DE4308612A1 - Werkstoff aus einer Legierung auf Aluminium-Basis - Google Patents
Werkstoff aus einer Legierung auf Aluminium-BasisInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff aus einer Legierung
auf Aluminium-Basis. Weiterhin betrifft die Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes sowie eine Verwen
dung desselben.
Aluminium und Aluminium-Legierungen zählen u. a. wegen der
besonderen Eigenschaften des Aluminiums zu den vielseitig
sten Werkstoffen der Technik. Zu diesen Eigenschaften gehö
ren insbesondere das günstige Verhältnis zwischen spezifi
schem Gewicht und Festigkeit, gute Verformbarkeit, Korrosi
onsbeständigkeit durch die stabile Aluminium-Oxid-Schicht
und eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund dieser Eigen
schaften können Aluminium-Legierungen beispielsweise auch
für Behälter oder Transportvorrichtungen für die Lagerung
bzw. Transport von Brennelementen oder Brennstäben eines
Kernkraftwerks verwendet werden.
Derartige Brennelemente eines Kernkraftwerkes müssen nach
deren Verbrauch aus dem Reaktor entfernt, transportiert und
anschließend zwischen- und endgelagert werden. Verbrauchte
Brennelemente weisen eine Resttemperatur von etwa 250°C auf,
die über Jahre hinweg erhalten bleibt. Weiterhin werden durch
die Brennelemente Neutronen emittiert, die nicht in die Um
welt gelangen dürfen. Die im allgemeinen länglich ausgebilde
ten, einen kreisrunden oder polygonalen Querschnitt aufwei
senden Brennelemente werden häufig in Bündeln von bis zu
100 Stück transportiert. Dabei ist es erforderlich, daß die
einzelnen Brennelemente untereinander keinen direkten Kontakt
haben. Insbesondere muß gewährleistet sein, daß jedes Brenn
element im wesentlichen vollständig mit einem Material umge
ben ist, das in der Lage ist, die emittierten Neutronen auf
die Geschwindigkeit thermischer Neutronen zu moderieren.
Bekannte Transportvorrichtungen oder Behälter für die Brenn
elemente weisen eine im Querschnitt im wesentlichen gitterar
tige Struktur auf, deren Gitterausnehmungen im wesentlichen
dem Querschnitt der zu transportierenden bzw. aufzubewahren
den Brennelemente entsprechen. Die Außen- und Zwischenwandun
gen erstrecken sich dabei nahezu über die gesamte Länge der
Brennelemente, so daß die Brennelemente vollständig von dem
die Tragvorrichtung bzw. den Behälter bildenden Material um
geben sind. Es ist dabei erforderlich, daß der Werkstoff für
die Transportvorrichtung oder den Behälter in der Lage ist,
zum einen die emittierten Neutronen aufzufangen und zu absor
bieren. Zum anderen muß auch die Restwärme des am weitesten
innenliegenden Brennelementes durch den Werkstoff nach außen
abgeleitet werden. Weiterhin muß der Werkstoff eine ausrei
chende Festigkeit, insbesondere Warmfestigkeit, aufweisen,
um der Belastung der Transportvorrichtung bzw. des Behälters
u. a. durch das Gewicht der Brennelemente standzuhalten.
Da die Befüllung der Transportvorrichtung oder des Behälters
mit den Brennelementen wegen des Strahlenschutzes häufig
unter Wasser erfolgt, ist es ferner erforderlich, daß der
Werkstoff eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Diese Anforderung an den Werkstoff für die Transportvorrich
tungen bzw. Behälter von Brennelementen werden teilweise von
bekannten Aluminium-Legierungen erfüllt, da diese je nach
Legierungsbestandteilen die erforderliche Warmfestigkeit,
Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Weiterhin ist es bekannt, daß Bor, z. B. in der Form von
Borcarbid, in der Lage ist, emittierte Neutronen aufzufan
gen und zu absorbieren.
Bekannte Konstruktionswerkstoffe für derartige Transport
vorrichtungen weisen einen mehrschichtigen Aufbau auf, wobei
z. B. zwischen zwei Schichten aus einer Aluminium-Legierung
eine Schicht aus Borpulver bzw. Borcarbid eingebracht ist.
