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Umhüllter, neutronenabsorbierender Steuerkörper
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Steuereinrichtungen für Kernspaltungsreaktoren,
die ein Absorptionsmittel für Neutronen umfassen, und sie bezieht sich insbesondere
auf eine Verbundkonstruktion spezifischer Materialien, die einen dauerhaften, neutronenabsorbierenden
Steuerkörper zum Einsatz in Kernspaltungsreaktoren ergibt.
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Kernspaltungsreaktoren benutzen üblicherweise neutronenabsorbierende
Materialien oder solche Materialien enthaltende Elemente als Mittel zum Steuern
der Neutronendichte bzw. des Neutronenflusses, wobei diese Materialien das Ausmaß
der Spaltungsreaktion regulieren, die durch die Neutronen aufrechterhalten wird.
Die Funktion der Neutronen-Absorptionsmittel in dieser Rolle wird in dem Buch "Nuclear
Reactor Engineering" von Glasstone & Sesonske, D. Van Nostrand Co. Inc. im Kapitel
"General Features of Reactor Control" auf den Seiten 272 - 276 (1967) beschrieben.
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Typische Formen oder Konstruktionen von neutronenabsorbierenden Steuereinrichtungen
für Kernspaltungsreaktoren sind in den US-PS 30 20 888, 31 41 227 und 41 72 760
beschrieben und dargestellt. Die Offenbarungen des vorgenannten Buches und der genannten
US-PS werden durch die Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
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Beim Einsatz im Kernspaltungsreaktor wird das neutronenabsorbierende
Material oder die dieses Material enthaltende Steuereinheit
üblicherweise
einer sehr beanspruchenden Umgebung innerhalb oder benachbart des Brennstoffkernes
des Reaktors ausgesetzt und dies während ausgedehnter Perioden. Im allgemeinen ist
das Absorptionsmittel oder die dieses Absorptionsmittel enthaltende Einheit sowohl
einer hohen Strahlungsbelastung als auch dem physikalischen Kontakt mit einem Kühlmittel
mit den damit verbundenen chemischen und mechanischen Einwirkungen ausgesetzt. In
den meisten kommerziellen energieerzeugenden Kernreaktoren ist das neutronenabsorbierende
Steuermaterial oder die dieses enthaltende Einheit in Wasser und/oder Dampf hoher
Temperatur und hohen Druckes eingetaucht, das bzw.
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der eine Vielfalt aggressiver chemischer Verbindungen enthalten kann,
die sowohl radioaktiv als auch nicht-radioaktiv sind.
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Die Schwere solcher Bedingungen in einem Kernspaltungsreaktor und
die Ungewißheiten hinsichtlich der Kühlwasserchemie und die Variationen, die dabei
auftreten können, stellen ein wesentliches Problem hinsichtlich der Dauerhaftigkeit
der neutronenabsorbierenden Steuereinrichtungen dar.
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Die Erfindung umfaßt eine Verbundkonstruktion gegebener Materialien,
die einen dauerhaften, neutronenabsorbierenden Steuerkörper oder ein Element ergibt,
der bzw. das eine schützende Umhüllung aus einer Metallplattierung aufweist, die
mit dem Neutronen-Absorptionsmittel durch eine Zwischenbindeschicht vereinigt ist.
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Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung; einen neutronenabsorbierenden
Steuerkörper zu schaffen, der beim Einsatz in Kernspaltungsreaktoren dauerhaft ist.
Weiter soll eine verbesserte Einrichtung zum länger dauernden Schutz neutronenabsorbierender
Materialien zum Einsatz in Kernspaltungsreaktoren geschaffen werden. Weiter soll
das Einschließen einer Kernmasse aus neutronenabsorbierendem Material innerhalb
einer Schutzhülle aus einem Plattierungsmaterial dahingehend verbessert werden,
daß es eine andauernde Beständigkeit gegenüber Kühlwasser und den darin enthaltenen
Stoffen in Kernspaltungsreaktoren aufweist. Und schließlich soll eine verbesserte
Einrichtung
zum Vereinigen einer Kernmasse aus neutronenabsorbierendem
Material mit einer Schutzhülle aus Plattierungsmetall zu einer gebundenen Einheit
geschaffen werden.
