EP1087408A1 - Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung zur Absorption der bei der Kernreaktion radioaktiver Materialien entstehenden Neutronen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung zur Absorption der bei der Kernreaktion radioaktiver Materialien entstehenden Neutronen Download PDF

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EP1087408A1
EP1087408A1 EP99118989A EP99118989A EP1087408A1 EP 1087408 A1 EP1087408 A1 EP 1087408A1 EP 99118989 A EP99118989 A EP 99118989A EP 99118989 A EP99118989 A EP 99118989A EP 1087408 A1 EP1087408 A1 EP 1087408A1
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EP
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neutron capture
capture section
coating
high neutron
elements
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Patzelt Matthias
Methling Dieter
Stelzer Hermann
Diersch Rudolph
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Metallveredlung GmbH and Co KG
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GNB Gesellschaft fuer Nuklear Behaelter mbH
Metallveredlung GmbH and Co KG
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F1/00—Shielding characterised by the composition of the materials
    • G21F1/02—Selection of uniform shielding materials
    • G21F1/08—Metals; Alloys; Cermets, i.e. sintered mixtures of ceramics and metals

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a coating for Absorption of the nuclear radioactive materials Neutrons.
  • the invention also relates to a manufactured by the method Absorber element.
  • absorber elements in the form of different types of shafts, canisters, Tubes or similar configuration are made that contain a neutron surround the emitting object and thereby shield it.
  • the stake such absorber elements enable, for example, compact storage Neutron donating elements, especially fuel elements Nuclear power plants.
  • a fuel assembly storage rack is known from EP 0 385 187 A1, in which Absorber sheets form a number of shafts that cover the fuel elements enclose their entire length. These absorber elements are around shafts or pipes made of a neutron absorbing material, for Example boron steel, a stainless steel with a boron content of 1 to 2%. Except these absorber elements are of the required manufacturing expenditure extremely expensive and the efficiency is limited due to the Boron content limited. When trying to increase the boron content, the Deposition of a boron-nickel alloy checked. The boron content can be up to be increased to 8%, but the costs also increase by a factor 10, so that an economical use of such pipes are out of the question can.
  • US Pat. No. 4,218,622 describes a composite absorber element which has a thin carrier film or a thin carrier plate on which a polymer matrix is applied, in which boron carbide particles are embedded. Glass fiber-reinforced polymer is preferably used as the material of the carrier film or the carrier plate. The boron carbide particles are evenly distributed on the surface of the polar matrix, with a boron concentration of up to 0.1 g / cm 2 . When the composite absorber part is used in a fuel assembly storage rack, this absorber element has a thickness of up to 7 mm, is in the form of a film or sheet and is suspended between an inner wall and an outer wall. It is not clear from US Pat. No. 4,218,622 whether a homogeneous distribution of the boron carbide particles arranged on the surface of the polymer matrix is guaranteed over a longer period, in particular with regard to possible abrasion on the surface.
  • EP 0 016 252 A1 describes a method for producing a described neutron-absorbing absorber element.
  • boron carbide in the process by means of plasma spraying boron carbide together with a metallic substance applied a substrate, wherein the boron carbide in a matrix of a metallic substance is incorporated.
  • the procedure is also such that oxidation of the boron is avoided.
  • the absorber element thus produced is said to compared to a liquid medium, such as in a Fuel pool is present, be stable.
  • the thickness of the means Plasma sprayed layer of metal and boron carbide at least 500 ⁇ m.
  • the proportion of boron carbide is approximately 50% by volume.
  • metallic substance are aluminum, copper and stainless steel, wherein the substrate is the same metallic substance as the sprayed layer contains.
  • To achieve effective neutron absorption is a relatively thick one Layer on boron carbide required, in particular the thickness of layer 3 up to 6 mm.
  • DE-AS 1 037 302 and DE 2 361 363 disclose pipes, especially cans, on their outer surface by electrolytic means provided with absorber material to protect against radioactive radiation.
  • electrolytic means provided with absorber material to protect against radioactive radiation.
