DE3435863A1

DE3435863A1 - Verfahren zur herstellung von isotropen kugelfoermigen brenn- oder absorberelementen fuer hochtemperaturreaktoren

Info

Publication number: DE3435863A1
Application number: DE19843435863
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim 6464 Freigericht Becker; Werner 6464 Linsengericht Heit; Hans 6450 Hanau Huschka; Wilhelm 6463 Freigericht Rind
Original assignee: Hobeg Hochtemperaturreaktor Brennelement GmbH
Current assignee: Hobeg Hochtemperaturreaktor Brennelement GmbH
Priority date: 1984-09-29
Filing date: 1984-09-29
Publication date: 1986-04-03
Also published as: DE3435863C2; JPS6190087A; US4668444A

Description

⁵ 8h 182 KO

HOBEG Hochtemperaturreaktor-Brennelement GmbH D-6450 Hanau 11

Verfahren zur Herstellung von isotropen kugelförmigen Brenn·» oder Absorberelementen für Hochtemperaturreaktoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von weitgehend isotropen, kugelförmigen Brenn- oder Absorberelementen hoher Festigkeit für Hochtemperaturreaktoren durch Pressen eines Gemisches von Binder,harz enthaltendem

Graphitpreßpulver mit beschichteten Kernbrennstoff- oder Absorberpartikeln zu einem Kugelkern, Aufpressen einer Schale aus dem gleichen Graphitpreßpulver, Verkoken des Binderharzes und Vakuumglühen bis etwa 2000 C.

Kugelförmige Brenn- oder Absorberelernente für Hochtemperaturreaktoren bestehen aus einem sphärischen Kugelkern, in dem der nukleare Brennstoff oder das Absorbermaterial in Form von beschichteten Kernbrennstoff- oder Absorberpartikeln, eingebettet in einer graphitischen Matrix, vor-

liegt, sowie einer äußeren brennstoff- bzw» absorberfreien Schale, die diesen Kugelkern umschließt und aus dem gleichen Material besteht wie dessen graphitische Matrix.

Die Elemente werden, wie z.B. in der DE-PS 19 09 871 be-

schrieben, durch Pressen hergestellt, wobei zunächst der Kugelkern aus einem Gemisch von sogenanntem Graphitpreßpulver und den beschichteten Partikeln vorgepreßt wird und anschließend unter Verwendung dieses Graphitpreßpulvers

die brennstoff- bzw. absorberfreie Schale auf diesen Kern 35

aufgepreßt wird. Anschließend wird das Bindemittel des

Graphitpreßpulvers verkokt.

Von kugelförmigen Brenn- oder Absorberelementen -wird verlangt, daß die physikalischen bzw. mechanischen Eigenschaften des Matrixpraphits weitgehend isotrop sind. Als Maß für eine mögliche Ansiotropie wird üblicherweise der

Quotient des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, gemessen parallel und senkrecht zu bestimmten Vorzugsrichtungen, definiert. Hervorgerufen wird eine solche Anisotropie dadurch, daß Graphit normalerweise aufgrund seines Kristallaufbaues ein hochanisotroper Werkstoff ist, der nur dann makroskopisch isotrope Eigenschaften aufweist, wenn es gelingt, eine regellose statistische Verteilung der Graphitkörner bzw. der Kristallite zu erzeugen.

Insbesondere stellen Preßvorgänge, sofern sie nicht wei--15

testgehend isostatisch erfolgen, Techniken dar, die zu einer Vorzugsorientierung der Graphitkörner entsprechend der Vorzugsrichtung des Preßvorgangs und somit zu einer signifikanten Anisotropie der erzeugten Formkörper führen können.