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In der einzigen Figur der Zeichnung ist perspektivisch im Querschnitt
eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen neutronenabsorbierenden Steuerkörpers
gezeigt.
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Die Erfindung befaßt sich mit neutronenabsorbierenden Materialien,
die geeignet sind zur Verwendung als Steuermedien in Kernspaltungsreaktoren und
irgendwelchen damit in Beziehung stehenden Systemen, einschließlich des Beherrschens
der Neutronendichten.
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Hafniummetall und seine Legierungen stellen ein bevorzugtes Neutronen-Absorptionsmittel
zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung dar. Die Erfindung umfaßt jedoch den
Einsatz aller üblichen oder potentiellen neutronenabsorbierenden Metalle oder von
deren Legierungen, die einen hohen Absorptionsquerschnitt für Neutronen haben, ohne
daß dabei eine Spaltung stattfindet, wobei diese Metalle bzw. Legierungen solche
einschließen, die derzeit bekannt sind oder benutzt werden, wie Bor, Cadmium, Gadolinium,
Indium, Europium, Erbium, Samarium, Dysprosium und Silber.
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Die Erfindung schafft eine spezifische verbesserte Verbundkonstruktion
zum Einschließen einer Masse aus solchen neutronenabsorbierenden Materialien innerhalb
einer Schutzhülle aus Plattierungsmetall zum Einsatz als Steuermedium innerhalb
eines Kernspaltungsreaktors oder für einen anderen Zweck, bei dem die Neutronenaktivität
reguliert wird.
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Das Umhüllungsmetall der Schutzhülle, die das Neutronen-Absorptionsmittel
einschließt, besteht aus Zirkoniumlegierungen, wie Zircaloy-2 oder Zircaloy-4. Zirkoniumlegierungen
sind in Kernspaltungsreaktoren ausgedehnt benutzt worden und man hat aufgrund beträchtlicher
Erfahrung festgestellt, daß sie einen hohen Grad der Beständigkeit gegenüber der
beanspruchenden Umgebung
wassergekühlter Reaktoren aufweisen. Die
die Dauerhaftigkeit bedingenden Attribute bei einem solchen Einsatz der Zirkoniumlegierungen,
wie Zircaloy-2, und die geeigneten Legierungszusammensetzungen des Zirkoniums für
den Reaktoreinsatz sind in dem Buch "Nuclear Reactor Engineering" von Glasstone
& Sesonske in dem Abschnitt "Zirconium" auf den Seiten 435 bis 438 (vgl. die
weiteren Angaben oben) beschrieben.
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Beispiele geeigneter Zirkoniumlegierungen für den Einsatz in Kernspaltungsreaktoren
und somit zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen auch solche, die
in den US-PS 27 72 964, 30 05 706, 30 97 094, 31 48 055 und 32 87 111 enthalten
sind. Vorzugsweise weist die die Schutzhülle bildende Plattierung im Endprodukt
eine Dicke von mindestens etwa 0,1 bis etwa 0,25 mm (entsprechend 0,004 bis 0,01
Zoll) auf.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Masse aus neutronenabsorbierendem
Material, wie Hafnium, und eine Zirkoniumlegierung zur Schaffung einer umgebenden
Schutzhülle um einen Kern aus der absorbierenden Masse durch eine Zwischenbindeschicht
aus einem gegebenen Metall, wie relativ reinem Zirkonium, zu einem Verbundkörper
vereinigt. Geeignete Reinheitsniveaus für das Zirkoniummetall umfassen solche mit
weniger als 5000 ppm (Gewicht) Verunreinigungen, was eine Zirkoniumkategorie einschließt,
die als Zirkoniumschwamm bekannt ist, sowie das reinere Kristallstab-Zirkonium mit
einer Verunreinigungsmenge von weniger als etwa 1000 ppm (Gewicht).
