DE1227572B - Kernbrennstoffkoerper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Kernbrennstoffkoerper und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
G21c
Deutsche Kl.: 21 g - 21/20
Nummer: 1227 572
Aktenzeichen: U 9708 VIII c/21;
Anmeldetag: 6. April 1963
Auslegetag: 27. Oktober 1966
Die Erfindung bezieht sich auf Kernbrennstoffkörper, die aus einer Siliciumkarbidmatrix bestehen, in
der Teilchen aus gesintertem Urankarbid eingebettet sind.
Kernbrennstoffelemente, die aus einer Mehrzahl von Fonnkörpern aus gesintertem Urankarbid innerhalb
einer Schutzhülse bestehen und bei denen jeder Formkörper einen Überzug aus einem oder mehreren
Stoffen, unter anderem auch aus Siliciumkarbid, besitzt, sind bekannt. Es ist weiter bekannt, für feinteilige
keramische Brennstoffe, wie Urankarbid, Silicium im Gemisch mit Siliciumkarbid als Matrixmaterial
zu verwenden und Urankarbidteilchen aus Urandioxyd durch gemeinsames Sintern mit Graphit
bei 1800° C herzustellen. Auch kugelige Aggregate aus Urankarbid, die durch Tränken vorgeformter
Kohlenstoffkügelchen mit Uranoxalatlösung und Sintern dieser Kügelchen hergestellt wurden, sind
bekannt.
Die Herstellung dieser bekannten Kernbrennstoffelemente ist sehr kompliziert und gewährleistet nicht
immer das, was verlangt wird, nämlich ausreichende Isolierung gegenüber den Kühlmitteln und eine gewisse
Stabilität der für den Aufbau der Brennstoffelemente verwendeten Komponenten mit verschieden
großen Ausdehnungskomponenten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kerabrennstoffkörper
zu schaffen, die serienmäßig durch einen geeignet geregelten Herstellungsprozeß fabriziert
werden können und bei denen der Brennstoff, durch mehrere Hüllen eingeschlossen, keine Spaltprodukte
an das Kühlmittel mehr abgeben kann.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die gesinterten Urankarbidteilchen zu an sich
bekannten Sphäroiden verformt sind, daß jedes einzelne Sphäroid einen Überzug aus Siliciumkarbid
aufweist und daß die Sphäroide in der Matrix so eingebettet sind, daß sie entfernt von der Oberfläche
der geformten Matrix liegen.
Die Sphäroide können entweder aus Uranmonokarbid oder aus Urandikarbid sein.
Es ist wünschenswert, die Verteilung der überzogenen Sphäroide in der Matrix in der Weise vorzunehmen,
daß sich an oder nahe derjenigen oder jeder Fläche, die sich in Berührung mit dem Kühlmittel
befindet, wenn der Brennstoffkörper in einem Kernreaktor in Betrieb ist, keine überzogenen
Sphäroide befinden.
Der Brennstoffkörper kann von kompakter, hohlzylindrischer Form oder von länglicher Gestalt sein.
Ein mit Brennstoffkörpern gemäß der Erfindung aufgebautes Kernbrennstoffelement kann aus mehre-
Kernbrennstoffkörper und Verfahren zu seiner
Herstellung
Herstellung
Anmelder:
United Kingdom Atomic Energy Authority,
London
Vertreter:
Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Eiserner Str. 227
Als Erfinder benannt:
Bryan Edward Ingleby, London
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 13. April 1962 (14 475),
vom 11. März 1963 (9538)
Großbritannien vom 13. April 1962 (14 475),
vom 11. März 1963 (9538)
ren dieser Brennstoffkörper bestehen, die in Bündeln oder Stapeln von Bündeln angeordnet und in Halteplatten
aus Siliciumkarbid gelagert sind.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Spaltprodukte zurückhaltenden
Kernbrennstoffkörpers, bestehend aus einer Siliciumkarbidmatrix, in der die Kernbrennstoffteilchen
eingelagert sind, das mit dem Verfahrensschritt der Granulierung eines Gemisches aus Urandioxyd
und Kohlenstoff beginnt und gekennzeichnet ist durch die zusätzlichen Schritte der Sphäroidisierung der
Granulate, Sinterung der Sphäroide zwecks Umwandlung
in Sphäroide aus Urankarbid, Überziehen der Urankarbidsphäroide mit Siliciumkarbid mit oder
ohne Zwischenschicht aus pyrolytischem Kohlenstoff, Mischen der überzogenen Sphäroide mit Siliciumkarbid
und Kohlenstoff, Strangpressen des Gemisches zur Bildung von Preßlingen, Hervorrufen einer an
sich bekannten Selbstbindung der Preßlinge durch eine Reaktion zwischen dem zuletzt zugefügten Kohlenstoff
und Silicium zwecks Erzeugung dichter Brennstoffkörper und Aufbringen einer kernbrennstofffreien
Schicht aus Siliciumkarbid auf der oder jeder Fläche des Brennstoffkörpers, die dem Reaktorkühlmittel
ausgesetzt sind.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Beispiels für das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung
von geformten Brennstoffkörpern und an Hand eines Konstruktionsbeispiels für ein Brenn-
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Stoffelement, bei dem diese Brennstoffkörper verwendet werden, näher erläutert.
