DE1238118B

DE1238118B - Kernreaktorbrennstoff

Info

Publication number: DE1238118B
Application number: DEU9521A
Authority: DE
Inventors: Eugen Glueckauf
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1962-01-30
Filing date: 1963-01-23
Publication date: 1967-04-06
Also published as: ES284642A1; GB1033393A; US3312597A; BE627673A

Description

deutsches WtWWp Patentamt

AUSLEGESCHRIFT Deutschem.: 21g-21/20

Nummer: 1238118

Aktenzeichen: U 9521 VIII c/21 g

1238 118 Anmeldetag: 23. Januar 1963

Auslegetag: 6. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoff für Kernreaktoren, insbesondere Brennstoffe für die Verwendung in Hochtemperaturreaktoren.

Die gegenwärtigen erkenntnistheoretischen Erwägungen in bezug auf Kernbrennstoffe für den Gebrauch in Hochtemperaturreaktoren laufen auf das Bemühen hinaus, einen Brennstoff zu schaffen, der Spaltprodukte zurückhält, und es sind bereits viele Vorschläge für Brennstoffe gemacht worden, die verwendet werden könnten. Es ist einleuchtend, daß Brennstoff aus metallischem Uran nicht verwendet werden kann, sobald die Temperatur im Reaktor zu hoch ist. Ein anderer Vorschlag besteht deshalb darin, keramische oder »Cermet«-Brennstoffe zu verwenden.

So ist in der französischen Patentschrift 1267 184 vorgeschlagen worden, relativ große, etwa 17 cm lange und 5 cm im Durchmesser aufweisende Brennstoffelemente herzustellen, die aus einem Agglomerat von Brennstoff und Graphit bestehen, das von mehreren Schichten Zirkoniumkarbid umschlossen ist, wobei jede Zirkoniumkarbidschicht von der anderen durch eine Zirkoniummetallschicht getrennt ist. Auf diese Weise ist der Kern mit einer Schutzzone versehen, die aus wenigstens zwei Schichten Zirkoniumkarbid mit einer Zwischenschicht aus Zirkoniummetall besteht.

In der deutschen Auslegeschrift 1055 704 wird ein Brennelement beschrieben, das aus Uranmonokarbid mit einer Schutzschicht aus einem Karbid der Elemente der IV. Gruppe des Periodischen Systems, unter anderen aus Siliciumkarbid, besteht. Aber bei den hohen Arbeitstemperaturen in den Kernreaktoren wird das Siliciumkarbid flüchtig, und es besteht die Gefahr der Selbstverschweißung der Brennstoffteilchen.

Die französische Patentschrift Nr. 1212 233 schlägt vor, Urandioxydteile mit Berylliumoxyd oder mit Siliciumkarbid zu umkleiden, wohingegen die britische Patentschrift 878 927 ein Brennstoffelement aus Urankarbid mit einer Hülle aus pyrolytischem Kohlenstoff offenbart.

Nach diesem Stande der Technik hat es den Anschein, als ob es wünschenswert wäre, den Kernreaktorbrennstoff mit einer äußeren Hülle oder einem Behälter aus keramischen Material zu umkleiden oder ihn darin einzuschließen, da die einzigen Metalle, die hierfür möglich erscheinen, insbesondere Edelstahl und Beryllium, weitere Schwierigkeiten mit sich bringen. Bei dem Hochtemperatur-Versuchsreaktor »Dragon« wird der Brennstoff in Graphit eingeschlossen, aber es erscheint auch möglich, daß er in Materialien Kernreaktorbrennstoff

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority,
London

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Eiserner Str. 227

Als Erfinder benannt:
Eugen Glueckauf, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 30. Januar 1962 (3548) - -

wie Tonerde oder Beryllerde eingebettet werden kann. Indessen ist es offenbar geworden, daß es bei dem gegenwärtigen Stand der Technik unmöglich ist, ein Gebilde aus Graphit zu schaffen, das bei hohen Temperaturen undurchlässig für Spaltprodukte wäre. Tatsächlich haben neuere Untersuchungen zu der Überzeugung geführt, daß es theoretisch unmöglich ist, einen Graphitgegenstand herzustellen, der bei hohen Temperaturen undurchlässig für Caesium, Strontium und Barium ist, die als höchstwahrscheinlich Schwierigkeiten verursachende Spaltprodukte in dieser Hinsicht bekannt sind. Andererseits scheint es möglich zu sein, Schichten aus Graphit oder pyrolytischem Kohlenstoff auf Gegenständen herzustellen, die genügend undurchlässig gegenüber gasförmigen Spaltprodukten wie Krypton und Xenon sind, wodurch einem wesentlichen Eindringen dieser Spaltprodukte in den Kühlmittelstrom zuvorgekommen wird.

So besitzen die bisher bekanntgewordenen Vorschläge Nachteile, die im Verdampfen oder Sublimieren der für das Überziehen der Kernreaktorbrennstoffe verwendeten Metallkarbide, der Verschweißung des Brennstoffes und der ungenügenden Zurückhaltung der Spaltprodukte bestehen oder fabrikatorische Schwierigkeiten beim Einschließen des Brennstoffes in die verschiedenartigen Hüllen ergeben, so daß der dringende Wunsch bestand, einen Kernreaktorbrennstoff zu schaffen, der die geschilderten Nachteile nicht besitzt.