  • boron steel is extremely complex.
  • the steel will melted and boron is removed through complex procedures up to the 10-valence enriched and mixed with the melted steel. It results a boron steel with 1.1 to 1.4 wt .-% boron.
  • This steel is very difficult to do machining is extremely brittle and difficult to weld.
  • Shielding elements manufactured have an extremely high weight average absorption properties. For example, are made of boron steel manufactured inner storage containers, so-called baskets, for the intermediate storage of Fuel elements known that have a weight of about 10 t.
  • WO 98/59344 describes a method for producing a coating for Neutron absorption is known, with corresponding surfaces of a Shielding element is provided with a boron / nickel layer, in which Dispersion bath boron in elemental form or boron carbide.
  • Dispersion bath boron in elemental form or boron carbide Although can be achieve high boron incorporation rates, however the incorporation rate is when using boron limited in elementary form and the coating has great hardness and therefore a high brittleness.
  • Boron carbide has poor conductivity, at most semiconductor properties, and is therefore electrolytically difficult or even not controllable. This results in only slow layer build-ups and bad layers. The relative movement generated results in a certain randomness in the layer structure. This makes the process whole very expensive, because it is in terms of the materials used Process management and the like very demanding.
  • the present invention is based on the object of further improving a method for producing a coating or shielding elements for absorbing the neutrons formed during the nuclear reaction of radioactive materials, which method is economical and easy to use, the effectiveness of the absorption increased, allows greater variability with regard to the base materials and shape of the shielding elements, can be easily controlled in terms of process technology and in particular enables the manufacture of lighter absorber elements with at least the same absorption qualities.
  • a method for producing a coating for absorbing the neutrons formed during the nuclear reaction of radioactive materials, at least part of a shielding element consisting of a base material being provided on its predetermined surfaces in a dispersion bath with an element having a high neutron capture section and an electrolytically or autocatalytically depositable metallic element is formed, wherein during the coating process a relative movement between the surface to be coated in each case and the dispersion bath is generated, the element having a high neutron capture section being present in an electrically conductive connection in the dispersion bath.
  • Elements can be used as elements with a high neutron capture section the group boron, also in elemental form or boron carbide, gadolinium, cadmium, Samarium, Europium or Dysprosium.
  • the high neutron capture section stands for the size of the capture cross section for neutrons of the respective element.
  • Metallic connections in particular have proven to be conductive connections proven to be particularly usable.
  • Metal borides such as for example iron boride, nickel boride and the like. The enumeration is exemplary and expandable in relation to the elements mentioned.
  • the Conductivity stands for good electrolytic controllability, so the process under less demanding conditions with high reliability and Reproducibility can be managed.
  • nickel, cadmium or copper are particularly suitable.
  • the element with high neutron capture section or its connections are in this Metal matrix installed with the corresponding effect.
  • isotopes of the respective elements which have an enlarged neutron capture section.
  • 11 B means a neutron capture section of 0.005 barn
  • isotope 10 B means 3837 barn. This results in the possible lower layer thicknesses.
  • the absorption layers are on the order of up to 800 pm.
  • Inorganic base material is advantageous use, for example steel, stainless steel, boron steel, titanium, aluminum, copper, Nickel and the like including appropriate alloys.
  • carbon fiber material has the particular advantage of galvanotechnical manufacturability of the absorption element.
  • the absorber element in finished condition or to manufacture in individual parts. Due to the independence from the base material can be very easily editable materials be used. On the other hand, very complicated forms of Completely prefabricate absorber elements, containers, baskets and the like and then coat according to the invention.
  • the base material can be prefabricated as a finished part or as a single part, so that finished absorber elements can be formed from the individual parts.
  • the Assembling the absorber elements or parts of absorber elements to complete storage points or baskets can be by force and / or positive connections are made.
  • the invention also enables the coating of complete storage racks and baskets.
  • the coating in Dispersion bath is either chemical or electrolytic.
  • the relative movement between the surface to be coated and the Dispersion bath can, for example, by moving the coating Element in the dispersion bath.