Die erste Verfahrensstufe besteht im Vermählen eines Gemisches aus keramischem Urandioxyd
(Oberflächenbereich 3 m2/g), Kohlenstoff bzw. Ruß ■ (Oberflächenbereich 17 m2/g) und Aluminiumstearatbinder
mittels Stahlkugeln in einem Gummibehälter oder einem mit Gummi ausgekleideten Behälter während
16 Stunden. Das Verhältnis von Urandioxyd zu Kohlenstoff beträgt hierbei ungefähr 1:3,02, d. h.
etwas mehr, als dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht, um Uranmonokarbid nach der Formel
UO2
3C-^UC+ 2CO
herzustellen. Ein typisches Beispiel ist 500 g UO2
und 67 g Ruß, zusammen mit 0,25 Gewichtsprozent Aluminiumstearat. Für die Herstellung von Urandikarbid
gilt die folgende Formel:
UO2 + 4 C-i» UC2 + 2CO.
Das Verhältnis von UO2 zu Kohlenstoff beträgt
hierbei etwa 1:4,05, und ein typisches Beispiel ist 500 g UO2 und 90 g Ruß. Wenn auch die Verwendung
von Uranmonokarbid einige Vorteile gegenüber der Verwendung von Urandikarbid als Kernbrennstoff
zu haben scheint, so ist doch letzterer keineswegs unverwendbar bzw. unbrauchbar, und
immer dann, wenn Uranmonokarbid nachfolgend erwähnt ist, soll dies auch Urandikarbid alternativ einschließen.
Durch Mahlen werden Granalien oder Körnchen aus einem Gemisch der Bestandteile hergestellt,
welche dann nach einer Polyäthylenschüssel gebracht werden, in der sie in Schwingung versetzt und
kreiseiförmig bewegt werden; die Schüssel ist an einem herkömmlichen Siebschüttler befestigt, der der
Schüssel sowohl eine Hin- und Herbewegung in vertikaler Richtung als auch eine Winkelschwingbewegung
in horizontaler Ebene übermittelt. Durch die lcreiseHörmige Bewegung werden Sphäroide im
Größenbereich von 200 bis 250 Mikron erzeugt. Wo Sphäroide von größerem Durchmesser erforderlich
sind, können die Sphäroide dazu gebracht werden, zu »wachsen«. Dies erreicht man durch Zusetzen von
mehr Granalien des von der Kugelmühle herrührenden Gemisches zu den Sphäroiden, ferner durch
Fortsetzen der Kreiselbewegung für Zeitabschnitte von ungefähr 1 Stunde und dann durch Sieben; dadurch werden kleinere Sphäroide abgetrennt, die sich
durch unabhängige Sphäroidisierung aus denjenigen der Granalien gebildet haben, welche kein Anwachsen
der bereits vorhandenen Sphäroide bewirkt haben, als der Zusatz gemacht wurde. Derartige
kleinere Sphäroide werden der Kugelmühle zur Regranulierung wieder zurückgeführt, bevor darauffolgende Zusätze gemacht werden. Die Sphäroide
werden auf einen gewünschten Größenbereich (z. B. ungefähr 700 Mikron) vergrößert, aus der Polyäthylenschüssel
herausgenommen, schließlich gesiebt, um ein Untermaß aufweisende bzw, zu kleine
Sphäroide zu beseitigen, und die zurückbleibenden Sphäroide werden dann in Molybdänschiffchen in
einem Kohlenstoff-Widerstandsofen unter ungefähr Viooo mm Hg Vakuum gesintert. Die Temperatur wird
von der Außen- oder Umgebungstemperatur in einem Ausmaß von 100 bis 200° C pro Stunde gesteigert,
bis eine Temperatur von ungefähr 1360° C erreicht ist; dabei findet eine Reaktion zwischen dem Urandioxyd
und dem Kohlenstoff unter Entwicklung yon Kohlenmonoxyd statt, welches durch die Vakuumpumpe
aus der Reaktionszone entfernt wird. Wenn die Reaktion aufgehört hat (was dadurch angezeigt
wird, daß kein Kohlenmonoxyd mehr entwickelt wird), wird die Temperatur des Ofens in einem Ausmaß
von ungefähr 100° C pro Stunde auf eine Sintertemperatur von 1700° C erhöht, auf welcher Höhe
die Ofentemperatur für ungefähr 4 Stunden gehalten
ίο wird. Es folgt dann ein Abkühlen in geregeltem Ausmaß.