Dieser Sachverhalt, anisotrope Eigenschaften der Graphitkörner auf der einen Seite und die Forderung nach isotropen Eigenschaften der aus diesen Graphitkörnern herzustellenden Elemente andererseits hat dazu geführt, daß die Formgebung kugelförmiger Brenn- oder Absorberelemente heute ausschließlich durch nahezu isostatische Preßverfahren erfolgt. Hierbei wird der Kugelkern in einer elastischen Form, in der Regel Silikonkautschukmaterial, vorgepreßt, ebenso wird die Schale in einer normalerweise 30

ebenfalls aus Silikonkautschuk bestehenden Form aufgepreßt. Diese Formen bewirken durch ihre Elastizität eine vorrangig radiale Druckverteilung und führen somit beim Pressen zu der gewünschten statistischen Verteilung der Graphitkörner, so daß der resultierende Formkörper weitest-' _A

gehend isotrope Eigenschaften aufweist.

/ 5

Andererseits zwingt die Verwendung dieser Preßformen infolge unzureichender Temperaturbeständigkeit dazu, den Preßvorgang bei niedriger Temperatur, in der Regel bei Raumtemperatur, durchzuführen, wodurch hohe Preßdrücke notwendig werden.

Um die bei hohen Preßdrucken bestehende Gefahr der Zerstörung von beschichteten Partikeln zu unterbinden, sind aufwendige Umhüllprozesse, wie z.B. in der DE-PS 19 09 871 beschrieben, oder speziell aufgebaute Preßmassen, wie z.B. in der DE-PS 23 48 282 beschrieben, erforderlich. Darüberhinaus begrenzt der hohe Preßdruck die Lebensdauer der Preßformen. Unabhängig von diesen mit dem Preßdruek verbundenen Problemen ist es notwendig, die Oberfläche des

ι"

Kugelkerns zu profilieren, damit zwischen dem Kugelkern und der aufgepreßten Kugelschale ein hinreichender Verbund entsteht, der verhindert, daß die Kugelschale weder während der notwendigen abschließenden Wärroebehandlungsschritte des Brenn- oder Absorberelementes, d.h. der notwendigen Verkokung des Bindemittels und einer oberhalb l600 C erfolgenden Reinigung und Entgasung, noch während der mechanischen Belastung im Reaktorbetrieb vom Kugelkern abplatzt« Diese Profilierung der Kugelkernoberfläche erfordert aber kompliziertere Preßwerkzeuge.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von weitgehend isotropen, kugelförmigen Brenn- oder Absorberelementen hoher Festigkeit für Hochtemperaturreaktoren zu entwickeln, durch Pressen eines Gemisches von Binderharz enthaltendem Graphitpreßpulver mit beschichteten Kernbrennstoff- oder Absorberpartikeln zu einem Kugelkern, Aufpressen einer Schale aus dem gleichen Graphitpreßpulver, Verkoken des Binderharzes und Vakuumglühen bis etwa 2000 C, wobei auf elastische Preßformen verzichtet werden sollte, eine spezielle Profilierung der Kugelkernoberfläche unnötig sein sollte und bei höheren Temperaturen vorgepreßt werden sollte.

/6

* Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Graphitpreßpulver ein Gemisch aus graphitierten Kokskörnern mit weitgehend isotropen Eigenschaften und einem aushärtbaren Binderharz verwendet wird, daß aus diesem ^ Graphitpreßpulver zuerst zwei ellipsoidförmige Schalenhälften nacheinander in einem ersten zylindrischen Stahlpreßgesenk mit glatter ellipsoider Höhlung des Unterstempels und dazu passender glatter ellipsoidförmiger Stirnfläche des Oberstempels bei 80 bis 120° C vorgepreßt wer-

¹^ den, daß anschließend aus einem Gemisch des Graphitpreßpulvers und beschichteten Partikeln in einem zweiten Stahlpreßgesenk mit ebenfalls glatter Oberfläche ein in die Schalenhälften passender ellipsoidrörmiger Kugelkern ebenfalls bei 80 bis i20° C vorgepreßt wird,_rwobei die Dichte

¹^ der Graphitmatrix in dem vorgepreßten Kern und in den vorgepreßten Schalenhälften zwischen 1,0 und 1,4 g/cm liegen muß, daß dann der Kern und die beiden Schalenhälften zu einem ellipsoidförmigen Körper zusammengestzt werden, und daß zuletzt dieser Körper in an sich bekannter Weise in einem dritten Stahlpreßgesenk mit halbkugelförmig ausgehöhltem Ober- und Unterstempel im plastischen Temperaturbereich des Binderharzes auf Endmaß fertiggepreßt und ausgestoßen wird,

Vorzugsweise wird als Graphitpulver graphitierter Steinkohl ensekundärpechkoks verwendet und so vorgepresst, daß die Dichte der vorgepressten Teile zwischen 1,1 und 1,3 g/cm liegt. Weiterhin ist es von Vorteil, beim Fertigpreßvorgang auf Endmaß die Temperatur so einzustellen, daß das Binderharz im Preßgesenk aushärtet und die fertiggepresste Kugel bei Preßtemperatur ausgestoßen werden kann. Außerdem hat es sich bewährt,die vorgepreßten Teile auf eine Temperatur dicht unterhalb der Fertigpreßtemperatur vorzuwärmen und sie in die ebenfalls vorgewärmte Preßform einzusetzen, wobei das Fertigpressen vorteilhafterweise mit einer schwimmenden Matrize erfolgt,

/7

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei Verwendung isotroper Graphitrohstoffe, wie z.B. Steinkohlensekundärpechkoks, der Preßvorgang so gestaltet werden kann, daß eine Oberflächenprofilierung des Kugelkern nicht erforderlich ist, sondern daß ausschließlieh glatte Preßwerkzeuge verwendet werden können, wenn die Diehte der vorgepreßten Teile im erwähnten Bereich zwischen 1,0 und 1,4 g/enr liegt. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß bei Verwendung dieser Graphitpreßpulver Elemente hinreichender Isotropie auch dann erreicht werden, wenn der Preßvorgang anisotropeindimensional in Stahlgesenken erfolgt. Eine besonders einfache Temperaturführung für den Preßvorgang ergibt sich bei der Verwendung von aushärtbaren Binderharzen. Eine

,_ Temperatur im plastischen Temperaturbereich des Binderharzes

(ca. 100 C) reicht dann aus, den Preßdruck so weit abzusenken, daß auf eine Partikelumhüllung gemäß DE-PS 19 09 oder auf spezielle Preßmassen gemäß DE-PS 23 48 282 zur Verhinderung von durch den Preßvorgang hervorgerufenen Schaden an den beschichteten Teilchen verziehtet werden

kann. Das Pressen in Stahlgesenken mit glatter Oberfläche bietet darüberhinaus den Vorteil« daß auf eine sonst übliche mechanische Nachbehandlung der Elemente zur Erzielung einer exakten Kugelform verzichtet werden kann.

Folgendes Beispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern:

Isotropes graphitiertes Steinkohlensekundärpeehkokspulver

wird im Verhältnis 4:1 bis 6 : 1 mit Phenolformaldehyd-30

harz versetzt, dem Harz werden zwischen 3 und 10 Gewichtsprozent Hexamethylentetramin als Härtungsmittel zugegeben. Aus dem so erzeugten Preßpulver werden bei erhöhter Temperatur (ca. 100 C) Halbsehalen mit einer Grünlingsdichte

von ca. 1,2 g/cnr vorgepreßt. Ein weiterer Teil des Preß-35

pulvers wird mit beschichteten Partikeln vermischt und zu Kugelkernen mit einer Grünlingsdichte von (bezogen auf die Preßpulverkomponente) ebenfalls ca. 1,2 g/enr vorgepreßt.

/8

Die Vorpreßteile werden auf ca. 80 C vorgewärmt, in der Fertigpreßmatrize assembliert und fertiggepreßt, wobei zur Aushärtung des Bindemittels die Temperatur unter Last auf Werte his zu 170 C angehoben wird. Nach dem Fertigpresse werden die Elemente in an sich bekannter Weise verkokt und abschi
glüht.

Werte bis zu 170 C angehoben wird. Nach dem Fertigpressen abschließend bei Temperaturen bis 2000° C im Vakuum ge-

Die so erzeugten Elemente weisen eine im Schnitt 10-20 % höhere Zerdrückfestigkeit auf als konventionell hergestellte Elemente. Im Fall der Verwendung schwimmender Matrizen liegt die Anisotropie der Elemente, definiert als Quotient des linearen thermischen Ausdehnungskoeffizenten parallel und senkrecht zur Preßrichtung bei ca. 1,2 und damit innerhalb der Bandbreite der konventionell durch quasiisostatisches Pressen hergestellten Elemente.

Eine Umhüllung der beschichteten Partikeln zur Vermeidung von Partikelbeschädigungen während des Preßvorgangs ist bei diesen Elementen nicht erforderlich.

/9

Claims

8h 182 KO 31.08.1984

HOBEG Hochtemperaturreaktor-Brennelement GmbH
D-6450 Hanau 11

Verfahren zur Herstellung von isotropen kugelförmigen
Brenn- oder Absorberelementen für Hochtemperaturreaktoren

Patentansprüche:

(1·/ Verfahren zur Herstellung von weitgehend isotropen,

kugelförmigen Brenn- oder Absorberelementen hoher Festigkeit für Hochtemperaturreaktoren durch Pressen eines Gemisches von Binderharz enthaltendem Graphitpreßpulver mit beschichteten Kernbrennstoff- oder Absorberpartikeln zu einem Kugelkern, Aufpressen einer Schale aus dem
gleichen Graphitpreßpulver, Verkoken des Binderharzes und Vakuumglühen bis etwa 2000 C,
dadurch gekennzeichnet,

daß als Graphitpreßpulver ein Gemisch aus graphitierten Kokskörnern mit weitgehend isotropen Eigenschaften und einem aushärtbares Binderharz verwendet wird, daß aus diesem Graphitpreßpulver zuerst zwei ellipsoidförmlge Schalenhälften nacheinander in einem ersten zylindrisehen Stahlpreßgesenk mit glatter ellipsoider Höhlung des Unterstempele und dazu passender glatter ellipsoidförmiger Stirnfläche des Oberstempels bei 80 bis 120⁰C vorgepreßt werden, daß anschließend aus einem Gemisch des Graphitpreßpulvers und beschichteten Partikeln in einem zweiten Stahlpreßgesenk mit ebenfalls glatter

Oberfläche ein in die Schalenhälften passender ellipsoidförmige

preßt wird,

soidförmiger Kugelkern ebenfalls bei 80 bis 120 C vorge-

·* Gm *™

wobei die Dichte der Graphitmatrix in dem vorgepreßten Kern und in den vorgepreßten Schalenhälften zwischen 1,0 und 1,4 g/cnr liegen muß, daß dann der Kern und die g beiden Schalenhälften zu einem ellipsoidförmigen Körper zusammengesetzt werden und daß zuletzt dieser Körper in an sich bekannter Veise in einem dritten Stahlpreßgesenk mit halbkugelförmig ausgehöhltem Ober- und Unterstempel im plastischen Temperaturbereich des Binderharzes auf ^q Endmaß fertiggepreßt und ausgestoßen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß graphitierter Steinkohlensekundärpechkoks als Grajg phitpulver verwendet wird und daß die Dichte der vorgepreßten Teile zwischen 1,1 und 1,3 g/cnr liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß beim Fertigpreßvorgang auf Endmaß durch Temperaturregelung das Binderharz im Preßgesenk ausgehärtet und der Preßkörper bei Preßtemperatiir ausgestoßen wird.

h. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3y
dadurch gekennzeichnet,

daß die vorgepreßten Teile auf eine Temperatur dicht unterhalb der Fertigpreßtemperatur vorgewärmt und in die vorgewärmte Preßform eingesetzt werden.

5t Verfahren nach Anspruch 1 bis k,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Fertigpressen mit schwimmender Matrize erfolgt.

/3