  • elements like boron and the like such that circulating or pumping the Dispersion is practically not economically possible. Any circulation or Pumping unit would be worn out in no time.
  • a continued thorough mixing or a repeated mixing of the dispersion can be achieved, on the other hand a directed supply of the dispersion to the surface to be coated.
  • the entire coating system can also move the element itself be moved for the purpose of generating the relative movement. So is for example, the coating can be carried out in a kind of drum.
  • the relative movement can also be achieved by mechanical movement of the bath, Blowing gas, especially air, ultrasound support and combinations of which are done.
  • the invention proposes that the to Coating surface in the dispersion bath arranged upward becomes.
  • This Arrangement according to the invention in particular in combination with the temporary generation of a relative movement between the surface and the Dispersion bath, promotes excellent coating results.
  • the invention proposes that the Coating process is carried out in a ceramic or glass tub. This ensures that the dispersion bath is particularly clean.
  • the invention also relates to the method described manufactured absorber elements. These are characterized in that they are a formed from an element with a high neutron capture section and nickel Have coating with a portion of the element or its connection with high neutron capture section up to 60 vol.% or around 40 Vol .-%.
  • the layer thickness is 350 to 500 ⁇ m up to 800 ⁇ m, the layer on an inorganic base material such as steel, titanium, copper or the like is trained. Layer thicknesses of up to 2000 ⁇ m can be achieved.
  • the training takes place chemical or electrolytic.
  • the shielding element can be in finished form or have been coated from individual Individual parts must be put together. Possible electrolytes are, for example Electroless nickel-phosphorus or electrolytically nickel.

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Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung zur Absorption der bei der Kernreaktion radioaktiver Materialien entstehenden Neutronen anzugeben, welches wirtschaftlich und einfach anwendbar ist, die Effektivität der Absorption erhöht, hinsichtlich der Basismaterialien und Form der Abschirmelemente größere Variabilität zuläßt und insbesondere die Herstellung leichterer Abschirmelemente bei mindestens gleichen Absorptionsqualitäten ermöglicht, wird vorgeschlagen ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung zur Absorption der bei der Kernreaktion radioaktiver Materialien entstehenden Neutronen, wobei wenigstens ein Teil eines aus einem Basismaterial bestehenden Abschirmelementes an seinen dafür vorbestimmten Oberflächen in einem Dispersionsbad mit einer aus einem Element mit hoher Neutroneneinfangssektion und einem elektrolytisch bzw. autokatalytisch abscheidbaren metallischen Element gebildeten Schicht versehen wird, wobei während des Beschichtungsvorganges wenigstens zeitweise eine Relativbewegung zwischen der jeweils zu beschichtenden Oberfläche und dem Dispersionsbad erzeugt wird, wobei das Element mit hoher Neutroneneinfangssektion in einer elektrisch leitenden Verbindung im Dispersionsbad vorliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung zur Absorption der bei der Kernreaktion radioaktiver Materialien entstehenden Neutronen. Die Erfindung betrifft auch ein nach dem Verfahren hergestelltes Absorberelement.
Für die Behandlung der insbesondere aus dem Gebiet der Kernreaktortechnik stammenden radioaktiven Materialien werden diese je nach Aufgabenstellung, Material und Zustand beispielsweise zum Wechsel und/oder zur Überprüfung sowie zum Transport und/oder Lagerung zur Vermeidung von weiteren Kernreaktionen durch die zwangsläufig abgestrahlten Neutronen voneinander abgeschirmt. Zur Erreichung einer gewünschten Neutronenabsorption werden üblicherweise Absorberelemente in Form verschiedenartiger Schächte, Kanister, Rohre oder ähnlicher Konfiguration hergestellt, die einen Neutronen aussendenden Gegenstand umgeben und ihn dadurch abschirmen. Der Einsatz solcher Absorberelemente ermöglicht beispielsweise die kompakte Lagerung Neutronen abgebender Elemente, insbesondere Brennelemente aus Kernkraftanlagen.