Dieser Verbundwerkstoff weist zwar die gewünschten Eigen
schaften hinsichtlich der Neutronenabsorbtion auf, jedoch
ist seine Fertigstellung kompliziert und kostenintensiv, da
zum einen ein mehrschichtiger Aufbau erforderlich ist und
zum anderen sichergestellt werden muß, daß sich die Schicht
aus Borpulver bzw. Borcarbid vollständig über die gesamte
Fläche verteilt und erhalten bleibt, da nur so ein sicherer
Schutz gegen die emittierten Neutronen gewährleistet ist.
Weiterhin ist es bekannt, eine Aluminium-Bor-Legierung auf
einen die erforderliche Festigkeit aufweisenden Edelstahl
werkstoff aufzubringen. Aufgrund der unterschiedlichen
Schmelztemperaturen und der unterschiedlichen Abkühlge
schwindigkeiten sowie der unterschiedlichen Dichten des
Bors und des Aluminiums kommt es bei der Herstellung dieser
Legierung zu Steigerungen und örtlichen Konzentrationen von
Bor, so daß zum einen dem mengenmäßigen Anteil des Bors im
Aluminium Grenzen gesetzt sind und zum anderen eine gleich
mäßige Verteilung des Bors in der Legierung nicht gewährlei
stet ist. Bei einer derartigen Ausbildung des Werkstoffes
für die Wandungen der Transportvorrichtung bzw. des Behäl
ters kann nicht sichergestellt werden, ob die eingebrachte
Menge Bor ausreicht, die emittierten Neutronen vollständig
und zuverlässig aufzufangen und zu absorbieren.
Insbesondere weisen die bekannten Werkstoffe bzw. die daraus
hergestellten Wandungen den Nachteil auf, daß sie eine
schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzen, da die jeweils zwi
schen den einzelnen Schichten vorhandenen Trennflächen die
Wärmeleitung beeinträchtigen. Dies kann dazu führen, daß
die Restwärme der innen liegenden Brennelemente nicht mehr
ausreichend nach außen abgeleitet werden kann, so daß ent
weder eine zusätzliche Kühlung der Wandungen erforderlich
ist oder der Einsatz dieses Werkstoffes für einen Behälter
zur Zwischen- oder Endlagerung der Brennelemente wegen eines
möglicherweise auftretenden Wärmestaus nicht geeignet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff
zu schaffen, der bezüglich der Neutronenabsorbtion die ge
wünschten Eigenschaften aufweist, eine gute Wärmeleitfähig
keit und eine hohe Warmfestigkeit besitzt.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Werkstoff
aus einer Legierung auf Aluminium-Basis gelöst, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Legierung einen Legierungsbe
standteil von 0,2 bis 35 Gewichts-% Bor enthält, das in fei
ner, gleichmäßiger Verteilung vorliegt. Die im gesamten Werk
stoff gleichmäßig verteilten Borteilchen sind vorzugsweise
nicht größer als 300 µm. Durch die feine und gleichmäßige
Verteilung des Bors einerseits und der Möglichkeit der hohen
Borkonzentration andererseits ist gewährleistet, daß alle
emittierten Neutronen des Brennelementes von der dieses um
gebenden Wandung aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff aufge
fangen werden. Je nach den Anforderungen an die Transport
vorrichtung oder den Behälter, beispielsweise für die Zwi
schen- oder Endlagerung, und den Eigenschaften der Brennele
mente als solche, ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, daß der Borgehalt 1 bis 3 Gewichts-%
beträgt. Für andere Anwendungsfälle, z. B. bei Absorber
stäben, die zur Regulierung des Neutronenflusses im Reaktor
kern dienen, kann es zweckmäßig sein, daß der Borgehalt we
nigstens 2 Gewichts-% beträgt.