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Zusätzlich zum Zirkoniummetall als bevorzugter Ausführungsform kann
die Bindeschicht zwischen dem absorbierenden Kern und der Hülle aus Zirkoniumlegierung
auch aus solchen Metallen zusammengesetzt sein, wie Niob, Zinn, Titan, Thorium,
Uran, Osmium, Tantal und Yttrium sowie gewissen niobhaltigen Zirkoniumlegierungen,
wie Zirkonium/Niob-, Zirkonium/Niob/Zinn-und Zirkonium/Niob/Zinn/Eisen-Legierungen.
In jedem Falle hat die Bindeschicht eine andere Zusammensetzung als die Zirkoniumlegierung
der Umhüllung. Die Bindeschicht des zusammengepreßten Produktes hat vorzugsweise
eine Dicke von mindestens etwa 0,025 bis etwa 0,075 mm ( entsprechend 0,001 bis
0,003 Zoll).
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Die drei Grundkomponenten des Verbundkörpers der vorliegenden Erfindung,
nämlich eines Kernes aus einem metallischen Neutronen-Absorptionsmittel, der äußeren
Umhüllung aus einer Zirkoniumlegierung und der metallischen Zwischenbindeschicht
können durch geeignete Metallformungsverfahren zu einem einheitlichen Körper vereinigt
und zusammengepreßt werden, wobei das entsprechende Verfahren so ausgewählt wird,
daß es mit der erwünschten Konfiguration und Abmessung des zu erhaltenden Steuerkörpers
vereinbar ist.
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So können zum Beispiel flache Segmente oder allgemein plattenartige
Einheiten, wie sie in der US-PS 31 41 227 gezeigt sind, hergestellt werden, indem
man einen schichtförmigen Verbundkörper aus einer Kernplatte aus neutronenabsorbierenden
Material, auf deren beiden Hauptoberflächen jeweils ein Blech aus dem Umhüllungsmetall
liegt und einer Zwischenschicht aus Bindemetall zwischen jedem Umhüllungsblech und
dem Kern zusammenstellt und dann das Ganze durch Walzen zu einem Verbundkörper bzw.
einer integrierten Einheit zusammenpreßt. Ein Abdichten der peripheren Kante kann
zweckmäßig sein und auf irgendeine geeignete Weise erfolgen, einschließlich dem
Falten und Zusammenpressen der Kanten, dem Saumschweißen und ähnlichen üblichen
Techniken.
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Runde oder andere nicht-eckige Steuerkörperkonfigurationen können
hergestellt werden, indem man einen geeigneten Kern aus neutronenabsorbierenden
Material unter Verwendung einer Zwischenbindeschicht in ein Umhüllungsblech aus
Zirkoniumlegierung einwickelt und danach das erhaltene Bauteil durch Walzen, Ziehen,
Schmieden oder nach ähnlichen üblichen Verfahren zusammenpreßt.
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Der Dreiphasen-Verbundkörper nach der vorliegenden Erfindung kann
auch durch gemeinsames Strangpressen einer Baueinheit, wie eines teleskopartigen
Verbundkörpers aus jeder Komponente hergestellt werden.
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In den meisten Fällen ist es bevorzugt, die zusammengepreßten Komponenten
zu verschmelzen, um ihre gegenseitige Bindung zu fördern.
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Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf eine Vielfalt von Formen,
Konfigurationen und Abmessungen für Steuerkörper oder -einheiten je nach den jeweiligen
Anforderungen.
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In der Zeichnung ist ein stabartiger, zylindrischer Körper 10 gemäß
der vorliegenden Erfindung zum Einsatz zur Reaktorsteuerung gezeigt, der eine Konstruktion
aus drei Komponenten umfaßt, nämlich einem Kern 12 aus einer Masse eines metallischen
Neutronen-Absorptionsmittels, das eingeschlossen ist innerhalb einer Schutzhülle
14 aus Zirkoniumlegierung sowie mit einer Zwischenbindeschicht 16 aus Metall.
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Das Dreiphasen- oder -Komponentensystem der vorliegenden Erfindung
mit der Zwischenbindeschicht aus Metall verbessert die Verbindung der Kernmasse
aus Absorptionsmittel mit der Schutzhülle, wenn die Komponenten vereinigt und mit
üblichen Verfahren zusammengepreßt werden, wie durch einfaches Walzen oder Koextrudieren.