Nach dem Herausnehmen des Sinterproduktes aus dem Ofen erfolgt ein Durchsieben, und zwar nur
zum Auseinanderbrechen von Agglomeraten aus Sphäroiden. Die hergestellten Sphäroide haben, wie
sich herausgestellt hat, bei dieser Behandlung ihre Kugelform beibehalten und besitzen eine hohe
Dichte.
Die Uranmonokarbidsphäroide werden dadurch mit einem Überzug von Siliciumkarbid versehen, daß
ao als Überzugsmaterial der Dampf verwendet wird, der aus dem Zerfall von Methyltrichlorsilan resultiert,
wie dies von Kendall und Susman in einzelnen Artikeln vorgeschlagen worden ist und die in dem
Fachbuch »Silicon Carbide«, herausgegeben von
J. R. O'Connor und J. Smiltens und 1960 veröffentlicht
durch »Pergammon Press«, zu finden sind. Dieser Vorschlag wird durch die vorliegende
Erfindung dadurch in die Praxis umgesetzt, daß die Sphäroide in einer Fließbettvorrichtung dem Dampf
ausgesetzt werden.
Eine dafür geeignete Vorrichtung ist in die F i g. 1 der Zeichnung, die eine Vorderansicht im Mittelschnitt
darstellt, gezeigt. Diese Vorrichtung weist ein hohlzylindrisches Gehäuse 1 mit einer Seitenausbuch-
tang 2 für ein Thermoelement (nicht gezeigt) auf, das zur Überwachung der Heizelementtemperatur
verwendet wird. Das Gehäuse X enthält einen aus Aluminiumoxydziegeln 4 bestehenden ringförmigen
Wärmeisolieraufbau 3, der in einem Weich- bzw. Flußstahlaufbau 24 enthalten ist und mit einem
Molybdänreflektor 5 verseben ist; der Aufbau 3 steht dabei in Wirkberührung mit einem Reinigungsgas
bzw. wird von diesem überströmt, das zweckmäßigerweise Argon ist, welches durch die Einlaßöffnung 6
einströmen und durch die Auslaßöffnung 23 ausströmen kann. Der Aufbau 3 umgibt eine Graphithülse
7, die ein Widerstandsheizelement darstellt, das durch eine Stromquelle 8 beliefert wird. Die Hülse 7
umgibt eine Bettanordnung, die aus einem unteren hohlzylindrischen Teil 9 aus Graphit, aus einem
oberen zylindrischen Teil 10 aus Graphit, der bei 11 an den Teil 9 angeschraubt ist, und aus einem inneren
hohlzylindrischen Teil 12 aus Graphit besteht, der an seinem unteren Ende an einer ringförmigen
Schulter 13 des Teils 9 gehaltert ist. Die Bohrung des Teils 12 (von 38 mm Durchmesser) bildet die
Fließbettkammer 20; sie ist im wesentlichen zylindrisch, hat aber an ihrem unteren Ende einen unter
60° kegelig zulaufenden Abschnitt 14, der die Basis der Fließbettkammer 20 bildet und eine Auswärtsdiffusion
des Fließgases oder Fluidisierungsgases bewirkt. Eine Öffnung 15 bildet eine Einlaßöffnung für
die Fließ- und Überzugsgase und ist mit einer Wolframkarbidkugel 16 versehen, die als Ventil dient,
um einen Verlust von Bettmaterial zu verhindern, wenn das Bett nicht fluidisiert ist. Die Fluidisier-
und Überzugsgase werden der Fließbettkammer 20 über ein Rohr 17 zugeführt, das sich von der Außen-
seite des Gehäuses 1 bis nahe der Öffnung 15 erstreckt und mit einer Wassermanschette 18 versehen
ist. Die Temperatur des Bettes wird durch ein Thermoelement 19 überwacht, und Ab- oder Ausgase
aus dem Bett strömen entlang der Bohrung des oberen Teils 10 und in einen wassergekühlten Expansionskessel
21; von dort aus werden diese Abgase einer herkömmlichen Wasch- und Filtereinrichtung
(nicht gezeigt) über ein Auslaßrohr 22 zugeleitet.