Durch eine entsprechende Zugabe von Legierungsbestandteilen,
beispielsweise Silizium (Si), Kupfer (Cu) oder Nickel (Ni),
kann der Werkstoff eine höhere Warmfestigkeit erhalten. Da
durch ist es möglich, daß die Innen- und Außenwandungen der
Transportvorrichtung oder des Behälters bzw. die Wandungen
eines einzelnen Elementes der Gitterstruktur der Transport
vorrichtung bzw. des Behälters einschichtig ausgebildet wer
den können. Die Zahl der Trennflächen kann damit erheblich
reduziert und die Wärmeleitfähigkeit der Innen- und Außenwan
dungen erhöht werden , so daß sichergestellt ist, daß die
Restwärme auch der innenliegenden Brennelemente ausreichend
abgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß kann sich der Werkstoff aus den Legierungsbe
standteilen (in Gewichts-%)
5% Cu
5% Mg
5% Zn
50% Si
10% Fe
10% Ni
15% C
0,2 bis 35% B
Rest: Al
5% Mg
5% Zn
50% Si
10% Fe
10% Ni
15% C
0,2 bis 35% B
Rest: Al
zusammensetzen. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
setzt sich die Legierung aus den Legierungsbestandteilen (in
Gewichts-%)
5% Cu
5% Mg
12% Zn
8 bis 25% Si
3 bis 8% Fe
1 bis 5% Ni
0 bis 6% C
1 bis 5% B
Rest: Al
5% Mg
12% Zn
8 bis 25% Si
3 bis 8% Fe
1 bis 5% Ni
0 bis 6% C
1 bis 5% B
Rest: Al
zusammen. Die genannten Werkstoffe können zusätzlich die her
stellungsbedingten Verunreinigungen aufweisen.
Ferner weist der erfindungsgemäße Werkstoff eine hohe Korro
sionsbeständigkeit auf, so daß der Einsatz einer daraus ge
fertigten Transportvorrichtung oder eines daraus gefertigten
Behälters auch unter Wasser möglich ist, wie es bei Brennele
menten im allgemeinen oder bei deren Handhabung üblich ist.
Durch das geringe spezifische Gewicht der erfindungsgemäßen
Aluminium-Legierung wird ferner die Handhabung der gesamten
Transportvorrichtung oder des Behälters mit und ohne den da
rin befindlichen Brennelementen wesentlich erleichtert.
Der Werkstoff kann erfindungsgemäß dadurch hergestellt wer
den, daß die Schmelze der Legierungsbestandteile mittels
Sprühkompaktieren zu einem Block verfestigt wird. Anschlie
ßend kann der dadurch gebildete Block warm und/oder kalt
umgeformt werden. Die Anwendung des Sprühkompaktierverfahrens
hat den Vorteil, daß die feinzerstäubten Schmelzeteilchen
auf dem Sprühgutträger bzw. der jeweils dem Zerstäuber zuge
wandten Oberfläche des Sprühguts schnell erstarren, wodurch
eine feine Verteilung der einzelnen Legierungsbestandteile
der Schmelze erzielt wird. Der durch das Sprühkompaktieren
gebildete Block weist demnach eine nahezu homogene Verteilung
aller Legierungsbestandteile auf. Es ist daher möglich, ein
Halbzeug aus einem Werkstoff herzustellen, das beispielsweise
Bor in einer hohen Konzentration in feiner und gleichmäßiger
Verteilung aufweist. Ebenfalls können auf diese Weise andere
Legierungsbestandteile dem Werkstoff zugeführt werden.
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens ist
vorgesehen, daß das Bor, z. B. mittels eines pulverförmigen
Trägermaterials, unter Verwendung eines zusätzlichen Sprüh
strahls in den Sprühstrahl der Schmelze der restlichen Legie
rungsbestandteile oder unmittelbar auf den Sprühgutträger bzw.
der dem Zerstäuber der Sprühkompaktiervorrichtung zugewandten
Oberfläche des Sprühguts in den Werkstoff und somit in den
Block eingebracht wird. Dies hat den Vorteil, daß gegebenen
falls in der Schmelze auftretende Inhomogenitäten keine Aus
wirkungen auf die gleichmäßige Verteilung des Bors in dem
Block zur Folge haben.
