerung einer Endbeseitigung
zugeführt werden. Veitweit wurden dazu zwei Vege untersucht, nämlich die Wiederaufarbeitung der
j* Brennelemente mit Rückführung der Brennstoffe in die
Brennelementfertigung sowie Abtrennung und Endlagerung
der Spaltprodukte (hochaktiver Abfall) und alternativ die direkte Endlagerung der abgebrannten Brennelemente.
In jedem Fall entsteht hochaktiver Abfall, der 1000
or Jahre und mehr sicher in geeignete geologische Formationen
eingelagert werden muß.
Zum sicheren Langzeit-Einschluß solcher abgebrannter
Brennelemente sind zahlreiche Behältertypen vorgeschlagen worden, die die geforderten Bedingungen, wie dichter
Einschluß bei den auftretenden Drücken und Temperaturen oder Korrosionsfestigkeit gegen Salzlaugen, gut erfüllen.
Als Behältermaterial werden vielerlei metallische und nichtmetallische Werkstoffe verwendet.
Da Graphit eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit besitzt, ist vorgeschlagen worden (DE-OS 29 hz 0$Z),
Behälter mit einer Korrosionsschutzschicht aus Graphit
zu versehen. Da Graphitformkörper der für die Aufnahme eines Brennelementes notwendigen Abmessungen bisher weder
gas- noch flüssigkeitsdicht herzustellen sind, ist eine
anschließende Beschichtung mit Pyrokohlenstoff oder Si-'0
liciumkarbid vorgesehen. Nach dem Einfüllen des Brennelements soll der beschichtete Behälter mit einem gleichermaßen
beschichteten Deckel gas- und flüssxgkeitsdicht verschlossen werden. Hierbei sollen Graphitdichtungen
bzw. geeignete Klebemittel zum Einsatz kommen. Ein wesentlicher Nachteil dieses Behälterkonzepts ist der ausserordentlich
hohe technische Aufwand, der für die Herstellung und Beschichtung solcher Behälter mit großen
Abmessungen notwendig ist. Außerdem lassen sich so große Formkörper nicht mit den geforderten Qualitätsansprüchen
beschichten.
Es ist auch bekannt, zur Einbindung von radioaktiven
und toxischen Abfällen Formkörper aus einer Kohlenstoffmatrix herzustellen"(DE-OS 2° 17 ^37)» indem man die Abfälle
mit einem Gemisch aus Graphitpulver und einem Bindemittel bei höheren Temperaturen presst. Als Bindemittel
verwendet man hierbei vorzugsweise Nickelsulfid. Solche Formkörper sind sehr dicht und besitzen eine gute
Korrosions- und Auslaugebeständigkeit, insbesondere gegenüber
Salzlösungen.
In der DE-OS 28 18 781 wird ein Verfahren zur umweltsicheren
Lagerung von abgebrannten Kernbrennstoffstäben beschrieben, bei dem die Kernbrennstoffstäbe gebogen
und die so erhaltenen Pakete in einen Schutzbehälter untergebracht werden. Vorzugsweise werden dabei die
31U755
Kernbrennstoffstäbe U-förmig oder zu einer aufgewickelten
Rolle verfortnt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß man Behälter benötigt und die Wärmeabfuhr von den
Kernbrennstoffstäben nach außen relativ schlecht ist.
Es ist auch bekannt, die verformten Kernbrennstoffstäbe
mit Tonerde und einem dünnen Stahlmantel isostatisch zu einem Block zu verpressen (Sprechsaal 113 (ΐ°·80')ι
753-766), der endgelagert werden kann. Auch hier ist jedoch das Problem der Wärmeabfuhr nicht optimal gelöst.
Außerdem ist die mechanische Integrität nicht für ..,. alle denkbaren Einlagerungsfälle ausreichend.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zylindrische
oder polygonale Formkörper aus Graphit und Nickelsulfid zur sicheren Langzeit-Einbindung von abgebrannten
Kernbrennstoffstäben in Originalform oder
in verformter Gestalt zu schaffen, die eine gute Wärmeabführung
gewährleisten, eine gute Korrosions- und Auslaugebeständigkeit besitzen und eine hohe mechanische
Integrität aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der Formkörper im Kopf- und Fußbereich Ankerplatten und in kernbrennstoffstabfreien Zonen im Innern parallel
zur Hauptachse des Formkörpers in den Ankerplatten
befestigte Metallstäbe enthält.