Der Betrieb ist wie folgt: Die Vorrichtung wird zuerst bei 1000° C in einem Argonstrom entgast,
dann auf 200 bis 300° C abgekühlt, und eine Ladung von Urankarbidsphäroiden wird in die Kammer
20 eingebracht. Das Bett wird mit Hilfe des Elementes 7 auf 1200 bis 1850° C, vorzugsweise
ISOO0 C, erhitzt, wobei ein kleiner Strom (ungefähr
0,2 l/min) Wasserstoff das Bett durchströmt. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird der
Wasserstoffgasstrom verstärkt, um das Bett der Sphäroide zu fluidisieren (ungefähr 20 l/min), und
zur gleichen Zeit wird das Reaktionsgas in den fluidisierenden Gasstrom eingebracht. Dies wird dadurch
erreicht, daß eine Nebenleitung oder Umleitung (nicht gezeigt) vom Haupt-Wasserstoffgasstrom
vorgesehen wird, wobei der Nebenstrom durch einen Behälter (nicht gezeigt) geblasen wird, der
Methyl-trichlorsilan enthält; der Nebenstrom wird dann so geleitet, daß er sich mit dem Hauptgasstrom
vereinigt. Wenn die gewünschte Überzugsdicke (75 bis 100 Mikron) erreicht ist, wird der Gasstrom angehalten
oder abgesperrt, die Stromversorgung nach dem Heizelement 7 abgeschaltet und das Bett zum
Abkühlen gebracht. Dann werden die überzogenen Sphäroide mit Wasser abgeschwemmt, getrocknet,
8 Stunden lang in kochender 5molarer Salpetersäure ausgelaugt, wiederum mit Wasser abgeschlämmt, getrocknet
und anschließend in eine saubere Umgebung oder Atmosphäre zurückgebracht (was durch
Ersetzen der Teile 9, 10 und 12 durch neue oder weitere Teile bewirkt wird), um noch einmal mit
Siliciumkarbid überzogen zu werden. Mit Hilfe des zweiten Überziehens wird jede Urankarbidverunreinigung,
die etwa nahe oder an der Oberfläche der erstmalig überzogenen Sphäroide vorhanden ist (beispielsweise
infolge Zerbrechens eines oder mehrerer Sphäroide), durch einen Überzug von nicht verunreinigtem
Siliciumkarbid abgedichtet oder abgeschlossen.
Um zu erreichen, daß ein dünnerer Silicium- oder Siliciumkarbidüberzug verwendet werden kann, ohne
daß die Integrität bzw. Unversehrtheit ungünstig beeinflußt wird, hat es sich herausgestellt, daß ein anfänglicher
Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff zum gewünschten Ergebnis führt. Dies kann in dem
gleichen Bett erfolgen, und zwar vor dem Überziehen mit Siliciumkarbid, durch Fluidisieren auf Argon bei
ungefähr 5 l/min und Zufügen von Methan oder Azetylen zu dem fluidisierten Gas. Ein derartiges
System von pyrolytischem Kohlenstoff und Siliciumkarbid ist als Duplexüberzug bekannt. Es ist außerdem
möglich, wenn erwünscht, »Triplex«-Überzüge von abwechselnden Schichten aus Silieiumkarbid,
pyrolytischem Kohlenstoff und wiederum Siliciumkarbid herzustellen.