Zweckmäßigerweise wird der gebildete Block durch eine an
schließende Warm- und/oder Kaltumformung weiter verarbeitet.
Zum einen wird dadurch sichergestellt, daß gegebenenfalls
vorhandene Porositäten entfernt oder zumindest verringert
werden. Zum anderen kann die Festigkeit des Werkstoffes wei
ter erhöht werden. Die Entfernung der Porositäten hat den
Vorteil, daß nach der Benutzung des aus diesem Werkstoff be
stehenden Behälters oder der Transportvorrichtung unter Was
ser kein Wasser durch Kapillarkräfte in dem Werkstoff gebun
den ist, welches im Laufe der Zeit durch die Restwärme der
Brennelemente verdampfen würde. Dieser Dampf wäre mit Neu
tronen belastet und müßte gesondert behandelt werden.
Der erfindungsgemäße Werkstoff kann beispielsweise auch durch
pulvermetallurgische Verfahren hergestellt werden. Dabei kann
vorgesehen werden, daß die Schmelze der Legierungsbestandteile
zu einem Pulver verdüst wird, das mittels pulvermetallurgi
scher Verfahren zu einem Block verfestigt wird. Zweckmäßiger
weise kann dieser Block anschließend warm und/oder kalt umge
formt werden. Das Verdüsen der Schmelze hat den Vorteil, daß
ein sehr feines Pulver erzeugt wird, womit im anschließenden
pulvermetallurgischen Verfahrensschritt ein Halbzeug herge
stellt werden kann, das bezüglich seiner Homogenität, insbe
sondere der Verteilung des Bors, die erforderlichen Eigen
schaften aufweist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das
Bor in Form eines pulverförmigen, das Bor enthaltenden Trä
germaterials durch Mischen mit dem die restlichen Legierungs
bestandteile enthaltenden Pulver in den Werkstoff eingebracht
wird. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, daß
das Bor durch Reaktionsmahlen des die restlichen Legierungs
bestandteile enthaltenden Pulvers mit dem das Bor enthalten
den Borträgermaterial in den Werkstoff eingebracht wird oder
ein sämtliche Legierungsbestandteile enthaltendes Pulver
reaktionsvermahlen wird. Diese Herstellungsverfahren des
Ausgangspulvers für den anschließenden pulvermetallurgischen
Prozeß sind einfach und kostengünstig durchzuführen.
Durch den sich anschließenden Umformungsprozeß werden auch
bei diesem Verfahren eventuell vorhandene Porositäten aus
dem Werkstoff entfernt, wodurch ein dichter Werkstoff mit
hoher Festigkeit erzeugt wird. Das Bor kann sowohl bei der
Herstellung des Blocks mittels Sprühkompaktieren als auch
mittels der anderen aufgeführten pulvermetallurgischen Ver
fahren in Form von Borcarbid dem Werkstoff zugegeben werden.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge
sehen, daß der Block durch Strangpressen warm und/oder kalt
umgeformt wird. Je nach Ausbildung der Preßmatritze kann der
Werkstoff bereits zu fertigen Endlosprofilen umgeformt wer
den, die - nachdem sie auf Länge geschnitten worden sind -
ohne weitere Bearbeitung verwendet werden können. Es ist
natürlich auch möglich, daß nach dem Umformverfahren das
dadurch hergestellte Formteil durch spanende Bearbeitung
den Anforderungen entsprechend bearbeitet wird.
Je nach den Anforderungen an den Werkstoff kann es ausrei
chend sein, daß der konsolidierte Block ohne anschließende
Warm- und/oder Kaltumformung, z. B. durch spanende Bearbei
tung, weiter verarbeitet wird. Ein besonders dichter und fe
ster Werkstoff läßt sich jedoch insbesondere durch den an
schließenden Umformprozeß erzeugen.
Die Ausbildung einer Transportvorrichtung oder eines Behäl
ters der unter der Verwendung des erfindungsgemäßen Werk
stoffes hergestellt werden kann, wird im folgenden anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt Elemente einer Gitter
struktur, teilweise im Zusammenbau,
Fig. 2-4 jeweils andere Ausführungsformen von
Gitterelementen, teilweise im Zusammenbau,
Fig. 5 im Querschnitt eine zusammengesetzte
Gitterstruktur.