709 548/298

Claims

Es wurde gefunden, daß ein relativ leicht herstellbarer Kernreaktorbrennstoff, bestehend aus Teilchen aus Uranmonokarbid, die mit einem Überzug aus einem mit Uranmonokarbid verträglichen Metallkarbid versehen sind, der dadurch gekennzeichnet ist, daß über dem Metallkarbidüberzug ein Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff vorgesehen ist, die geschilderten Nachteile der bisher vorgeschlagenen Bauweisen nicht besitzt. Vorteilhafterweise besteht der Metallkarbidüberzug aus Siliciumkarbid, unter dem eine sehr dünne Schicht von pyrolytischem Kohlenstoff zwischen dem Uranmonokarbid und dem Metallkarbid vorgesehen ist. Das Uranmonokarbid kann auch erfindungsgemäß mit Thoriumkarbid oder einem niedrigen Plutoniumkarbid gemischt sein. Einschlägige Versuche haben ergeben, daß, soweit diese die Diffusion von festen Spaltprodukten, wie z. B. Caesium oder Barium, betrafen, das Monokarbid des Urans beträchtlich mehr zurückhält als das Dikarbid, und es ist berechnet worden, daß ein Brennstoffkern mit einem Durchmesser von 100 Mikron eine Diffusion in der Größenordnung von 1 Jahr und mehr für 90% des Caesiumgehaltes des Kerns ergibt. Da Uranmonokarbid bei hohen Temperaturen nicht völlig mit Kohlenstoff- oder Graphitüberzügen verträglich ist, mußte der Kern mit einem mit dem Kernmaterial verträglichen Überzug versehen werden. Versuche zeigten, daß Siliciumkarbid ein solcher verträglicher Überzug ist, wenigstens für Temperaturen bis zu 1500° C Bei diesen Versuchen stellte sich weiter heraus, daß Siliciumkarbid an sich schon in einem gewissen Grade Spaltprodukte zurückhält. Möglicherweise kann auch Zirkoniumkarbid verwendet werden. Das Überziehen des Kerns mit Siliciumkarbid kann durch bekannte technische Maßnahmen oder wahlweise durch thermische Zersetzung eines geeigneten, Silicium enthaltenden Gases oder von Gemischen, wie z.B. Methyltrichlorsilan (CH3SiCl3) oder Siliciumtetrachlorid mit Methan, vorgenommen werden. Wie bereits erwähnt, ist der Dampfdruck des Siliciumkarbids bei den hohen Temperaturen, die innerhalb der Reaktoren herrschen, hoch, so daß eine Gefahr darin liegt, daß der Überzug verdampft bzw. mit nachteiligen Folgen sublimiert. Deshalb mußte erfindungsgemäß ein zweiter Überzug auf die mit Metallkarbid umhüllten Teilchen aufgebracht werden. Als ein solcher zweiter Überzug hat sich pyrolytischer Kohlenstoff, der auf der SiIiciumkarbidauflage durch Zersetzen eines Kohlenwasserstoffgases bei einer geeigneten Temperatur abgeschieden wird, bestens bewährt. Die Brennstoffteilchen gemäß der Erfindung bestehen daher aus einem Kern von Uranmonokarbid von z. B. 100 Mikron Durchmesser, einer diesen einschließenden Schicht aus Siliciumkarbid mit einer Dicke von z. B. 30 Mikron und einer äußeren Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff mit einer Dicke von z. B. 50 Mikron. Aus einer Reihe von Gründen, die teilweise mit der Herstellung der Partikeln im Zusammenhang stehen, kann eine dünne Schicht von Pyrokohlenstoff zwischen dem Uranmonokarbidkern und der Karbidschutzschicht vorgesehen werden. Diese zusammengesetzten Teilchen oder Verbundpartikeln können in eine Matrix von z. B. Kohlenstoff, Graphit oder anderen Materialien eingebettet werden, um so einen kompakten Brennstoff zu bilden, und eine Anzahl dieser Festkörper kann, falls dies gewünscht wird, zusammengefaßt und gemeinsam in eine äußere Hülle von Kohlenstoff oder Graphit zwecks Bildung eines kompakten Brennstoffelementes eingeschlossen werden. Es kann erwünscht sein, die Zusammensetzung dieser Brennstoffkerne zu variieren, beispielsweise durch Zugabe von Thoriummonokarbid (ThC), um Uran 233 zu erzeugen, oder durch Zumischen eines Teiles der niederen Karbide von Plutonium (PuC oder Pu2C3). Als Beispiel werden für SiC-umhüIlte spaltbare Kerne Kennzahlen aufgeführt, und zwar für den Typ, bei dem zunächst eine sehr dünne Schicht aus pyrolytischem Kohlenstoff (2 bis 3 Mikron), sodann 40 Mikron SiC und darauf eine nächste von 60 Mikron pyrolytischem Kohlenstoff verwendet wurde. Die Kennzahlen werden mit Überzügen aus pyrolytischem Kohlenstoff allein verglichen. Nach der Neutronenbestrahlung in einem Kernreaktor mit hohem Neutronenfluß wurden die Teilchen während 200 Stunden auf 1500° C erhitzt und die entwichenen Mengen von verschiedenen Spaltprodukten analysiert. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt und zeigen deutlich die Vorteile des Erfindungsgegenstandes. KernteilchenXeiasEntwichene Cs137Fraktionen Bai«X131Nur mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen Erfindungsgemäß überzogen mit 2 bis 3 Mikron Pyrokohlenstoff,40MikronSiCund60Mikron Pyrokohlenstoff<4·10-5 IO"6<io-« <4·IO"*0,3 3·10-30,03 < 4 · IO-« Patentansprüche:

1. Kernreaktorbrennstoff, bestehend aus Teilchen aus Uranmonokarbid, die mit einem Uberzug aus einem mit Uranmonokarbid verträglichen Metallkarbid versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Metallkarbidüberzug ein Überzug aus pyrolytischem Kohlenstoff vorgesehen ist.

2. Kernreaktorbrennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkarbidüberzug aus Siliciumkarbid besteht.

3. Kernreaktorbrennstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine sehr dünne Schicht von Pyrokohlenstoff bzw. pyrolyti-