Die auf diese Weise hergestellten überzogenen Sphäroide werden in Brennstoffkörper geformt, indem
sie in einer Siliciumkarbidmatrix wie folgt verteilt werden. a-Siliciumkarbidpulver einer Kornfeinheit
von ungefähr 10 μ, ultrafeiner Kolloidalgraphit und die überzogenen Sphäroide im Verhältnis von 2 Gewichtsteilen
Siliciumkarbidpulver zu 1 Gewichtsteil Kolloidalgraphit und das berechnete Gewicht von
überzogenen Sphäroiden zum Erhalten einer Beladung von 40 Volumprozent werden in einem
y-Konus-Mischer trocken gemischt. Dieses Gemisch wird durch Zufügen von der aus 32 Gewichtsprozent
Polibutylmethacrylsäuremethylester, 32 Gewichtsprozent Xylol, 6 Gewichtsprozent Djbutylphthalat
bestehenden Lösung in Methyläthylketon und einer Epoxyharzlösung aufgeschlämmt. Das Methyläthylketon
läßt man aus dem Schlamm so weit verdampfen, bis das Gemisch die richtige Plastizität zum
Strangpressen hat. Dies kann durch den Strangpreßdruck eingeschätzt werden, der für eine Probe erforderlich
ist: ein Druck von 79 kg/cm2 ist hierfür geeignet. Typische Mengen sind 100 g des Siliciumkarbidpulvers,
50 g des Kolloidalgraphits, das erforderliche Gewicht der Sphäroide (wie vorstehend genannt),
75 ml der aus 32 Gewichtsprozent Polibutylmethacrylsäuremethylester, 32 Gewichtsprozent
Xylol, 6 Gewichtsprozent Dibutylphthalat bestehenden Lösung und 75 ml der Epoxyharzlösung. Dann
wird das Strangpressen unter Verwendung von Preßwerkzeugen aus gehärtetem Stahl und einer hydraulischen
Presse ausgeführt, um »rohe« Grünpreßlinge zu formen, die beispielsweise von kompakter, länglicher,
zylindrischer Form sein können. Die Preßlinge werden auf Aluminiumoxydunterlagen gebracht
und in einem Luftofen erhitzt, dessen Temperatur im Ausmaß von 50° C pro Stunde auf
250° C erhöht und bei welcher Temperatur der Ofen 5 Stunden lang gehalten wird. Dadurch wird das
Epoxyharz ausgehärtet und das aus 32 Gewichtsprozent Polibutylmethacrylsäuremethylester, 32 Gewichtsprozent
Xylol und 6 Gewichtsprozent Dibutylphthalat bestehende Schmiermittel wegverdampft.
Die Preßlinge werden dann auf 750° C unter Vakuum mit einer Rate von 50° C pro Stunde erhitzt,
wonach sie 10 Stunden lang auf 750° C gehalten werden, damit das Epoxyharz karbonisiert wird.
Das »Silizieren« der Preßlinge wird als nächstes unter Vakuum in einem Hochfrequenz-Induktionshejz·'
gerät ausgeführt, wobei die Preßlinge in einem Graphitschmelztiegel aufgestellt werden, der etwas
mehr Siliciumpulver enthält, als für ein vollständiges Silizieren erforderlich ist, Ein Angreifen des
Schmelztiegels durch geschmolzenes Silicium wird dadurch verhindert, daß ein feinkörniger Graphit angewandt
wird, der durch Imprägnieren mit Furfurylalkohol undurchlässig gemacht wurde, worauf graphitisiert
wird. Das Silizieren findet statt, wenn das Silicium bei 1420° C schmilzt und eine exotherme
Reaktion zwischen dem Silicium und dem Kolloidalgraphit in den Preßlingen stattfindet, durch die
^-Siliciumkarbid erzeugt wird, das die Körnchen des a-Siliciumkarbids in dem Preßling zusammenbindet.
Brennstoffkörper von Matrixdichten von 92«/p des theoretischen Wertes können so erzeugt werden, wobei
die hohen Dichten die außerordentlich hohen Temperatureigenschaften der Körper begünstigen.
Um die Brennstoffkörper für den Betrieb in einem Kernreaktor geeignet auszustatten, wenn sie mit anderen
Komponenten in die Form von Brennstoffelementen zusammengebaut werden, wird jeder nach
dem vorstehenden gebildete Brennstoffkörper mit einer Oberflächenschicht yon »sauberem« Silicium-
karbid versehen, d. h. Siliciumkarbid, in welchem
keine Brennstoffsphäroide anwesend sind. Hierdurch wird es ermöglicht, daß, falls notwendig, der Brennstoffkörper
auf das erforderliche Feinmaß geschliffen werden kann und kein Kernbrennstoff sich an
oder nahe der Oberfläche des Brennstoffkörpers befindet, die durch das Kühlmittel umspült wird. Dadurch
wird sichergestellt, daß eine Verseuchung des Kühlmittels durch Spaltprodukte nicht eintritt. Wo
die Brennstoffkörper von gleicher zylindrischer Form sind, werden ihre Enden vorzugsweise mit einer
relativ dicken Schicht von »sauberem« Siliciumkarbid versehen; dadurch wird beispielsweise das Anbringen
einer Aussparung zum Fixieren von Haltern für die Brennstoffkörper in einem Brennstoffelement ermöglicht.
