DE4308612C2

DE4308612C2 - Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit hoher Warmfestigkeit aus einer Legierung auf Aluminium-Basis und Verwendung des so hergestellten Werkstoffs

Info

Publication number: DE4308612C2
Application number: DE4308612A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Baumgarten; Volker Dr Arnhold; Bernd Dipl Ing Commandeur; Klaus Dipl Phys Hummert; Rolf Dipl Ing Schattevoy
Original assignee: Erbsloeh AG
Current assignee: WKW AG
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2013-03-19
Also published as: DE4308612A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit hoher Warmfestigkeit aus einer Legierung auf Aluminium-Basis und die Verwendung des so hergestellten Werkstoffs.

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 Kernkraftwerkes 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 Seigerungen 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 innenliegenden 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.

In der FR 25 33 943 wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei das Bor als intermetallische Verbindung in die Aluminium legierungsschmelze unter Rühren eingebracht wird. Dieses Verfahren besitzt den Nachteil, daß die verwendeten intermetallischen Borverbindungen vergleichsweise teuer sind und sich in der Schmelze nicht homogen verteilen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs auf Aluminium-Basis mit einem für eine sichere Neutronenabsorption notwendigen und im Werkstoff gleichmäßig verteilten Boranteil zu schaffen, wobei der Werkstoff eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Warmfestigkeit besitzen soll.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß aus der Aluminium- Legierungsschmelze mittels Sprühkompaktieren ein Block gebildet wird, wobei das Bor vorzugsweise in Form von Borcarbid zugegeben wird. Der Anteil des Bors in der Legierung beträgt 0,2 bis 35 Gewichtsprozent. Die Teilchengröße des Bors wird nicht größer als 300 µm gewählt. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung des Bors im Werkstoff erzielt. Durch die feine und gleichmäßige Verteilung des Bors einerseits und die Möglichkeit der hohen Borkonzentration andererseits ist gewährleistet, daß alle emittierten Neutronen des Brennelementes von der umgebenden Wandung aus dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoff aufgefangen werden. Je nach den Anforderungen an die Transportvorrichtung oder den Behälter, beispielsweise für die Zwischen- oder Endlagerung, und den Eigenschaften der Brennelemente als solche, ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Borgehalt 1 bis 3 Gewichtsprozent beträgt. Für andere Anwendungsfälle, z. B. bei Absorberstäben, die zur Regulierung des Neutronenflusses im Reaktorkern dienen, kann es zweckmäßig sein, daß der Borgehalt wenigstens 2 Gewichtsprozent 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.

Der erfindungsgemäß herzustellende Werkstoff kann sich aus den Legierungsbe standteilen (in Gewichts-%)

≦ 5% Cu,
≦ 5% Mg,
≦ 12% Zn,
≦ 50% Si,
≦ 10% Fe,
≦ 10% Ni,
≦ 15% C,
≦ 0,2 bis 35% B,
Rest: Al

zusammensetzen. In einer weiteren Ausgestaltung setzt sich die erfindungsgemäß herzustellende 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.

zusammen. Die genannten Werkstoffe können zusätzlich die her stellungsbedingten Verunreinigungen aufweisen.

Ferner weist der erfindungsgemäß herzustellende 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 erfindungsgemäß hergestellten 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 Auswirkungen 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 gegebenefalls 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 bestehenden 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.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, daß der Block durch Strangpressen warm und/oder kalt umgeformt wird. Je nach Ausbildung der Preßmatrize 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 erfindungsgemäß hergestellten 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 Gitterlementen 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 Andeckplatten 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, Silicium in entsprechender Menge der Legierung zu zusetzen, wodurch der Wärmeausdehnungskoeffizient verringert wird.

Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffes werden anhand des folgenden Beispiels einer Zusammensetzung erläutert. Der hergestellte Werkstoff 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.

Der Werkstoff hat folgende physikalische Eigenschaften:

Dichte: 2,73 bis 2,78 g/cm³,
Therm. Ausdehnungskoeff.: 18 . 10^{-6 -} 15 . 10^-6 l/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 findungsgemäß hergestellte 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 erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffes beispielsweise auch zur Herstellung von Absorber stäben zur Regulierung des Neutronenflusses im Reaktor mög lich.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs mit hoher Warmfestigkeit aus einer Legierung auf Aluminium-Basis, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Schmelze der Legierungsbestandteile mittels Sprühkompaktieren ein Block gebildet wird, wobei das Bor in einer Menge von 0,2 bis 35 Gewichts-%, mit einer Teilchengröße nicht größer als 300 µm in gleichmäßiger Verteilung in den Werkstoff eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bor in Form von Borcarbid zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit 1 bis 3 Gewichts-% Bor hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit wenigstens 2 Gewichts-% Bor hergestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung mit folgender Zusammensetzung (in Gewichts-%) hergestellt wird:
bis 5% Kupfer,
bis 5% Magnesium,
bis 12% Zink,
bis 50% Silicium,
bis 10% Eisen,
bis 10% Nickel,
bis 15% Kohlenstoff,
0,2 bis 35% Bor,
Rest: Aluminium.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung hergestellt wird, die
8 bis 25% Silicium,
3 bis 8% Eisen,
1 bis 5% Nickel,
0 bis 6% Kohlenstoff,
1 bis 5% Bor enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.

8. Verwendung des nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 7 hergestellten Werkstoffes als Konstruktionswerkstoff für Transportvorrichtungen oder Behälter zum Transportieren bzw. Zwischen- oder Endlagern von nuklearen Brennelementen.

9. Verwendung des nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 7 hergestellten Werkstoff als Konstruktionswerkstoff für Absorberstäbe.