30
30
Für die Ankerplatten und die Metallstäbe kann man alle üblichen Materialien verwenden, vorzugsweise benutzt
man jedoch Stahl.
- k -
Es ist vorteilhaft, Metallstäbe mit einer makroskopisch,
rauhen Oberfläche zu verwenden, um die mechanische Bindung zwischen Graphlt/Nickelsulfid-Matrix und den
Stäben zu verbessern.
Als vorteilhaft hat es sich auch herausgestellt, wenn der Formkörper das Nickelsulfid überwiegend in Form
^O von Ni_S„ enthält. Dadurch wird die Korrosions- und
Auslaugebeständxgkext weiter erhöht. Die Formkörper
enthalten im allgemeinen als Matrixwerkstoff 10 bis 75 Gew.# Graphit und 25 - 90 Gew.# Nickelsulfid, vorzugsweise
mindestens 80 $ davon in Form von Ni^S .
j 2 Die erfindungsgemäßen Formkörper besitzen eine außerordentlich
hohe mechanische Integrität, so daß die durch das Endlager vorgegebenen Anforderungen restlos
erfüllt werden.
Die Herstellung dieser Formkörper erfolgt vorzugsweise dadurch, daß in eine Matrize zuerst ein Matrixpulver
aus Graphit, Nickel und Schwefel, darin eine Ankerplatte mit daran befestigten Metallstäben, anschließend die
verformten oder unverformten Kernbrennstoffstäbe zusammen
mit Matrixpulver, eine weitere Ankerplatte mit daran befestigten Metallstäben und abschließend nochmals
Matrixpulver eingebracht und bei Temperaturen oberhalb 100 C gepresst wird, wobei die Matrix im Be-
3Q reich der eingelagerten Kernbrennstoffstäbe vor dem
Pressen vorverdichtet wird und die Metallstäbe auf den Ankerplatten nur in Bereichen angebracht werden, oberhalb
bzw. unterhalb derer sich keine Kernbrennstoffstäbe befinden. Vorteilhafterweise erfolgt das Pressen
bei Temperaturen zwischen 400 und 500 C.
31 /π A7
Die Ankerplatten werden hierbei so eingepresst, daß die Metallstäbe innerhalb der kernbrennstoffstabfreien
Zentral- und Randbereiche bei der Verdichtung aneinander vorbeigleiten und sich in der aushärtenden Matrix
verankern. Dadurch wird die mechanische Integrität des Formkörpers -insbesondere bei Zug- und Biegebeanspruchung-
wesentlich erhöht, sodaß es möglich ist, die Kernbrennstoff stäbe in beliebiger Form (z.B. gewickelt, geknickt
oder in Originalabmessungen)einzubinden.
Vorteilhafterweise werden die Kernbrennstoffstäbe zu
scheibenförmigen Spiralen verformt, wobei man einen Zentralbereich von vorzugsweise ^- 80 mm Durchmesser
freiläßt. Bei der Herstellung dieser Brennstabspiralen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Windung-sabstand
έ 6 mm zu halten.
Die Verdichtungsverhältnisse der Matrix in den kernbrennstoff stabhaltigen und-freien Bereichen werden so
aufeinander abgestimmt, daß die Restverformbarkeit in beiden Bereichen gleich groß ist. Dadurch gelingt es,
eine gleichmäßige integrale Dichte über der gesamten Formkörperlänge zu erzielen.
Neben einer Vielzahl von Kernbrennstoffstäben lassen
sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise
auch einzelne Brennstabspiralen in die Graphit-Nickelsulfid-Matrix
einbinden. Solche Scheiben können in einem für die Endlagerung geeigneten Behälter
übereinandergestapelt werden, so daß sie je nach Bedarf leicht rückholbar oder auch endlagerfähig
sind. Zur leichteren Rückholbarkeit können die Scheiben
mit einem zentralen Greifloch versehen sein.