Derartige Oberflächenschichten können durch gewöhnliche metallurgische Pulververfahren aufgebracht
werden, wobei die im vorstehenden bezeichneten Materialien verwandt werden, nämlich
a-Siliciumkarbid, Kolloidalgraphit, Schmiermittel und Harz, jedoch ohne Sphäroide. Mittels eines
Verbund-Strangpressens wird unter Verwendung des festen Brennstoffstabes als Preßdorn ein Selbstbinden
der Siliciumkarbidschicht mit Siliciumpulver und Erhitzen bewirkt. Endabschnitte aus Siliciumkarbid
können dadurch vorgesehen werden, daß sie im Rohstadium (Grünstadium) auf eine gewünschte Form
vorgeformt werden, z. B. in Form von Kappen für die Enden jedes Stabes, und daß dann diese Kappen
mit den Stäben und der genannten Oberflächenschicht mit Hilfe des genannten »Silizierungs«-Verfahrens
abgebunden werden.
Ein Beispiel für die Verwendung derartiger oberflächen- und endgeschützter Brennstoffkörper in
einem Kernbrennstoffelement soll nunmehr beschrieben werden: Das Brennstoffelement, das für die Verwendung
in einem graphitmoderierten, mit Kohlendioxyd oder Helium gekühlten Kernreaktor mit
Kühlmittelauslaßtemperaturen von der Größenordnung von 700° C bestimmt ist, ist in den F i g. 2
und 3 der Zeichnung dargestellt, wobei die F i g. 2 eine Seitenansicht im Mittelschnitt und die F i g. 3
eine Grundansicht im Schnitt entlang der Linie ΠΙ-ΙΙΙ der Fig. 2 ist.
Das Brennstoffelement ist weitgehend ähnlich demjenigen, das in der britischen Patentschrift
889 536 gezeigt und beschrieben ist, und weist eine Graphithülse 30 mit einer Ringschulter 31 auf, auf
der eine Bodenhalteplatte 32 aus Siliciumkarbid ruht. Die Halteplatte 32 ist ähnlich der oder jeder
Zwischenhalteplatte 33, die im Schnitt in der F i g. 3 gezeigt ist, und weist (ebenfalls gemäß der F i g. 3)
Öffnungen 34 für den Kühlmittelstrom und Öffnungen 35 zur Endfixierung von Brennstoffstäben 36 auf.
Jeder Brennstoffstab 36 weist einen Brennstoffkörper von kompakter, länglicher, zylindrischer Form auf,
dessen Herstellung vorstehend beschrieben ist. Der Teil des einen Stabes 36, der im Schnitt in der Fi g. 2
gezeigt ist, soll durch die Kantenabschnitte 37, die anders als der Mittelabschnitt 38 in Schnittdarstellung
gezeigt sind, die Oberflächenschicht von brennstofffreiem Siliciumkarbid, wie vorstehend ausgeführt,
wiedergeben. Der in Schnittdarstellung gezeigte Abschnitt deutet außerdem Kappen 39 von
brennstofffreiem Siliciumkarbid an, welche mit den Abschnitten 37 und 38 in der vorstehend beschriebenen
Weise abgebunden sind. Jede Kappe 39 hat einen Endzapfen 40, der in eine entsprechende
Brennstoffstabaussparung 35 eingreift. Die Brennstoffstäbe 36 werden von der Bodenhalteplatte 31 gehalten
und ausgerichtet und von der (oder jeder) Zwischenhalteplatte 33 in der dargestellten Weise
fixiert, wodurch eine Ausdehnung der Brennstoffstäbe 36 nach oben Rechnung getragen wird. Die (oder
jede) Zwischenhalteplatte 33 ist mit Hilfe von Innengraphithülsen 41 fixiert, wobei die untere der Hülsen
41 von der Bodenhalteplatte 31 gehalten wird. Eine obere Halteplatte 42 aus Siliciumkarbid ruht oben
auf der obersten der Innengraphithülsen 41 und dient dazu, die oberen Enden des obersten Bündels von
Brennstoffstäben 36 zu fixieren. Ein Verriegelungsring 43, der in das obere Ende der äußeren Graphithülse
30 eingeschraubt ist, dient dazu, die obere Halteplatte 42 lose zurückzuhalten, damit sie sich
nicht vom Brennstoffelement trennt.