Aus der EP 0 385 187 A1 ist ein Brennelement-Lagergestell bekannt, bei dem Absorberbleche eine Anzahl von Schächten bilden, die die Brennelemente über deren gesamter Länge umschließen. Bei diesen Absorberelementen handelt es sich um Schächte bzw. Rohre aus einem Neutronen absorbierenden Material, zum Beispiel Borstahl, einem Edelstahl mit einem Boranteil von 1 bis 2 %. Abgesehen von dem erforderlichen Herstellungsaufwand sind diese Absorberelemente überaus kostenintensiv und der Wirkungsgrad ist wegen des beschränkten Boranteils begrenzt. Bei dem Versuch, den Boranteil zu erhöhen, wurde die Abscheidung einer Bor-Nickel-Legierung überprüft. Der Boranteil kann zwar auf bis zu 8 % erhöht werden, jedoch erhöhen sich auch die Kosten etwa um den Faktor 10, so daß ein wirtschaftlicher Einsatz derartiger Rohre nicht in Frage kommen kann.
Für andere Aufgaben, beispielsweise den Transport und/oder die Lagerung radioaktiver Materialien, werden Verfahren eingesetzt, bei welchen auf den metallischen Oberflächen von Behältern Nickelschichten abgeschieden werden.
In der US-PS 4 218 622 ist ein zusammengesetztes Absorberelement beschrieben, welches eine dünne Trägerfolie oder ein dünnes Trägerblech aufweist, auf das eine Polymermatrix aufgetragen ist, in die Borcarbid-Partikel eingelagert sind. Als Material der Trägerfolie bzw. des Trägerblechs wird bevorzugt glasfaserverstärktes Polymer verwendet. Die Borcarbid-Partikel sind gleichmäßig an der Oberfläche der Polimärmatrix verteilt, mit einer Borkonzentration von bis zu 0,1 g/cm2. Bei einer Verwendung des zusammengesetzten Absorberteils in einem Brennelement-Lagergestell hat dieses Absorberelement eine Dicke von bis zu 7 mm, ist in Form einer Folie oder eines Blechs ausgestaltet und zwischen einer inneren Wand und einer äußeren Wand aufgehängt. Ob eine homogene Verteilung der an der Oberfläche der Polymermatrix angeordneten Borcarbid-Partikel über eine längere Zeit gewährleistet ist, insbesondere im Hinblick auf einen möglichen Abrieb an der Oberfläche, kann der US-PS 4 218 622 nicht entnommen werden.
In der EP 0 016 252 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines neutronenabsorbierenden Absorberelementes beschrieben. In dem Verfahren wird mittels Plasmasprühens Borcarbid zusammen mit einer metallischen Substanz auf ein Substrat aufgebracht, wobei das Borcarbid in eine Matrix aus einer metallischen Substanz eingebunden wird. Das Verfahren erfolgt zudem so, daß eine Oxidation des Bors vermieden wird. Das so hergestellte Absorberelement soll gegenüber einem flüssigen Medium, wie es beispielsweise in einem Brennelement-Lagerbecken vorliegt, stabil sein. Die Dicke der mittels Plasmasprühens aufgebrachten Schicht aus Metall und Borcarbid beträgt mindestens 500 µm. Der Anteil des Borcarbids beträgt etwa 50 Vol.-%. Als metallische Substanz kommen Aluminium, Kupfer und rostfreier Stahl in Betracht, wobei das Substrat dieselbe metallische Substanz wie die aufgesprühte Schicht enthält. Zur Erreichung einer wirksamen Neutronenabsorption ist eine relativ dicke Schicht auf Borcarbid erforderlich, insbesondere beträgt die Dicke der Schicht 3 bis 6 mm.
Aus der DE-AS 1 037 302 und der DE 2 361 363 ist es bekannt, Rohre, insbesondere Konservendosen, auf ihrer Außenfläche auf elektrolytischem Wege mit Absorbermaterial zum Schutz gegen radioaktive Strahlungen zu versehen. Hinsichtlich der verfahrenstechnischen Vorgänge und Vorrichtungen zur technischen Durchführung der physikalisch-chemischen Zustandsänderungen und Stoffwandlungen zum Aufbringen der Absorbermaterialien können aus der DE-AS-1 037 302 und der DE 2 361 363 keine Informationen entnommen werden.