Das in Fig. 1 dargestellte Gitterelement 10 weist einen im
wesentlichen sechseckigen Querschnitt auf. In die Ausnehmun
gen 12 können nach Zusammenbau des Gitterelementes 10 zu der
Transportvorrichtung bzw. dem Behälter die Brennelemente mit
entsprechendem Querschnitt eingeführt werden. Die Wandungen
13 des Gitterelementes sind einschichtig aufgebaut und beste
hen aus einer Bor enthaltenden Aluminium-Legierung. Durch die
vollständige geschlossene Ausbildung des Querschnitts eines
Gitterelementes 10 ist gewährleistet, daß das Brennelement
allseitig von Bor enthaltendem Material umschlossen ist, wo
durch eine vollständige Absorbtion der emittierten Neutronen
des Brennelementes gewährleistet ist. Durch den einschichtigen
Aufbau der Wandungen 13 weist das Gitterelement 10 gute Wärme
leiteigenschaften auf. Lediglich an den Kontaktflächen 14
der einzelnen Gitterelemente 10 untereinander werden erhöhte
Wärmewiderstände zu erwarten sein. Diese Kontaktflächen wären
jedoch auch bei einem mehrschichtigen Aufbau der Behälterwan
dungen der einzelnen Gitterelemente 10 vorhanden, so daß be
reits durch den einschichtigen Aufbau der Wandung eine Verbes
serung der Wärmeleiteigenschaften erreicht wird.
In Fig. 2 wird die Gitterstruktur aus mehreren im wesentli
chen sternförmigen Gitterelementen 20, 21 zusammengesetzt,
deren drei Schenkel 22 bzw. 23 einen Winkel von jeweils 120°
einschließen. An den freien Enden der Schenkel 22, 23 weisen
die Gitterelemente 20 bzw. 21 Nuten 24 bzw. Vorsprünge 25 auf,
die miteinander in Eingriff gebracht werden können, wodurch
der Zusammenbau der einzelnen Gitterelemente 20, 21 zu einer
zusammenhängenden Struktur ermöglicht wird. Diese Ausbildung
der einzelnen Gitterelemente mit Nuten und/oder Vorsprüngen
ist nur deshalb möglich, da der Werkstoff aus einer Alumini
um-Legierung besteht, in der das zur Neutronenabsorbtion er
forderliche Bor in gleichmäßiger Verteilung vorliegt. Es ist
somit unabhängig von der Bearbeitung und/oder der äußeren
Gestalt eines Gitterelementes sichergestellt, daß ausrei
chend Bor in einer gleichmäßigen Verteilung in der das Brenn
element umschließenden Wandung vorhanden ist, um die emittier
ten Neutronen zu absorbieren. Die Nuten 24 bzw. die Vorsprün
ge 25 können unmittelbar beim Strangpressen der jeweiligen
Gitterelemente 20 bzw. 21 erzeugt werden.
Es ist offensichtlich, daß das Ausmaß und die Anzahl der
Trennflächen 26 zwischen den einzelnen Gitterelementen 20, 21
erheblich reduziert werden, so daß die Wärmeleitung durch die
Wandungen erheblich verbessert wird. Insbesondere ist bei ent
sprechender Bearbeitung der Kontaktflächen der Nuten 24 bzw.