Jede Halteplatte weist eine Mittelaussparung 44 auf, die lose eine Siliciumkarbidhülse 45 aufnimmt,
welche einen Durchgang zur Aufnahme eines mittleren Verbindungsstabes aus Metall, beispielsweise
aus rostfreiem Stahl (nicht gezeigt), bildet. Auf diesen Verbindungsstab sind mehrere gleichartige Brennstoffelemente
aufgefädelt, so daß eine Mehrzahl von Brennstoffelementen in den Brennstoffelementkanal
(durch das Bezugszeichen 46 in der F i g. 2 angedeutet) und aus diesem heraus als vollständige
Kette oder Einheit bewegt werden kann. Die Hülse 45 kann in einer Abänderung (nicht gezeigt) weggelassen
werden, und die Mittelöffnungen 44 können mit Siliciumkarbidauskleidungen versehen sein. Die
äußere Graphithülse 30 weist an ihrem unteren Ende einen Ringflansch 47 zum Fixieren eines benachbarten
Brennstoffelementes der Einheit auf; ein auf den Flansch 47 angepaßter Ringabschnitt 48 von verringertem
Durchmesser ist am oberen Ende der äußeren Graphithülse vorgesehen. Die Verbindungsstelle wird
so hergestellt, daß die Möglichkeit einer Leckage zwischen den äußeren Graphithülsen von benachbarten
Brennstoffelementen auf ein Minimum herabgesetzt wird.
Claims (8)
1. Kernbrennstoffkörper, bestehend aus einer Siliciumkarbidmatrix, in der Teilchen aus gesintertem
Urankarbid eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gesinterten Urankarbidteilchen
zu an sich bekannten Sphäroiden verformt sind, daß jedes einzelne Sphäroid einen
Überzug aus Siliciumkarbid aufweist und daß die Sphäroide in der Matrix so eingebettet sind, daß
sie entfernt von der Oberfläche der geformten Matrix liegen.
2. Brennstoffkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Urankarbidsphäroid
und seinem Überzug aus Siliciumkarbid ein Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff vorgesehen
ist.
3. Brennstoffkörper nach Anspruch 1, dadurch . gekennzeichnet, daß auf jedem Urankarbidsphäroid
zusätzlich ein Überzug von pyrolytischem Kohlenstoff zwischen einem ersten Überzug aus
Siliciumkarbid und einem weiteren Überzug aus Siliciumkarbid vorgesehen ist.
4. Brennstoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf
jeder seiner Flächen, sofern sie mit dem Reaktor-
kühlmittel in Berührung stehen, eine Schicht aus Siliciumkarbid vorgesehen ist.
5. Brennstoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine kompakte,
längliche, zylindrische Form.
6. Brennstoffkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine
hohle, längliche, zylindrische Form.
7. Verfahren zur Herstellung eines Spaltprodukte zurückhaltenden Kernbrennstoffkörpers ίο
nach Anspruch 1, beginnend mit dem Verfahrensschritt der Granulierung eines Gemisches von
Urandioxyd und Kohlenstoff, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Sphäroidisierung
der Granulate, Sinterung der Sphäroide zwecks Umwandlung in Sphäroide aus Urankarbid,
Überziehen der Urankarbidsphäroide mit Siliciumkarbid mit oder ohne Zwischenschicht
aus pyrolytischem Kohlenstoff, Mischen der überzogenen Sphäroide mit Siliciumcarbid und Koh- ao
lenstoff, Strangpressen des Gemisches zur BiI-
dung von Preßlingen, Hervorrufen einer an sich bekannten Selbstbindung der Preßlinge mittels
einer Reaktion zwischen dem zuletzt zugefügten Kohlenstoff und Silicium zwecks Erzeugung dichter
Brennstoffkörper und Aufbringen einer kernbrennstofffreien Schicht aus Siliciumkarbid auf
der oder jeder Fläche des Brennstoffkörpers, die dem Reaktorkühlmittel ausgesetzt sind.
8. Verwendung von Brennstoffkörpern nach den Ansprüchen 1 bis 6 zum Aufbau eines Kernbrennstoffelementes
aus einem Bündel oder aus einem Stapel von Bündeln solcher Brennstoffkörper, die in Halteplatten aus Siliciumkarbid
gelagert sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1033 810;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1055 704;
»Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 6, 1958, S. 538 bis 550.