Aus der EP 0 055 679 A2 sind Verfahren zur Herstellung von Abschirmelementen bekannt, wobei Borcarbid entweder in einem Plasmabeschichtungsverfahren auf die Oberfläche des Abschirmelementes aufgebracht, oder nach einer elektrolytischen oder chemischen Vorvernickelung des Abschirmelementes Borcarbid als Pulver auf die Oberfläche gestreut und das Abschirmelement anschließend elektrolytisch oder chemisch nachvernickelt wird. Nach diesen Verfahren lassen nur geringe Borcarbidmengen in Größenordnungen um 20 Gew.-% in bezug auf Nickel auf die Oberfläche aufbringen. Es bedarf somit sehr starker Schichten, so daß diese vorbekannten Verfahren unwirtschaftlich sind. In der Praxis wurden diese Verfahren nicht weiter eingesetzt, da sie verfahrenstechnisch auch nicht konkret realisierbar sind. Das Auftragen eines Pulvers auf eine Oberfläche im Sinne von Aufstreuen ist keine Maßnahme, die eine gesicherte industrielle Produktion gewährleistet.
Sämtliche vorbekannten Verfahren und danach hergestellten Abschirmelemente können als unwirtschaftlich im Sinne von großen Herstellungskosten und einem großem Materialaufwand angesehen werden. Darüber hinaus ist die Variabilität der Form der Abschirmelemente und die Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten eingeschränkt.
Die Herstellung von Borstahl ist überaus aufwendig. Der Stahl wird aufgeschmolzen und Bor wird durch aufwendige Verfahren bis hin zur 10-Wertigkeit angereichert und mit dem aufgeschmolzenen Stahl vermengt. Es ergibt sich ein Borstahl mit 1,1 bis 1,4 Gew.-% Bor. Dieser Stahl läßt sich sehr schlecht bearbeiten, ist überaus spröde und läßt sich schlecht schweißen. Daraus hergestellte Abschirmelemente haben ein äußerst hohes Gewicht bei durchschnittlichen Absorptionseigenschaften. Beispielsweise sind aus Borstahl hergestellte Lagerinnenbehälter, sogenannte Körbe, für die Zwischenlagerung von Brennelementen bekannt, die ein Gewicht von ca. 10 t aufweisen.
Aus der WO 98/59344 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung zur Neutronenabsorption bekannt, wobei entsprechende Oberflächen eines Abschirmelementes mit einer Bor/Nickel-Schicht versehen wird, wobei in dem Dispersionsbad Bor in Elementarform oder Borcarbid vorliegen. Zwar lassen sich hohe Boreinbauraten erzielen, jedoch ist die Einbaurate bei Verwendung von Bor in Elementarform begrenzt und die Beschichtung weist eine große Härte und damit eine hohe Sprödigkeit auf. Borcarbid hat nur schlecht leitende Eigenschaften, allenfalls Halbleitereigenschaften, und ist damit elektrolytisch schwer bzw. gar nicht steuerbar. Daraus ergeben sich nur langsame Schichtaufbauten und schlechte Schichtausbildungen. Durch die erzeugte Relativbewegung ergibt sich eine gewisse Zufälligkeit im Schichtaufbau. Dadurch wird das Verfahren insgesamt sehr aufwendig, denn es ist hinsichtlich der verwendeten Materialien, der Verfahrensführung und dergleichen sehr anspruchsvoll.
Ausgehend von dem vorbekannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung bzw. von Abschirmelementen zur Absorption der bei der Kernreaktion radioaktiver Materialien entstehenden Neutronen weiter zu verbessern, welches wirtschaftlich und einfach anwendbar ist, die Effektivität der Absorption erhöht, hinsichtlich der Basismaterialien und Form der Abschirmelemente größere Variabilität zuläßt, verfahrenstechnisch gut steuerbar ist und insbesondere die Herstellung leichterer Absorberelemente bei mindestens gleichen Absorptionsqualitäten ermöglicht.
Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung zur Absorption der bei der Kernreaktion radioaktiver Materialien entstehenden Neutronen, wobei wenigstens ein Teil eines aus einem Basismaterial bestehenden Abschirmelementes an seinen dafür vorbestimmten Oberflächen in einem Dispersionsbad mit einer aus einem Element mit hoher Neutroneneinfangssektion und einem elektrolytisch bzw. autokatalytisch abscheidbaren metallischen Element gebildeten Schicht versehen wird, wobei während des Beschichtungsvorganges wenigstens zeitweise eine Relativbewegung zwischen der jeweils zu beschichtenden Oberfläche und dem Dispersionsbad erzeugt wird, wobei das Element mit hoher Neutroneneinfangssektion in einer elektrisch leitenden Verbindung im Dispersionsbad vorliegt.
Es hat sich gezeigt, daß die Ausbildung z. B. einer Bornickelschicht in einem Dispersionsbad bei zeitweiser Relativbewegung zwischen zu beschichtender Oberfläche und dem Dispersionsbad sehr gute Ergebnisse mit sich bringt. Durch die Verwendung leitfähiger Verbindungen von Elementen mit hoher Neutroneneinfangssektion ergibt sich eine gute elektrolytische Steuerbarkeit und es hat sich überraschend gezeigt, daß die Einbauraten erheblich erhöht werden können. Dazu resultiert die Möglichkeit, sehr viel geringere Schichtdicken auszubilden.
Als Elemente mit hoher Neutroneneinfangssektion kommen in Frage Elemente aus der Gruppe Bor, auch in Elementarform oder Borcarbid, Gadolinium, Cadmium, Samarium, Europium oder Dysprosium. Die hohe Neutroneneinfangssektion steht für die Größe des Einfangsquerschnittes für Neutronen des jeweiligen Elementes. Als leitfähige Verbindungen haben sich insbesondere metallische Verbindungen als besonders gut einsetzbar erwiesen. Hierbei sind zu nennen Metallboride wie beispielsweise Eisenborid, Nickelborid und dergleichen. Die Aufzählung ist beispielhaft und in Bezug auf die genannten Elemente erweiterbar. Die Leitfähigkeit steht für die gute elektrolytische Steuerbarkeit, so daß das Verfahren unter weniger anspruchsvollen Randbedingungen mit hoher Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit geführt werden kann.
Als elektrolytisch bzw. autokatalytisch abscheidbares metallisches Element kommen insbesondere in Frage Nickel, Cadmium oder Kupfer. Das Element mit hoher Neutroneneinfangssektion oder seine Verbindungen werden in diesem Metallmatrix mit der entsprechenden Wirkung eingebaut.
Mit besonderem Vorteil wird vorgeschlagen, Isotope der jeweiligen Elemente zu verwenden, die eine vergrößerte Neutroneneinfangssektion aufweisen. So ist beispielsweise bekannt, daß die Verwendung von 11B eine Neutroneneinfangssektion von 0,005 barn bedeutet, während die Verwendung des Isotops 10B 3837 barn bedeutet. Daraus ergeben sich die möglichen geringeren Schichtdicken.
Es ergibt sich somit aufgrund der hohen Einlagerungsraten eine sehr viel größere Effektivität. Die Absorptionsschichten liegen in Größenordnungen von bis zu 800 pm. Darüber hinaus ist ein besonderer Vorteil die Unabhängigkeit des Verfahrens vom Basismaterial. In vorteilhafter Weise ist anorganisches Basismaterial einzusetzen, beispielsweise Stahl, Edelstahl, Borstahl, Titan, Aluminium, Kupfer, Nickel und dergleichen einschließlich entsprechender Legierungen. Trotz seines organischen Charakters kann als Basismaterial Kohlefasermaterial in Betracht gezogen werden. Kohlefasermaterial hat den besonderen Vorteil der galvanotechnischen Herstellbarkeit des Absorptionselementes.