der Vorsprünge 25 gewährleistet, daß zwischen den einzelnen
Gitterelementen ein metallischer Kontakt ohne Zwischenräume
besteht, so daß auch aus dieser Sicht eine Verbesserung der
Wärmeleiteigenschaften eintritt. Je nach Anforderungen, kön
nen die Kontaktflächen z. B. durch spanende Bearbeitung paß
genau bearbeitet werden. Insbesondere können die Kontaktflä
chen so bearbeitet werden, daß beispielsweise eine leichte
Preßpassung der jeweiligen Nuten 24 mit den jeweiligen Vor
sprüngen 25 erzeugt wird, die eine Erhöhung der Festigkeit
der gesamten Gitterstruktur zur Folge haben. Auch ist es mög
lich, die einzelnen Gitterelemente je nach Abmessungen durch
Nieten oder Bolzen, die durch die seitlichen Begrenzungsstege
27 der Nuten 24 und der Vorsprünge 25 verlaufen, fest mitein
ander zu verbinden. Die Bolzen oder Stifte sind der Übersicht
lichkeit halber nicht dargestellt und bestehen vorzugsweise
aus demselben Werkstoff wie die Gitterelemente 20, 21.
Die in Fig. 3 dargestellten Gitterelemente 15 entsprechen im
wesentlichen zwei zusammengesetzten Gitterelementen 20, 21.
Die Gitterelemente 15 weisen einen mittleren Steg 16 auf,
an dessen Enden jeweils zwei Schenkel 17 angeordnet sind,
die jeweils mit dem Steg 16 einen Winkel von 120° einschlie
ßen. Die freien Enden der Schenkel 17 sind mit Vorsprüngen
18 oder Nuten 19 versehen, die in die jeweiligen Nuten oder
Vorsprünge des sich anschließenden Gitterelementes eingreifen.
Bei einer derartigen Ausbildung der Gitterelemente 15 können
jeweils identische Gitterelemente zusammengesetzt werden.
In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel von Git
terelementen 30, 31 dargestellt. Die Gitterelemente 30, 31
entsprechen dabei im wesentlichen jeweils drei zusammenge
setzten Gitterelementen 21, 20, 21 bzw. 20, 21, 20 gemäß
Fig. 2. Die Gitterelemente 30, 31 weisen zwei Stege 32, 33
auf, die in einem Winkel von 120° angeordnet sind. An den
freien Enden 35 weisen die Stege Schenkel 36, 37 auf, die
jeweils mit Stegen 32, 33 einen Winkel von 120° einschließen.
Die freien Enden der Schenkel 34, 35 sind jeweils mit Vor
sprüngen 36 oder Nuten 37 versehen, die ineinander eingrei
fen können. Am Schnittpunkt der beiden Stege 32, 33 ist ein
weiterer Schenkel 38, 39 vorgesehen, der ebenfalls mit einer
Nut 40 bzw. einem Vorsprung 41 versehen ist und jeweils einen
Winkel von 120° mit den Stegen 32, 33 einschließt.
Bei der Ausbildung der Schenkel mit Nuten oder Vorsprüngen
ist es lediglich erforderlich, daß die einzelnen Gitterele
mente 15, 20, 21, 30, 31 zu einer zusammenhängenden Struktur
zusammengesetzt werden können. Es sind daher auch andere
Kombinationen von Nuten und Aussparungen möglich, wobei es
insbesondere zweckmäßig ist, daß so wenig wie möglich ver
schiedene Profile zur Erstellung einer zusammenhängenden
Struktur erforderlich sind.
Durch die Ausbildung der Gitterelemente gemäß Fig. 2 oder 3
kann die Anzahl und das Ausmaß der Kontaktflächen 43 zwi
schen den einzelnen Gitterelementen weiter reduziert werden,
wodurch die Wärmeleitung der Restwärme, z. B. eines im Inne
ren angeordneten Brennstabes zur Außenfläche, weiter verbes
sert wird. Auch bei diesen Gitterelementen 15, 30, 31 können
die Kontaktflächen der Nuten 19, 37, 40 oder der Vorsprünge
18, 36, 38, 41 entsprechend den Kontaktflächen der Nuten
24 bzw. Vorsprünge 25 bearbeitet werden.
Die oberen und unteren Abdeckplatten für die Einführöffnun
gen 12 der Gitterstruktur bestehen zweckmäßigerweise aus
demselben Material wie die einzelnen Gitterelemente. Diese
Abdeckplatten sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der
Zeichnung nicht dargestellt.