Deutsche Patentschrift Nr. 1033 810;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1055 704;
»Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 6, 1958, S. 538 bis 550.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 708/303 10.66 © Bundesdruckerei Berlin
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2122008A1 (de) * | 1970-05-06 | 1972-01-27 | Commissariat Energie Atomique | Kernbrennstoffanordnung |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1241541B (de) * | 1964-10-22 | 1967-06-01 | Kernforschungsanlage Juelich D | Brenn- und/oder Brutelement fuer Kernreaktoren |
GB1185637A (en) * | 1966-06-22 | 1970-03-25 | Atomic Energy Authority Uk | Improvements in or relating to Nuclear Reactor fuel Elements |
US3361638A (en) * | 1967-04-07 | 1968-01-02 | Atomic Energy Commission Usa | Pyrolytic graphite and nuclear fuel particles coated therewith |
US3520667A (en) * | 1967-08-15 | 1970-07-14 | Carborundum Co | Silicon carbide coated diamond abrasive grains |
US4597936A (en) * | 1983-10-12 | 1986-07-01 | Ga Technologies Inc. | Lithium-containing neutron target particle |
US4710343A (en) * | 1985-11-27 | 1987-12-01 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Nuclear breeder reactor fuel element with silicon carbide getter |
US5192495A (en) * | 1991-02-27 | 1993-03-09 | Babcock & Wilcox Company | Sic barrier overcoating and infiltration of fuel compact |
US7666470B1 (en) * | 2003-10-24 | 2010-02-23 | Areva Np Inc. | Process for manufacturing enhanced thermal conductivity oxide nuclear fuel and the nuclear fuel |
US9202601B2 (en) * | 2011-05-18 | 2015-12-01 | General Atomics | Methods and apparatus for suppressing tritium permeation during tritium production |
US9620248B2 (en) * | 2011-08-04 | 2017-04-11 | Ultra Safe Nuclear, Inc. | Dispersion ceramic micro-encapsulated (DCM) nuclear fuel and related methods |
US10457558B2 (en) * | 2017-06-22 | 2019-10-29 | Westinghouse Electric Company Llc | Method to produce uranium silicides |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1055704B (de) * | 1957-10-16 | 1959-04-23 | Degussa | Brennstoffelemente fuer Kernreaktoren |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3009825A (en) * | 1956-07-20 | 1961-11-21 | Edward D O'brien | Process and apparatus for coating granular material |
US3009826A (en) * | 1957-05-24 | 1961-11-21 | Aeroprojects Inc | Process of forming a dispersion of aerosol particles and process for coating solid particles with said dispersion |
BE575083A (de) * | 1958-01-24 | |||
US3079316A (en) * | 1958-05-22 | 1963-02-26 | Minnesota Mining & Mfg | Thermally resistant articles and method for their fabrication |
US3129141A (en) * | 1958-11-03 | 1964-04-14 | Gen Motors Corp | Nuclear reactor fuel element and process for making same |
US3014853A (en) * | 1958-11-24 | 1961-12-26 | Babcock & Wilcox Co | Method of assembly of nuclear fuel elements |
NL111725C (de) * | 1959-01-14 | |||
BE589231A (de) * | 1959-03-31 | |||
US3166614A (en) * | 1959-11-30 | 1965-01-19 | Carborundum Co | Process of making nuclear fuel element |
US3089785A (en) * | 1960-03-23 | 1963-05-14 | American Metal Prod | Process of manufacturing nuclear fuel |
US3151037A (en) * | 1961-02-21 | 1964-09-29 | Minnesota Mining & Mfg | Encased fuel |
NL275685A (de) * | 1961-03-16 | |||
US3122595A (en) * | 1961-12-04 | 1964-02-25 | Joseph H Oxley | Controlled nuclear reactor dispersions and method of making |
-
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-
1962
- 1962-04-13 GB GB14475/62A patent/GB1031153A/en not_active Expired
-
1963
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- 1963-04-10 ES ES0286937A patent/ES286937A2/es not_active Expired
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1055704B (de) * | 1957-10-16 | 1959-04-23 | Degussa | Brennstoffelemente fuer Kernreaktoren |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2122008A1 (de) * | 1970-05-06 | 1972-01-27 | Commissariat Energie Atomique | Kernbrennstoffanordnung |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE1477914A1 (de) | 1970-02-05 |
ES286937A2 (es) | 1963-12-16 |
BE630760A (de) | |
ES286938A1 (es) | 1963-12-01 |
GB1031153A (en) | 1966-05-25 |
US3276968A (en) | 1966-10-04 |
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