DE1293922B - Process for the production of a high temperature nuclear reactor fuel element with a graphite source - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperaturkernreaktor-Brennstoffelementes mit einer Graphithülle, die allseitig gegen Spaltgasdurchtritt durch Einlagerung von Teilchen aus reinem Kohlenstoff in ihre Außen- und Innenfläche abgedichtet ist und einen Brennstoffeinsatz umgibt, bei dem die Dichtung in zwei zeitlich voneinander getrennten Stufen erfolgt und nach dem Einbringen des Brennstoffeinsatzes in die Graphithülle und dem Verschließen der Öffnung der Graphithülle mit einem Graphitstopfen in der zweiten Dichtungsstufe unter gleichzeitiger Dichtung des Verschlusses die Außenfläche der Graphithülle gedichtet wird.The present invention relates to a method of making a High-temperature nuclear reactor fuel element with a graphite shell, which is on all sides against fission gas penetration through the incorporation of particles of pure carbon in their outer and inner surfaces are sealed and surround a fuel insert, in which the seal takes place in two temporally separated stages and after the fuel insert has been introduced into the graphite shell and closed the opening of the graphite envelope with a graphite plug in the second sealing stage while at the same time sealing the closure, the outer surface of the graphite shell is sealed.

Ein derartiges Verfahren ist bereits Gegenstand des deutschen Patents 1248 176.Such a method is already the subject of the German patent 1248 176.

Für Reaktoren, insbesondere für Hochtemperaturreaktoren, sind schon Brennstoffelemente vorgeschlagen worden, die eine den Brennstoffeinsatz, z. B. Brennstoffpille, allseitig umgebende, gedichtete Graphithülle aufweisen. Bei Reaktoren mit einem inaktiven Kühlkreislauf haben die Brennstoffhüllen die Aufgabe, die bei der Kernspaltung auftretenden dampf-und gasförmigen Spaltprodukte vom Kühlkreislauf fernzuhalten. Deshalb müssen die Hüllen gegen den Durchtritt besonders von gas- und dampfförmigen Spaltprodukten möglichst dicht sein. Da jedoch Graphit an sich porös ist, muß eine Brennstoffhülle aus Graphit eigens gedichtet werden. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, den Brennstoff in ungedichtete Graphithüllen einzubringen, diese zu verschließen und die Dichtung der Gesamtgraphithülle von außen her durch Flüssigimprägnierung oder Begasung durchzuführen.For reactors, especially for high-temperature reactors, are already Fuel elements have been proposed that use a fuel, e.g. B. fuel pill, have all round surrounding, sealed graphite shell. For reactors with a Inactive cooling circuit, the fuel cladding has the task of fission to keep occurring vapor and gaseous fission products away from the cooling circuit. Therefore, the casings must protect against the passage of gas and vapor in particular Fission products must be as tight as possible. However, since graphite is porous per se, a must Fuel envelope made of graphite can be specially sealed. It has also already been suggested to bring the fuel into unsealed graphite casings, to seal them and the sealing of the overall graphite shell from the outside by means of liquid impregnation or to carry out fumigation.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß diese so einfach erscheinende Dichtungsart, auch wenn der Dichtungsschritt mehrfach wiederholt wird, nicht zu einem Ergebnis führt, das allen Ansprüchen während des Einsatzes des Brennstoffelementes im Reaktor gerecht wird. Vor allem ist eine derartige Dichtungszone von außen leicht verletzbar und außerdem bringt dieses Verfahren Inhomogenitäten in der Graphithülle mit sich, die bei extremer thermischer Beanspruchung zu Rißbildungen Anlaß geben.However, it has been found that this seems so simple Type of seal, even if the sealing step is repeated several times, not to leads to a result that meets all requirements during the use of the fuel element in the reactor. Above all, such a sealing zone is light from the outside vulnerable and, moreover, this process brings inhomogeneities in the graphite shell with them, which give rise to the formation of cracks under extreme thermal stress.

Auch ist ein Kernreaktor-Brennstoffelement für hohe Temperaturen mit einer Spaltstoffe zurückhaltenden, durchgehend aus graphitischem Kohlenstoff bestehenden Hülle schon vorgeschlagen worden, dessen Hülle außer mindestens zwei voneinander unabhängig wirkenden thermisch leitend verbundenen Dichtungszonen eine rundum geschlossene, für die gas- oder dampfförmigen Spaltprodukte durchlässige poröse Zone aufweist: Die Anordnung dieser porösen Zone führt ebenfalls zu einer gewissen Inhomogenität.Also is a nuclear reactor fuel element for high temperatures with a retarding fissile material, consisting entirely of graphitic carbon Shell has already been proposed whose shell apart from at least two of each other independently acting thermally conductive sealing zones a completely closed, for the gaseous or vaporous fission products has a permeable porous zone: The arrangement of this porous zone also leads to a certain inhomogeneity.

Ferner ist es aus der französischen Patentschrift 1247 723 bekannt, . ein impermeables Verbundrohr durch Ineinanderschieben und Verkitten teilweise roh gedichteter Einzelrohre aus Graphit herzustellen. Zur schnellen Erzielung einer guten Dichtung und zur Vermeidung einer Beschädigung der gedichteten Flächen wird eine Kombination einer Flüssigimprägnierung mit einer pyrolytischen Abscheidung von Kohlenstoff aus der Gasphase angewendet. Ferner ist es aus dieser Patentschrift bekannt, die Dichtung durch Imprägnierung mit späterhin verkokbaren Kohlenstoffverbindungen durchzuführen. Die Dichtungszonen sind auf der Innen- und Außenfläche des äußeren Einzelrohres angeordnet. Zwischen den Dichtungszonen befindet sich eine ungedichtete, poröse Zwischenschicht.It is also known from French patent specification 1247 723, . an impermeable composite pipe by telescoping and cementing partially Manufacture raw sealed single tubes from graphite. To quickly achieve a good seal and to avoid damaging the sealed surfaces a combination of liquid impregnation with pyrolytic deposition of carbon from the gas phase applied. It is also from this patent specification known, the seal by impregnation with later carbon compounds perform. The sealing zones are on the inner and outer surface of the outer Arranged single tube. Between the sealing zones there is an unsealed, porous intermediate layer.

Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden werden und eine allseitig gedichtete Graphithülle für ein Brennstoffelement geschaffen werden, bei der eine homogene Wärmeleitung über die ganze Stärke der Hülle gewährleistet ist.The invention is intended to avoid these disadvantages and a graphite shell sealed on all sides for a fuel element are created at which ensures homogeneous heat conduction over the entire thickness of the shell.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der ersten Dichtungsstufe mindestens die Innenfläche der Graphithülle gedichtet wird und daß die zwei Dichtungsstufen derart aufeinander abgestimmt werden, daß die durch Kohlenstoffeinlagerung in die Innen- und Außenfläche der Graphithülle entstandenen Dichtungsbereiche aneinander ohne eine poröse Zwischenzone angrenzen oder einander durchdringen.This object is achieved in that in the first Sealing stage at least the inner surface of the graphite shell is sealed and that the two sealing stages are coordinated in such a way that the carbon inclusion Sealing areas created in the inner and outer surfaces of the graphite shell against one another adjoin or penetrate each other without a porous intermediate zone.

Das oben beschriebene Verfahren ist ganz besonders anzuwenden auf Graphit-Brennstoffhüllen mit einer Wandstärke von > 10 mm. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die üblichen Flüssig-Imprägnierverfahren, wenn man nicht spezielle Verfahrensschritte anwendet, eine gleichmäßige Verdichtung nur an der äußeren, bis etwa 10 mm tiefen Randzone bewirken. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird nicht nur eine nahezu gleichmäßige Dichtung von Graphithüllen bis etwa 20 mm Wandstärke durch Verschließen der Poren mit elementarem Kohlenstoff bewirkt, was zu einer hervorragenden Dichtung der Hülle führt, sondern es wird dadurch die thermische Leitfähigkeit der Graphithülle ganz entscheidend verbessert. Bei den hochbelasteten Brennstoffelementen, besonders bei Hochtemperaturreaktoren, ist es von größter Wichtigkeit, daß die im Brennstoff erzeugte Wärme möglichst gut nach außen geleitet wird. Das vorliegende Verfahren sichert mit der ersten Dichtungsstufe von innen vor allem die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit in der Innenzone, auf die es besonders ankommt, weil sonst ein Wärmestau zwischen Brennstoff und gedichteter Außenhülle auftreten kann. Ein derartiger Wärmestau würde zu einem steilen Temperaturabfall in der gedichteten Außenzone führen, mit seinen nachteiligen Folgen bezüglich der entstehenden Schrumpfspannung in der nur allein gedichteten Außenhaut. Besonders vorteilhaft wirkt sich das vorliegende Verfahren dann aus, wenn die zweite Dichtungsstufe von außen in Verbindung mit der ersten Stufe eine einheitliche Wärmeleitung über den ganzen Querschnitt gewährleistet.The procedure described above is particularly applicable to Graphite fuel cladding with a wall thickness of> 10 mm. It turned out that that the usual liquid impregnation process, if one does not use special process steps applies a uniform compression only on the outer, up to about 10 mm deep Effect edge zone. The method according to the invention not only results in an almost Uniform sealing of graphite shells up to a wall thickness of approx. 20 mm by closing the pores with elemental carbon causes, resulting in an excellent seal the shell leads, but it increases the thermal conductivity of the graphite shell significantly improved. With the highly stressed fuel elements, especially In the case of high temperature reactors, it is of the utmost importance that those in the fuel generated heat is conducted as well as possible to the outside. The present proceedings With the first sealing stage from the inside, above all, the increase in thermal conductivity is ensured in the inner zone, which is particularly important because otherwise there will be a build-up of heat between Fuel and sealed outer shell can occur. Such a build-up of heat would lead to a steep temperature drop in the sealed outer zone, with its disadvantageous consequences with regard to the resulting shrinkage stress in the only alone sealed outer skin. The present method is particularly advantageous then from when the second sealing stage from the outside in connection with the first Level ensures uniform heat conduction across the entire cross-section.

Es ist vorteilhaft, diese Wärmeleitfähigkeit vor allem in der Innenzone durch Graphitierung der Flüssigimprägnierung zu erhöhen. Endlich konnte überraschenderweise gefunden werden, daß durch die Zweistufendichtung die Anisotropie, die in fast allen Kunstkohlekörpern vorliegt, bezüglich der thermischen Ausdehnung weitgehend nivelliert werden kann. Auch diese Wirkung ermöglicht eine höhere Belastbarkeit des einzelnen Elementes, ohne daß es zu Rissen oder Sprüngen in der Graphithülle kommen kann.It is beneficial to have this thermal conductivity especially in the inner zone by graphitizing the liquid impregnation. Finally, surprisingly be found that by the two-stage seal the anisotropy, which in almost all Artificial carbon bodies present, largely leveled with regard to thermal expansion can be. This effect also enables the individual to be more resilient Element without cracks or cracks in the graphite shell.

Für die Durchführung der einzelnen Dichtungsvorgänge sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. Man kann nach einem Ausführungsbeispiel die Graphithülle mit einem ganz oder teilweise verkokbaren Mittel imprägnieren und späterhin brennen, wobei sich Kohlenstoffteilchen aus dem Imprägniermittel in den Poren abscheiden. Es ist aber auch möglich, Kohlenstoff pyrolytisch aus der Gasphase, z. B. durch Pyrolyse einer Kohlenwasserstoffverbindung, in den Poren des Graphitkörpers niederzuschlagen. Innerhalb der einzelnen Dichtungsstufe kann der Dichtungsvorgang mehrfach ausgeführt werden. Es empfiehlt sich nach der ersten Dichtungsstufe, den Brennstoffeinsatz, der für sich genau eingepaßt ist, unter Vakuum in die Graphithülle einzubringen und die Einfüllöffnung ebenfalls unter Vakuum zu verschließen, z. B. durch einen Stopfen aus Graphit. Statt eines glatten Stopfens kann auch ein Schraub-oder Bajonettverschluß verwendet werden. Die Verbindungsstelle zwischen der Graphithülle und dem Stopfen kann auch als Ruhesitz, Haftsitz, Festsitz oder Preßsitz, vorzugsweise als Preßsitz, ausgebildet werden. Die Begriffe »Haftsitz«, »Festsitz« und »Preßsitz« sind im Sinne der Begriffsbestimmungen der in Deutschland geltenden Normen (DIN-Blätter, insbesondere DIN-Blatt 7165) zu verstehen.There are different ways of carrying out the individual sealing processes Opportunities given. According to one embodiment, the graphite shell impregnate with a completely or partially coking agent and then burn, carbon particles from the impregnating agent being deposited in the pores. But it is also possible to pyrolytically remove carbon from the gas phase, e.g. B. by Pyrolysis of a hydrocarbon compound, to be deposited in the pores of the graphite body. Within The sealing process can be carried out several times for the individual sealing stage. After the first sealing stage, it is advisable to use the fuel used for is precisely fitted, to be introduced into the graphite shell under vacuum and the To close the filling opening also under vacuum, z. B. by a plug made of graphite. Instead of a smooth stopper, a screw or bayonet connection can also be used be used. The junction between the graphite shell and the stopper can also be used as a rest fit, tight fit, interference fit or press fit, preferably as a press fit, be formed. The terms "Haftsitz", "Festsitz" and "Pressfit" are in the sense the definitions of the standards applicable in Germany (DIN sheets, in particular DIN sheet 7165).

Der Stopfen kann auch mit einem kohlenstoffhaltigen Kitt verkittet werden, der anschließend durch Erhitzen verkokt oder graphitiert wird.The stopper can also be cemented with a carbonaceous putty which is then coked or graphitized by heating.

Ist die Einfüllöffnung verschlossen, so wird die zweite Dichtungsstufe durchgeführt, ebenfalls mit einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Dichtungsvorgängen. Hierbei wird der Stopfen durch das Imprägniermittel mit eingekittet. Es empfiehlt sich jedoch, vor der Dichtung von außen zusätzlich. beim Verschließen mit dem Stopfen Kittmasse mit einzubringen, die dann beim Brennen der ersten Außenimprägnierung mit verkokt wird. Erfolgt die Außendichtung durch aus der Gasphase abgeschiedenen pyrolytischen Kohlenstoff, so ist vor der Außendichtung der Stopfenkitt zu verkoken.If the filling opening is closed, the second sealing stage becomes carried out, also with one or more successive sealing operations. The stopper is cemented in with the impregnation agent. It recommends however, in addition to the seal from the outside. when closing with the stopper Bring putty with, which then when firing the first external impregnation is coked with. The outer seal is made by separating from the gas phase pyrolytic carbon, the plug putty must be coked in front of the outer seal.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Graphithüllen für Brennstoffelemente besitzen neben einer guten Wärmeleitfähigkeit und der damit verbundenen guten Temperaturwechselbeständigkeit eine besonders gute Hemmwirkung gegenüber der Diffusion gas- und dampfförmiger Spaltprodukte. Das Verfahren nach der Erfindung führt zu einer hohen Homogenität der Dichtung. Außerdem ist die durchgehende Einlagerung der Kohlenstoffteilchen verknüpft mit einer Erhöhung des Umwegfaktors. Mit anderen Worten, der Weg durch die Poren wird für die dennoch durchdiffundierenden Gasmolekeln vergrößert, so daß schon allein durch den längeren Weg die Verweilzeit und damit der Sekundärzerfall kurzlebiger gasförmiger Spaltprodukte in feste Folgeprodukte erhöht wird. Daneben wird durch die neu geschaffenen Oberflächen (Dichtungsschichten) die Adsorptionsmöglichkeit der Gase verstärkt und somit ebenfalls der Durchtritt vermindert. Da die Dichtung der Hülle bereits schon an ihrer Innenwand beginnt, wird erreicht, daß die Spaltprodukte des Brennstoffeinsatzes innerhalb des Innenraumes verbleiben und bereits dort zu inaktiven oder festen Folgeprodukten zerfallen. Damit wird auch im Falle eines Bruchs der Graphithülle die Verseuchung des Kühlkreislaufes weitgehend vermindert. Der Innendichtung der Graphithülle kommt somit größte Bedeutung zu.Graphite casings for Fuel elements have good thermal conductivity and the associated good thermal shock resistance a particularly good inhibiting effect against the Diffusion of gaseous and vaporous fission products. The method according to the invention leads to a high degree of homogeneity in the seal. In addition, there is continuous storage of carbon particles associated with an increase in the detour factor. With others In other words, the path through the pores becomes for the gas molecules that nevertheless diffuse through increased, so that the dwell time and thus the longer distance alone the secondary decay of short-lived gaseous fission products into solid by-products is increased. In addition, the newly created surfaces (sealing layers) the possibility of adsorption of the gases is increased and thus also the passage reduced. Since the sealing of the envelope already begins on its inner wall, it is achieved that the fission products of the fuel feed inside the interior remain and already disintegrate there into inactive or solid by-products. In order to If the graphite shell breaks, the cooling circuit becomes contaminated largely reduced. The inner seal of the graphite shell is therefore of the greatest importance to.

Das oben beschriebene Verfahren ist nicht darauf beschränkt, daß der Brennstoffeinsatz nur eine einzige Hülle, nämlich die Grahithülle, besitzt. Es können z. B. als Brennstoffeinsätze solche Brennstoffpartikeln, die mit Pyrographit umhüllt sind, verwendet werden. Ferner läßt sich in die nach dem oben beschriebenen Verfahren zu behandelnde Graphithülle ein Brennstoffeinsatz einbringen, der sich seinerseits schon in einem gedichteten Graphitkörper, z. B. einem becherartigen Einsatz, befindet. Des weiteren kann ein Graphit- und Brennstoffkörper eingesetzt werden, der eine Pyrographitschicht als eigene Umhüllung enthält und somit zugleich eine innere Sperrzone innerhalb der Graphithülle bildet.The method described above is not limited to the Fuel use only has a single shell, namely the graphite shell. It can z. B. as fuel inserts such fuel particles that are coated with pyrographite are to be used. Furthermore, in the process described above to be treated graphite shell bring a fuel insert, which in turn already in a sealed graphite body, e.g. B. a cup-like insert is located. Furthermore, a graphite and fuel body can be used, the one Contains pyrographite layer as its own coating and thus at the same time an inner restricted zone forms within the graphite shell.

Beispiel 1 Das Beispiell beschreibt die Herstellung eines kugelförmigen Brennstoffelementes mit einem zylindrischen Brennstoffeinsatz von 20 mm Durchmesser und 16 mm Höhe und einem Außendurchmesser der Graphithülle von 60 mm. Als Ausgangsmaterial wurde ein Elektrographit folgender Spezifikation verwendet Diffusionskoeffizient etwa 1,101 cm2 - sec' Wärmeleitfähigkeit ....... // 150 kcal/m - h - °C / 80 kcal/m - h - C° Wärmeausdehnungs- koeffizient............. // 1,1 - 10-8/°C / 3,7 -10-6/3C Elastizitätsmodul (Torsion) // 60 - 103 kg/cm2 / 40 .103 kg/cm2 Der Graphit wurde kugelförmig außenbearbeitet und mit einer zylindrischen Bohrung zur Aufnahme des zylindrischen Brennstoffeinsatzes versehen. Nunmehr erfolgt die erste Imprägnierung, indem der Körper nach vorheriger Evakuierung unter einem flüssigen Kunstharz bei Raumtemperatur und einem Überdruck von 5 Atmosphären 30 Minuten gehalten wird. Als Harz dient ein Furfuracroleinharz mit einer Viskosität von 500 cP bei 20°C. Die Harzaufnahme des ersten Imprägnierschrittes beträgt etwa 14 Gewichtsprozent. Nach vorausgehender Temperung gemäß nachstehendem Schema und Verkokung bei 1000°C erhält man eine Gewichtszunahme, bezogen auf die ursprüngliche Kugel, von etwa 6,5 °/e.Example 1 The example describes the production of a spherical fuel element with a cylindrical fuel insert 20 mm in diameter and 16 mm in height and an outer diameter of the graphite shell of 60 mm. An electrographite of the following specification was used as the starting material Diffusion coefficient about 1.101 cm2 - sec ' Thermal conductivity ....... // 150 kcal / m - h - ° C / 80 kcal / m - h - C ° Thermal expansion coefficient ............. // 1.1 - 10-8 / ° C / 3.7 -10-6 / 3C Modulus of elasticity (torsion) // 60 - 103 kg / cm2 / 40,103 kg / cm2 The graphite was externally machined to a spherical shape and provided with a cylindrical bore to accommodate the cylindrical fuel insert. The first impregnation now takes place by holding the body under a liquid synthetic resin at room temperature and an overpressure of 5 atmospheres for 30 minutes after prior evacuation. A furfuracrolein resin with a viscosity of 500 cP at 20 ° C. is used as the resin. The resin uptake of the first impregnation step is about 14 percent by weight. After prior tempering according to the following scheme and coking at 1000 ° C., an increase in weight of about 6.5 ° / e is obtained, based on the original ball.

Temperschema: 60°C ...................... 8 Stunden 80°C ...................... 12 Stunden 105°C ...................... 12 Stunden 125°C ...................... 8 Stunden 150°C ...................... 8 Stunden 180°C ...................... 5 Stunden Dieser Dichtungsschritt wird dreimal wiederholt, wobei für die erste Wiederholung ein Harz mit etwa 250cP, für die zweite ein solches mit 100 cP und für die dritte ein Imprägniermittel mit 50 cP verwendet wird.Annealing scheme: 60 ° C ...................... 8 hours 80 ° C ...................... 12 hours 105 ° C ...................... 12 hours 125 ° C ...................... 8 hours 150 ° C ...................... 8 hours 180 ° C ...................... 5 hours This sealing step is repeated three times, using a resin of about 250 cP for the first repetition, 100 cP for the second and an impregnating agent of 50 cP for the third.

Dadurch wird das spezifische Gewicht der Graphithülle auf 1,85 bis 1,92 g/em3 gesteigert und der Diffusionskoeffizient auf etwa 1,10b cm' - sec-lherabgesetzt. Nunmehr wird die zylindrische Bohrung auf Passung H 7 (DIN 7165) feinbearbeitet und unter Vakuum der zylindrische Brennstoffeinsatz eingesetzt. Der Verschluß erfolgt mit einem zylindrischen Stopfen der Passung m 6 (DIN 7165), wobei eine Querrille von 1 mm Tiefe zur Aufnahme eines Kittes folgender Zusammensetzung dient: Furfurylalkohol . . . . . . . . 100 Gewichtsteile konz. H,P04 . . . . . . . . . . 1 Gewichtsteil Lonza-Graphit (G5 #t) 40 Gewichtsteile Nunmehr wird die verschlossene Kugel mit einem Furfuracroleinharz von 20 cP imprägniert, getempert und gebrannt wie bei.der ersten Dichtungsstufe und diese letzte Dichtung unter Verwendung eines Imprägniermittels von 10 cP zweimal wiederholt. Nach Zerstörung einer derartig gedichteten Brennstoffhülle konnten folgende Eigenschaften gefunden werden: Diffusionskoeffizient ....... < 1 - 10-g cm2 - sec-' Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . J/ 170 kcal/m - h - °C l 110 kcal/m - h - ° C Wärmeausdehnungs- koeffizient ... . .... ...... J/ 2,5 - 10-6/°C / 3,2 - 10-6/°C Elastizitätsmodul (Torsion) // 90 # 103 kg/cm' l 75. 103 kg/cm2 Beispiel 2 Ein zylindrisches Brennstoffelement, bestehend aus einem zylindrischen Brennstoffeinsatz von 25 mm Durchmesser und einer rohrförmigen Graphitumhüllung von 12 mm Wandstärke, hat als Bodenplatten zwei zylindrische Schraubverschlüsse mit bis auf den Außendurchmesser der Graphitumhüllung ausladender Stufe. Als Ausgangsmaterial wurde ein Reaktorgraphit mit folgenden, hier interessierenden Eigenschaften verwendet: Diffusionskoeffizient ...... 5 - 10-' cm2/sec-1 Wärmeleitfähigkeit ....... // 170 kcal/m - h - °C I 110 kcal/m # h - ° C Wärmeausdehnungs- koeffizient . . . . . . . . . . . . // 1,1 # 10-6/°C / 2,5 - 10-6/°C Elastizitätsmodul (Torsion) // 65 - 10s kg/cm2 ! 