Die einzelnen Gitterelemente können zu einer Gitterstruktur
zusammengesetzt werden, die einen im wesentlichen kreisförmi
gen Querschnitt hat, deren Durchmesser beispielsweise bis zu
2 m betragen kann. Die in Fig. 5 dargestellte Gitterstruktur
50 ist aus Gitterelementen 20, 21 gemäß Fig. 2 zusammengesetzt
und in einen im Querschnitt ringförmigen Stahlbehälter 51
eingesetzt worden. Die verbleibenden Zwischenräume 52, 53,
54 und 55 zwischen der inneren Wandung 56 des Stahlbehälters
51 werden zweckmäßigerweise mit Füllelementen aus demselben
Werkstoff ausgefüllt, um die Ableitung der Wärme nicht zu
beeinträchtigen. Aufgrund der Geometrie sind in diesem Fall
lediglich vier verschiedene Füllelemente erforderlich, wobei
gegebenenfalls wegen der geringen Abmessungen des Zwischen
raumes 55 auf den Einsatz eines Füllelementes verzichtet wer
den könnte.
Der Stahlbehälter 51 soll die Brennelemente vor äußeren Ein
wirkungen bei der Verwendung, z. B. für die Zwischen- oder
Endlagerung schützen. Der Stahlbehälter 51 ist auf seiner
Außenseite 57 mit nicht dargestellten Kühlrippen versehen,
damit die Restwärme der Brennelemente abgeführt werden kann.
Um einen möglichst guten Wärmeübergang zwischen der Träger
struktur einerseits und der Innenwandung des Stahlbehälters
andererseits zu gewährleisten, ist es erforderlich, daß die
Gitterstruktur zusammen mit den Zwischenelementen paßgenau
in den Stahlbehälter eingeführt wird. Um Verspannungen der
Gitterstruktur mit dem Stahlbehälter oder innerhalb der Git
terstruktur zu vermeiden, die eine Zerstörung der Innen-
oder Außenwandungen der Gitterstruktur oder sogar des Stahl
behälters zur Folge haben könnten, ist es zweckmäßig, daß
der Werkstoff der Gitterstruktur einen geringen oder dem
Stahlbehälter angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf
weist. Die Montage der Gitterstruktur erfolgt nämlich bei
Raumtemperatur, während die Temperatur in den jeweiligen
Gitterelementen während des Betriebs, also während der Zwi
schen- oder Endlagerung der Brennelemente, etwa 250°C be
tragen kann. Diese Anforderungen werden ebenfalls durch den
Werkstoff gemäß der Erfindung erfüllt, da die Möglichkeit
besteht, Silizium in entsprechender Menge der Legierung zu
zusetzen, wodurch der Wärmeausdehnungskoeffizient verringert
wird.
Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften eines Werk
stoffes gemäß der Erfindung werden anhand des folgenden Bei
spiels einer Zusammensetzung erläutert. Der Werkstoff wurde
mit pulvermetallurgischen Verfahrenstechniken hergestellt
und setzt sich zusammen aus (in Gewichts-%):
12,0 bis 20,0% Si
4,0 bis 5,0% Fe
1,5 bis 2,0% Ni
2,0% B (als Borcarbid)
Rest: Al.
4,0 bis 5,0% Fe
1,5 bis 2,0% Ni
2,0% B (als Borcarbid)
Rest: Al.
Der Werkstoff hat folgende physikalische Eigenschaften:
Dichte | |
2,73 bis 2,78 g/cm3 | |
Therm. Ausdehnungskoeff. | 18*10-6-15*10-6 1/K (für den Bereich RT - 250°C) |
Therm. Leitfähigkeit | 160-180 W/mK |
Härte (20°C) | 115-135 HB |
Härte (250°C) | 65-75 HB |
Die mechanischen Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle
wiedergegeben:
Die angegebenen Unter- und Obergrenzen der einzelnen Werte
beziehen sich auf die minimalen bzw. maximalen Legierungsge
halte der obengenannten Zusammensetzung. Der Werkstoff weist
insbesondere hinsichtlich seiner Warmfestigkeit, thermischen
Leitfähigkeit und seines thermischen Ausdehnungskoeffizienten
die gewünschten Eigenschaften auf. Ferner wird durch die
feine und gleichmäßige Verteilung der 2,0 Gewichts-% Bor ge
währleistet, daß die emittierten Neutronen der Brennelemente
aufgefangen und absorbiert werden.