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Anders als beim erfindungsgemäßen Dreikomponentensystem kann das direkte
Verbinden der Metallhülle mit dem Kern aus Neutronen-Absorptionsmittel, wie Zircaloy-2
mit Hafnium, zu einer unerwünschten Bildung und Dispersion brüchiger Zwischenphasen
und -legierungsverbindungen an der Grenzfläche führen. Solche Grenzflächenphasen
können die erwünschte Interdiffusion der Metalle des Kernes und der Hülle ineinander
beeinträchtigen und dadurch die Bindefestigkeit vermindern, so daß die Verbundeinheit
während der plastischen Deformation bei der Fabrikation und beim nachfolgenden Einsatz
mehr zu einer Trennung neigt.
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Das Einfügen der Zwischenbindeschicht, wie aus reinem Zirkoniummetall
oder einer niobhaltigen Zirkoniumlegierung, zwischen dem Kern aus Neutronen-Absorptionsmittel
und der Metallumhüllung gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert das Auftreten
der brüchigen intermediären Phasen, die an der Grenzfläche konzentriert sind. Darüber
hinaus fördert die Zwischenbindeschicht
die Interdiffusion an ihren
benachbarten Grenzflächen sowohl mit dem Kern aus dem Neutronen-Absorptionsmittel
als auch der Metallumhüllung und fördert so starke metallurgische Bindungen zwischen
jeder Phase unter Bildung einer integrierten Verbundeinheit mit verbesserter Beständigkeit
gegenüber einer Trennung.
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Es wurden verschiedene Dreikomponenteneinheiten zu Auswertungszwecken
sowohl in Stab- als auch Streifenform hergestellt, die jeweils einen Kern aus nicht-legiertem
Hafniummetall als neutronenabsorbierendem Material und Zircaloy-2 oder Zircaloy-4
als äußere Schutzhülle umfaßten. Diese Einheiten wurden mit einer Vielfalt von Zwischenbindeschichten
hergestellt, nämlich Bindeschichten aus hochreinem, nicht-legiertem Zirkonium, nichtlegiertem
Tantal, nicht-legiertem Niob sowie aus Zirkonium/Niob-Legierungen mit 2,5 Gew.-%
Niob, bzw. mit 3 Gew.-% Niob und 1 Gew.-% Zinn.
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Die Verbundkörper wurden entweder durch Walzen oder Koextrudieren
verbunden und einer anfänglichen Herstellungstemperatur von 774 bis 8430C (entsprechend
1425 bis 15500F) ausgesetzt. Die stabförmigen Körper wurden dann in einer Reihe
von Kaltziehstufen auf einen Durchmesser von etwa 4,76 mm (entsprechend 0,188 Zoll)
vermindert und die streifenförmigen Einheiten wurden in einer Reihe von Kaltwalzstufen
auf eine Dicke von etwa 3,2 mm (entsprechend 0,125 Zoll) reduziert, wobei man jeweils
Zwischen-Rekristallisationsstufen durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 800
bis etwa 815"C (entsprechend 1475 bis 15000F) ausführte.
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Die dabei erhaltene Binde festigkeit wurde sowohl durch Zugfestigkeitsmessungen
als auch mechanische Tests ausgewertet.
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Die Proben mit einer Zwischenbindeschicht aus Zirkoniummetall bzw.
-legierung, wiesen ausgezeichnete Bindeeigenschaften auf, während die Einheiten
mit einer Zwischenbindeschicht aus Tantal bzw. Niob etwas geringere Eigenschaften
aufwiesen.
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Die metallographische Untersuchung der Proben ergab keine nachteilige
Verteilung von Verbindungen der Komponenten an den Grenzflächen.
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Es wurden auch die Korrosions- und Wasserstoffaufnahme-Eigenschaften
bestimmt, und die Ergebnisse waren im wesentlichen äquivalent zu denen, die man
normalerweise von Zircaloy-2 oder Zircaloy- 4 erwartete.
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