Auch besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, das Absorberelement in fertiggestelltem Zustand oder in Einzelteilen zu fertigen. Aufgrund der Unabhängigkeit vom Basismaterial können sehr einfach bearbeitbare Materialien verwendet werden. Andererseits lassen sich auch sehr komplizierte Formen von Absorberelementen, Behälter, Körbe und dergleichen, vollständig vorfertigen und anschließend erfindungsgemäß beschichten.
Wegen der hohen Einbaurate ist die Abschirmung äußerst effektiv, so daß die Schichten extrem dünn sein können. Somit sind Gewichtseinsparungen um bis zu 50 % in bezug auf nach herkömmlichen Verfahren herstellbare Abschirmelemente möglich. Die derzeit im Behälter-Programm zur Brennelementlagerung verwendeten Lagerinnenbehälter (Körbe) von bisher ca. 10 t lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr in Größenordnungen von 4 bis 6 t herstellen.
Das Basismaterial kann als Fertigteil oder Einzelteil vorgefertigt werden, so daß aus den Einzelteilen fertige Absorberelemente gebildet werden können. Das Zusammensetzen der Absorberelemente oder der Teile von Absorberelementen zu kompletten Lagerstellen oder Tragkörben kann durch kraft- und/oder formschlüssige Verbindungen hergestellt werden. Die Erfindung ermöglicht auch die Beschichtung vollständiger Lagergestelle und Tragkörbe. Die Beschichtung im Dispersionsbad erfolgt entweder chemisch oder elektrolytisch.
Die Relativbewegung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und dem Dispersionsbad kann beispielsweise durch eine Bewegung des zu beschichtenden Elementes im Dispersionsbad erfolgen. Bekanntermaßen sind Elemente wie Bor und dergleichen so beschaffen, daß ein Umwälzen oder Umpumpen der Dispersion praktisch nicht wirtschaftlich möglich ist. Jegliches Umwälz- oder Umpumpaggregat würde in kürzester Zeit verschlissen sein. Dennoch soll durch die Relativbewegung einerseits eine weiterhin gute Durchmischung oder eine wiederholte Durchmischung der Dispersion erreicht werden, andererseits eine gerichtete Zuleitung der Dispersion auf die zu beschichtende Oberfläche. Neben der Bewegung des Elementes selbst kann auch die gesamte Beschichtungsanlage zum Zwecke der Erzeugung der Relativbewegung bewegt werden. So ist beispielsweise die Durchführung der Beschichtung in einer Art Trommel denkbar. Die Relativbewegung kann auch durch mechanische Bewegung des Bades, Einblasen Gas, insbesondere Luft, Ultraschallunterstützung sowie Kombinationen davon erfolgen.
Mit besonderem Vorteil wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß die zu beschichtende Oberfläche in dem Dispersionsbad nach oben weisend angeordnet wird. Damit ist gemeint, daß die zu beschichtende Oberfläche derart im Dispersionsbad angeordnet wird, daß aufgrund der Schwerkraft die in der Dispersion befindlichen Partikel auf die Oberfläche absinken. Diese erfindungsgemäße Anordnungsweise, insbesondere in Kombination mit der zeitweisen Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Oberfläche und dem Dispersionsbad, begünstigt hervorragende Beschichtungsergebnisse.
Mit besonderem Vorteil wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß das Beschichtungsverfahren in einer Keramik- oder Glaswanne durchgeführt wird. Hierdurch wird eine besondere Reinheit des Dispersionsbades gewährleistet.