Vorstehend wurde die Verwendung des Werkstoffes anhand von
Transportvorrichtungen oder Behälter für nukleare Brennele
mente erläutert. Es ist natürlich auch möglich, daß der er
findungsgemäße Werkstoff für Vorrichtungen oder Apparate
verwendet werden kann, an denen hinsichtlich der Warmfestig
keit einerseits und/oder der absorbierenden Eigenschaften
für Neutronen andererseits ähnliche oder gleiche Anforderun
gen gestellt werden. So ist ein Einsatz des erfindungsgemäßen
Werkstoffes beispielsweise auch zur Herstellung von Absorber
stäben zur Regulierung des Neutronenflusses im Reaktor mög
lich.
Claims (17)
1. Werkstoff aus einer Legierung auf Aluminium-Basis, dadurch
gekennzeichnet, daß die Legierung einen
Legierungsbestandteil von 0,2 bis 35 Gewichts-% Bor enthält,
wobei die in der Legierung gleichmäßig verteilten
Borteilchen nicht größer als 300 µm sind.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Borgehalt 1 bis 3 Gewichts-% beträgt.
3. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Borgehalt wenigstens 2 Gewichts-% beträgt.
4. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Legierung zusammensetzt aus den
Legierungsbestandteilen (in Gewichts-%):
5% Cu
5% Mg
12% Zn
50% Si
10% Fe
10% Ni
15% C
0,2 bis 35% B
Rest: Al
5% Mg
12% Zn
50% Si
10% Fe
10% Ni
15% C
0,2 bis 35% B
Rest: Al
5. Werkstoff aus einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Legierung sich zusammensetzt aus den
Legierungsbestandteilen (in Gewichts-%):
5% Cu
5% Mg
12% Zn
8 bis 25% Si
3 bis 8% Fe
1 bis 5% Ni
0 bis 6% C
1 bis 5% B
Rest: Al
5% Mg
12% Zn
8 bis 25% Si
3 bis 8% Fe
1 bis 5% Ni
0 bis 6% C
1 bis 5% B
Rest: Al
6. Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffes gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der
borhaltigen Legierung auf Aluminium-Basis ein Block mittels
pulvermetallurgischer Verfahren hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus
der Schmelze der Legierungsbestandteile mittels Sprühkompak
tieren ein Block gebildet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest das Bor mittels eines zusätzlichen Sprühstrahls in
den Sprühstrahl der Schmelze oder auf die dem Sprühstrahl
zugewandte Oberfläche des Sprühguts in den Werkstoff
eingebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schmelze der Legierungsbestandteile zu einem Pulver verdüst
wird und daß mittels pulvermetallurgischen Verfahren das
Pulver zu einem Block verfestigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
Bor in Form eines das Bor beinhaltenden pulverförmigen
Trägermaterials durch Mischung mit dem die restlichen
Legierungsbestandteile enthaltenden Pulver in den Werkstoff
eingebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
Bor durch Reaktionsmahlen des die restlichen Legierungs
bestandteile enthaltenden Pulvers mit einem das Bor
enthaltenden Trägermaterial in den Werkstoff eingebracht
wird.
12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein
sämtliche Legierungsbestandteile enthaltendes Pulver
reaktionsvermahlen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bor in Form von Borcarbid in den
Werkstoff eingebracht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Block anschließend warm und/oder
kalt umgeformt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der Block mittels Strangpressen
umgeformt wird.
16. Verwendung des Werkstoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5
als Konstruktionswerkstoff für Transportvorrichtungen oder
Behälter zum Transportieren bzw. Zwischen- oder Endlagern von
nuklearen Brennelementen.
17. Verwendung des Werkstoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5
als Konstruktionswerkstoff für Absorberstäbe.
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ERBSLOEH AG, 42553 VELBERT, DE |
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D2 | Grant after examination | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |