DE3436705C2

DE3436705C2 -

Info

Publication number: DE3436705C2
Application number: DE3436705A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. 2054 Geesthacht De Spalthoff
Original assignee: Gkss - Forschungszentrum Geesthacht 2054 Geesthacht De GmbH
Current assignee: Gkss - Forschungszentrum Geesthacht 2054 Geesthacht De GmbH
Priority date: 1984-10-06
Filing date: 1984-10-06
Publication date: 1987-07-09
Also published as: DE3436705A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffplatten für einen Leichtwasserreaktorkern, die eine Umhüllung aus einer Zirkon legierung und eine Urandioxid enthaltende Brennstoffschicht aufweisen.

Aufgrund des geometrischen Aufbaus eines aus Brennstoffplatten aufgebauten Leichtwasserreaktorkerns liegt bei Reaktorbetrieb die Temperatur in der Brennstoffschicht nur um wenige Grad über der Kühlwassertemperatur. Dadurch können nur sehr wenige Spaltprodukte den Brennstoff verlassen und bei einer Beschädigung der Brennstoffplatte in das Kühlwasser über treten. Brennstoffplatten sind dadurch auch unempfindlich ge gen Leistungsrampen. Durch das günstige Oberflächen- zu Volumen verhältnis ist außerdem eine sehr gute Kühlbarkeit dieser Platten gegeben.

Leichtwasserreaktoren, deren Kerne aus solchen Plattenbrenn elementen aufgebaut sind, besitzen daher ein hohes Maß an inhärenter Sicherheit. Wegen ihres verringerten Gefährdungs potentials ist es denkbar, sie auch in Stadtnähe unterzubringen und als Heizwerke in der Fernwärme-Versorgung von Wohnungen oder Industrieanlagen zu verwenden.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Brennstoffplatten für Leichtwasserreaktorkerne ist aus der DE-OS 24 32 407 bekannt. Die mit dem bekannten Verfahren hergestellten Brennstoffplatten enthalten den Kernbrennstoff in Form von flachen UO₂-Plättchen von 4 bis 9 mm Dicke, die einzeln in Fächern nebeneinander angeordnet sind und von Zirkonlegierungsblech umschlossen werden. Damit bei der abschließenden Verschweißung der plattenförmigen Umhüllung der Sauerstoff aus dem Urandioxid die Umhüllung aus einer Zirkonlegierung nicht beschädigt, ist es bei dem bekannten Verfahren vorgesehen, die UO₂-Plättchen mit Graphit zu beschichten und diese noch zusätzlich in eine Zirkon folie "bonbonartig" einzuwickeln, und erst dann die eingewickelten UO₂-Plättchen zwischen zwei plattenförmigen Umhüllungsteilen einzuschweißen.

Dieser Brennstoffplattentyp hat aber den Nachteil, daß das UO₂ in makroskopischen Stücken in der Platte untergebracht ist und mit der Umhüllung keine feste Verbindung hat. Dadurch ist es möglich, daß bei einer Überhitzung aus den UO₂-Plättchen gasförmige Spaltprodukte freigesetzt werden und es zu einem Aufblähen der Brennstoff platte kommt.

Aus den Druckschriften DE-AS 22 07 657 und US-PS 44 30 276 sind auch Herstellungsverfahren von Urandioxid Tabletten bekannt, denen u. a. Zirkon zugegeben wird.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, bei einer Brennstoffplatte mit einer Umhüllung aus einer Zirkonle gierung und einer Brennstoffschicht, die als Kernbrennstoff haltiges Material Urandioxid enthält, eine feste Verbindung zwischen Brennstoffschicht und Umhüllung und damit eine gute Wärmeableitung aus dem Kernbrennstoff zu gewährleisten, so daß in diesem keine nennenswerte Überhitzung gegenüber dem Kühlwasser und damit verbundene schädliche Spaltgasfrei setzung auftreten kann.

Die Lösung der Aufgabe ist im kennzeichnenden Merkmal des Anspruches 1 beschrieben.

Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie Ausführungsformen für Herstellungsver fahren für die Brennstoffplatten wieder.

Das erfindungsgemäß angewendete thermische Spritzverfahren wurde bisher zum Aufbringen von Überzügen zum Oberflächen schutz hochbeanspruchter Bauteile bzw. von Spaltmaterial elementen verwendeten (Oberflächenschutzverfahren und ihr Einsatz in der Werkstoff- und Tribo-Technik, G. Böhm, Z. Werkstofftech. 15, 1984, S. 88-94 bzw. DE-AS 12 38 115). Das Verfahren besteht bei seiner erfindungsgemäßen Anwendung im wesentlichen darin, daß das keramische oder metallische Brennstoffschichtmaterial in Pulverform in einen Plasmastrahl injiziert wird, sich dort in Bruchteile einer Millisekunde erhitzt und im angeschmolzenen oder geschmolzenen Zustand auf die zu beschichtende Unterlage geschleudert wird, wo es praktisch im Moment des Auftreffens erstarrt. Als Plasmagase werden bevorzugt Edelgase verwendet.

Um eine besonders saubere Gasatmosphäre beim Spritzvorgang zu gewährleisten, wird das Plasmaspritzen in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform in einer Kammer bei Unter druck durchgeführt. Dieses sogenannte Vakuumplasmaspritzen (VPS) liefert chemisch wohldefinierte und besonders feste und homogene Schichten mit niedriger, genau einstellbarer Porosität. Die gespritzten Pulver können hinsichtlich Zusammensetzung und Teilchengröße in weiten Grenzen an die geforderten Eigenschaften der herzustellenden Schicht ange paßt werden. Eine chemische Reaktion zwischen den gespritzten Pulverteilchen untereinander und mit der Unterlage wird weitgehend unterdrückt, weil die Materialien nur extrem kurze Zeit bei erhöhter Temperatur miteinander in Berührung kommen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen mittels der Fig. 1-5 näher erläutert. Hierbei zeigt die

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine nach dem erfindungs gemäßen Verfahren hergestellte Brennstoffplatte,

Fig. 2 die Querschnitte zweier Teilstücke einer Brennstoff platte vor dem Schweißen, wobei ein Teilstück mit der Brennstoffschicht versehen ist,

Fig. 3 den Querschnitt der Brennstoffplatte nach dem Zusam menschweißen der beiden Teilstücke aus Fig. 2,

Fig. 4 die Querschnitte zweier Teilstücke einer Brennstoff platte vor dem Schweißen, wobei beide Teilstücke an teilig mit der Brennstoffschicht versehen sind und

Fig. 5 den Querschnitt der Brennstoffplatte nach dem Zusam menschweißen der beiden Teilstücke aus Fig. 4.

Die Längsschnitte durch die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Brennstoff platten ähneln den in Fig. 1 bis 5 angegebenen Querschnitten.

Wie Fig. 1 zeigt, umschließt die Umhüllung 1 die Brenn stoffschicht 2 vollständig. Dadurch können aus der Brenn stoffplatte keine Spaltprodukte in das Kühlwasser gelangen und kann die Brennstoffschicht nicht vom Kühlmittel an gegriffen werden. Bevorzugte Zirkonlegierungen für das Hüllmaterial sind die Standardlegierung Zirkaloy-4 (Zirkonium mit 1,5% Zinn; 0,2% Chrom und 0,1% Eisen) und die Versuchslegierung aus Zirkonium mit 3% Niob und 1% Zinn. Das Kernbrennstoff-haltige Material in der Brennstoffschicht ist Urandioxid, welches sich in Kern reaktoren allgemein gut bewährt hat. Zur Verbesserung der Eigenschaften der Brennstoffschicht kann dem Uranoxid ein keramisches oder metallisches Material beigemischt werden. Bevorzugte Beimischungen sind Zirkonium oder Zirkonlegie rungen, weil diese sich gut mit dem vorgesehenen Hüll material verbinden und in wassergekühlten Reaktoren gute nukleare und Korrosionseigenschaften aufweisen.

Fig. 2 und 3 verdeutlichen den erfindungsgemäßen Herstellungsgang einer Brennstoffplatte. Zunächst wird die Um hüllung in zwei Teilstücken 3 und 4 durch Walzen, Fräsen oder dergl. vorbereitet. Dann wird die Brennstoffschicht 5 durch Plasmaspritzen, bevorzugt durch Vakuumplasma spritzen, auf die Innenseite des Teilstücks 4 aufgebracht und schließlich werden die beiden Teilstücke durch Schwei ßen miteinander verbunden. Ein bevorzugtes Verfahren ist, daß die Teilstücke zunächst an ihren Rändern miteinander verschweißt werden, wobei ein Teil der Schweißnaht unter Vakuum, z. B. durch Elektronenstrahlschweißen, hergestellt wird und die Teilstücke dann durch mechanisches Druck pressen oder isostatisches Gasdruckpressen bei erhöhter Temperatur auf ihrer gesamten Berührungsfläche miteinander verbunden werden. Um die Festigkeit dieser flächenhaften Verbindung zu verbessern, kann die Brennstoffschicht mit einer Metallschicht 10 überspritzt werden, die bevorzugt aus Zirkonium, Nickel oder Legierungen dieser Metalle be steht.

Fig. 4 und 5 verdeutlichen den erfindungsgemäßen Herstellungsvorgang einer weiteren Brennstoffplatte. Der Vorgang deckt sich mit der Beschreibung im vorigen Abschnitt, abge sehen von folgenden Punkten: zwei gleiche Umhüllungsteil stücke 6 und 7 werden beide mit anteiligen Brennstoff schichten 8 und 9 versehen und beide Brennstoffschichten können mit einer Metallschicht 10 überspritzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Brennstoffplatten für einen Leichtwasserreaktorkern, die eine Umhüllung aus einer Zirkonlegierung und eine Urandioxid enthaltende Brennstoffschicht aufweisen, dadurch gekennzeich net, daß die Brennstoffschicht (2) durch Plasmaspritzen auf die Innenseite mindestens eines plattenförmigen Umhüllungsteils (4, 6, 7) aufgebracht wird, und daß die angebrachte Brennstoffschicht (2) mit einem weiteren plattenförmigen Umhüllungsteil (3, 6) eingeschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffschicht (2) durch Plasmaspritzen in einer geschlossenen Kammer bei Unterdruck nach dem Vakuumplas maspritzverfahren hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffschicht (2) aus einem Gemisch von Urandioxid und einem metallischen Werkstoff hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, da durch gekennzeichnet, daß dem Urandioxid der metallische Werkstoff Zirkonium oder eine Zirkoniumlegierung zuge mischt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, da durch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (1) aus der Zir konlegierung mit 3 Gew.-% Niob und 1 Gew.-% Zinn hergestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (1) in Form von zwei plattenförmigen Umhüllungsteilen (3 und 4) vorbereitet wird, die Brennstoffschicht (5) durch Plasmaspritzen auf die Innen seite des einen Teilstücks aufgebracht wird und beide plattenförmigen Umhüllungsteile (3, 4) dann durch Schweißen miteinander ver bunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (1) in Form von zwei gleichen plattenförmigen Umhüllungsteilen (6 und 7) vorbereitet wird, jeweils eine Brennstoffschicht (8 und 9) durch Plasma spritzen anteilig auf die Innenseite der beiden plattenförmigen Umhüllungsteile (6 und 7) aufgebracht und beide plattenförmigen Umhüllungsteile (6, 7) dann durch Schweißen miteinander verbunden werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Brennstoffschicht (5 bzw. 8, 9) vor dem Ver schweißen der plattenförmigen Umhüllungsteile (6, 7) noch eine zu sätzliche Metallschicht (10) durch Plasma spritzen aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlich aufgebrachte Metallschicht (10) aus Zir konium, Nickel oder einer Legierung mit diesen Metallen besteht.