Mit der Erfindung wird ein einfach durchführbares, wirtschaftliches und sehr effektives Verfahren zur Herstellung von Absorberelementen zur Neutronenabsorption angegeben, welches insbesondere basismaterialunabhängig Absorberelemente herstellbar macht, die bei vergleichbaren Absorptionswirkungen erheblich leichter sind als bekannte Abschirmelemente.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Absorberelemente. Diese sind gekennzeichnet dadurch, daß sie eine aus einem Element mit hoher Neutroneneinfangssektion und Nickel gebildeten Beschichtung aufweisen mit einem Anteil an dem Element oder seiner Verbindung mit hoher Neutroneneinfangssektion bis zu 60 Vol.-% beziehungsweise um 40 Vol.-%. Die Schichtdicke liegt bei 350 bis 500 µm bis zu 800 µm, wobei die Schicht auf einem anorganischen Basismaterial wie Stahl, Titan, Kupfer oder dergleichen ausgebildet ist. Schichtdicken bis 2000 µm sind realisierbar. Die Ausbildung erfolgt chemisch beziehungsweise elektrolytisch. Das Abschirmelement kann in fertiggestellter Form beschichtet worden sein oder aus einzelnen beschichteten Einzelteilen zusammengestellt sein. Als Elektrolyt kommen beispielsweise in Frage außenstromlos Nickel-Phosphor oder elektrolytisch Nickel.
In einem Versuch wurden herkömmliche Stahlplatten in einem Nickel/Borcarbid-Dispersionsbad elektrolytisch beschichtet. Dabei wurden die Platten alle halbe Stunde in dem Bad gewendet und zeitweise auf und nieder bewegt, um einerseits eine Relativbewegung zwischen den Oberflächen und dem Dispersionsbad zu erzeugen, andererseits die jeweils zu beschichtende Oberfläche nach oben weisend im Bad anzuordnen. Es konnte Borcarbid im Bereich von 40 Vol.-% in die Nickelmatrix eingebaut werden, wie anschließende Analysen ergaben.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung zur Absorption der bei der Kernreaktion radioaktiver Materialien entstehenden Neutronen, wobei wenigstens ein Teil eines aus einem Basismaterial bestehenden Abschirmelementes an seinen dafür vorbestimmten Oberflächen in einem Dispersionsbad mit einer aus einem Element mit hoher Neutroneneinfangssektion und einem elektrolytisch bzw. autokatalytisch abscheidbaren metallischen Element gebildeten Schicht versehen wird, wobei während des Beschichtungsvorganges wenigstens zeitweise eine Relativbewegung zwischen der jeweils zu beschichtenden Oberfläche und dem Dispersionsbad erzeugt wird, wobei das Element mit hoher Neutroneneinfangssektion in einer elektrisch leitenden Verbindung im Dispersionsbad vorliegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Element mit hoher Neutroneneinfangssektion wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe Bor, Gadolinium, Cadmium, Samarium, Europium oder Dysporsium verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrolytisch bzw. autokatalytisch abscheidbares metallisches Element eines der Elemente aus der Gruppe Nickel, Cadmium oder Kupfer verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als leitende Verbindung des Elementes mit hoher Neutroneneinfangssektion eine metallische Verbindung verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als leitende Verbindung des Elementes mit hoher Neutroneneinfangssektion Metallborid verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit hoher Neutroneneinfangssektion in Form eines Isotopen mit erhöhter Neutroneneinfangssektion verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung durch Bewegung des zu beschichtenden Elementes erzeugt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung durch Einblasen von Gas, und/oder Ultraschallbeschickung erzeugt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtbildung chemisch erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtbildung elektrolytisch erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht von einer Dicke von bis zu 800 µm erzeugt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit hoher Neutroneneinfangssektion oder seine Verbindungen mit bis zu 60 Vol.-% in die Metallmatrix eingebaut wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionsbad während des Beschichtungsvorganges wenigstens zeitweise durchmischt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einer Keramik- oder Glaswanne durchgeführt wird.
  15. Absorberelement hergestellt nach dem Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses aus einem anorganischen Basismaterial mit einer darauf ausgebildeten aus einem Element mit hoher Neutroneneinfangssektion und einem elektrolytisch bzw. autokatalytisch abscheidbaren metallischen Element gebildeten Schicht besteht, wobei in der Beschichtung ein Element mit hoher Neutroneneinfangssektion mit mehr als 20 Vol.-% enthalten ist.
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