Neben intakten Kernbrennstoffstäben können auf diese
Weise auch kontaminierte Kernbrennstoffstabhüllen ein-
gebunden werden.
Die Abbildung I zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen
Formkörper in beispielhafter Ausführungsform im
Längsschnitt, Abbildung II einen Kernbrennstoffstab in
'0 Spiralform.
Der Formkörper enthält im Kopfbereich (2) und im Fußbereich (3) je eine Ankerplatte (i), auf denen Metallstäbe
(k) befestigt sind, und zwar nur auf den Bereichen der Ankerplatten (1), zwischen denen sich beim Pressen
des Formkörpers keine Kernbrennstoffstäbe (5) befinden.
Die Kernbrennstoffstäbe (5) werden daher vorzugsweise
zu scheibenförmigen Spiralen (6) mit einem stabfreien Zentrum (7) verformt, sodaß die Metallstäbe (4) neben
dem Außenbereich des Formkörpers auch im Zentrum angeordnet werden können.
Anhand der folgenden Beispiele sollen die erfindungsgemäßen
Formkörper und das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert werden.
Als Ausgangspulver für die Matrix wurde eine Mischung
aus 43,7 Gew.-96 feingepulvertem Naturgraphit, I5
feingemahlenem Schwefel und 41 ,3 Gew.-9ε Nickelmetallpulver
durch Trockenmischen hergestellt. Die Kernbrenn stoffstäbe hatten einen Innendurchmesser von 8 mm und
waren mit gesinterten UO„-Pellets mit einer Dichte von
10,4 g/cm gefüllt. Die einzelnen Kernbrennstoffstäbe
werden in geeignete Stahlrohre gesteckt und diese beid seitig dicht verschlossen. Die an einem Ende einge-
I I''-"- 3 1 4 A 7 5
ί
Kernbrennstoffstäbe wurden mit Hilfe einer Merssu geeigneten Vorrichtung zu Spiralen mit einem
maximale» äußeren Winduxxgsabstand von ^ 6 mm und einem
Durchmesser von ca, 26o mm aufgewickelt,
Zvm Einbinden der Spiralen wurde in eine Stahlmatr.ize
mit 300 mm Durchmesser eine Schicht aus Matrixpulver '^ eingefüllt, diese kalt vorverdichtet und darauf eine
Ankerplatte mit 5 Metallstäben (3 an der Peripherie, Z im Innern) gelegt. Auf die Ankerplatte wurde eine
weitere -10 mm dicke- Matrixpulverschicht aufgebracht. Darauf wurde eine Kernbrennstoffstabspirale gelegt
und dann Matrixpulver in einer Höhe eingefüllt, die etwa der Schichtdicke einer Kernbrennstoffstabspirale
entsprach« Im Zentrum und im Randbereich der Spirale wurde der Matrixpulvergehalt durch zusätzliche Vorverdichtung
um ca. 30 ¥> angehoben. Zum Aufbau des Formkör-
pers wurden weitere 39 Spiralen gemäß dem beschriebenen
Arbeitsschritt schichtenweise übereinander angeordnet. Am oberen Ende der letzten Spirale wurde die zweite
Ankerplatte mit versetzt angeordneten Metallstäben eingesetzt. Oberhalb dieser Ankerplatte wurde weiteres
Matrixpulver eingefüllt- äquivalent der Menge, die zu Beginn des Prozesses unten eingefüllt wurde. Nach dem
Erwärmen auf I30 C erfolgte das Fertigpressen mit einem
Preßdruck von 50 MN/ra . Zur Umsetzung des Schwefel/
Nickel-Geraisches zum Ni0S0 wurde die Temperatur bei an-
, 3- *
haltenden Druck auf 45Ο C angehoben. Nach dem Abkühlen
auf 3OO C wurde der Formkörper ausgestoßen.
- 8
3U4755
Der fertiggepreßte Formkörper hatte folgende
Eigenschaft:
φ = 300 mm
H = 760 mm
Matrixdichte: 3»3 g/cm
Dichte: 97 % der theoretischen Dichte
Wärmeleitfähigkeit: 0,8 W/cra · K
Linearer thermischer
Ausdehnungskoeffizient:9,2 mm/m ·Κ ■ , 2 ■
Ausdehnungskoeffizient:9,2 mm/m ·Κ ■ , 2 ■
Druckfestigkeit: I07 MN/m
Beispiel 2t
20
20
Die Matrixpulverherstellung erfolgte analog dem Beispiel 1 . Etwa 5 π» lange eingekapselte Kernbrennstoffstäbe
wurden 20mal geknickt, so daß die Breite-bei ei ner Höhe von k^O mm - 250 mm betrug.
Das Einbinden der geknickten Brennstäbe erfolgte in
einer Vierkantmatrize. Nach dem Einfüllen der ersten Matrixpulverschicht und der Ankerplatte mit 2 außenliegenden
Metallstäben wurden 6 geknickte Kernbrennstoffstäbe angeordnet und der Zwischenraum mit Matrix-30
pulver ausgefüllt. Nach dem Einbringen der zweiten Ankerplatte mit versetzt angeordneten Metallstäben
wurde diese mit Matrixpulver überschichtet—äquivalent zu der Menge, die zu Beginn des Prozesses unten eingefüllt
wurde.
3HA755
Die Pressung erfolgte wie in Beispiel
Die Matrixeigenschaften des fertiggepreßten Fonnlcörpers
stimmen mit den Eigenschaften des in Beispiel 1 beschriebenen Formkörpers überein.
26.10,1981 Dr.Br-hnj
Leerseite
Claims (8)
- 81 231 KNN u k e m GmbH
6^50 Hanau 11Formkörper zur Einbindung von abgebrannten Kernbrennstoffstäben und Verfahren zu seiner HerstellungPATENTANS PRÜCHEΠ J Zylindrische oder polygonale Formkörper aus Graphit und Nickelsulfid zur sicheren Langzeit-Einbindung von abgebrannten Kernbrennstoffstäben in Originalform oder in verformter Gestalt, dadurch gekennzeichnet, daß er im Kopf- (2) und im Fußbereich (3) Ankerplatten (1) und in kernbrennstoffstabfreien Zonen im Innern parallel zur Hauptachse des Formkörpers in den Ankerplatten (1) befestigte Metallstäbe (h) enthält. - 2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstäbe (4) eine makroskopisch rauhe Oberfläche besitzen.
- 3. Formkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er das Nickelsulfid in Form von Ni_S enthält.
- h. Formkörper nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennstoffstäbe (5) zu scheibenförmigen Spiralen (6) verformt sind, die einen kernbrennstoffstabfreien Zentralbereich (7) mit einem Durchmesser von^-80 mm besitzen.
- 5. Formkörper nach Anspruch 1 bis kf dadurch gekennzeichnet, daß der Windungsabstand der scheibenförmigen Spirale (6) £ 6 mm beträgt.
- 6. Formkörper nach Anspruch 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß er nur eine scheibenförmige Spirale (6) eines Kernbrennstoffstabes (5) enthält.
- 7. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 1 bis 6, durch Pressen eines Gemisches aus Graphit, Nickel und Schwefel, in dem die Kernbrennstoffstäbe eingebettet sind, in einer Matrize bei Temperaturen oberhalb 100 C, dadurch gekennzeichnet, daß in die Matrize zuerst ein Matrixpulver aus Graphit, Nickel und Schwefel, dann eine Ankerplatte mit daran befestigten Metallstäben, anschließend die Kernbrennstoffstäbe zusammen mit Matrixpulver, eine weitere Ankerplatte mit daran befestigten Metallstäben und abschließend nochmals Matrixpulver eingebracht und gepresst wird, wobei das Matrixpulver im Bereich der eingebetteten Kernbrennstoffstäbe vorverdichtet wird und die Metallstäbe auf den Ankerplatten nur in Bereichen angebracht werden, ober- bzw. unterhalb derer sich keine Kernbrennstoffstäbe in der Matrix befinden.
- 8. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach An- ^ spruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß beim Fertigpressen Temperaturen von ^00 bis 5OO C angewendet werden.
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