45 -103 kg/cm2 Die Herstellung derartiger Elemente erfolgt durch hnprägnieren von 2 m langen Graphitrohren. Diese werden auf eine Harzverbindungsleitung als kommunizierendes Gefäß aufgesetzt. Die Imprägnierung erfolgt von innen durch Hochdrücken des Harzes. Die erste Imprägnierung wird nicht nur getempert und gebrannt, sondern auch graphitiert, um eine erhöhte Innenleitfähigkeit zu erreichen.As a result, the specific weight of the graphite shell is increased to 1.85 to 1.92 g / cm3 and the diffusion coefficient is reduced to about 1.10 cm-sec-1. Now the cylindrical bore is finely machined to fit H 7 (DIN 7165) and the cylindrical fuel insert is inserted under vacuum. The closure takes place with a cylindrical stopper of fit m 6 (DIN 7165), with a transverse groove 1 mm deep to accommodate a putty of the following composition: Furfuryl alcohol. . . . . . . . 100 parts by weight conc. H, P04. . . . . . . . . . 1 part by weight Lonza graphite (G5 #t) 40 parts by weight The closed ball is now impregnated with a furfuracrolein resin of 20 cP, tempered and fired as in the first sealing stage and this last seal is repeated twice using an impregnating agent of 10 cP. After destroying such a sealed fuel envelope, the following properties were found: Diffusion coefficient ....... <1 - 10-g cm2 - sec- ' Thermal conductivity. . . . . . . . . J / 170 kcal / m - h - ° C l 110 kcal / m - h - ° C Thermal expansion coefficient .... .... ...... J / 2.5 - 10-6 / ° C / 3.2 - 10-6 / ° C Young's modulus (torsion) // 90 # 103 kg / cm ' l 75, 103 kg / cm2 Example 2 A cylindrical fuel element, consisting of a cylindrical fuel insert 25 mm in diameter and a tubular graphite casing with a wall thickness of 12 mm, has two cylindrical screw caps as base plates with a step extending to the outside diameter of the graphite casing. A reactor graphite with the following properties of interest here was used as the starting material: Diffusion coefficient ...... 5 - 10- 'cm2 / sec-1 Thermal conductivity ....... // 170 kcal / m - h - ° C I 110 kcal / m # h - ° C Thermal expansion coefficient. . . . . . . . . . . . // 1.1 # 10-6 / ° C / 2.5 - 10-6 / ° C Modulus of elasticity (torsion) // 65 - 10s kg / cm2 ! 45 -103 kg / cm2 Such elements are produced by impregnating 2 m long graphite tubes. These are placed on a resin connection pipe as a communicating vessel. The impregnation takes place from the inside by pressing up the resin. The first impregnation is not only tempered and fired, but also graphitized in order to achieve increased internal conductivity.

Die zweite Imprägnierung wird nur eingebrannt. Die so vorbereiteten Rohre werden auf Länge geschnitten, mit Gewinde versehen, mit dem Brennstoff gefüllt und mit durchgehend imprägnierten Stopfen verschlossen. Die so verschlossenen Elemente werden dem zweiten Dichtungsschritt von außen her unterworfen, welcher aus einer dreifachen Imprägnierung besteht. Dadurch erhält die Hülle folgende Eigenschaften: Diffusionskoeffizient. . . . . . < 1 - 10-g cm? sec-' Wärmeleitfähigkeit ....... // 180 kcal/m # h - ° C l 130 kcal/m - h - ° C Wärmeausdehnungs- koeffizient . . . . . . . . . . . . // 2,0 -10-6/°C / 2,6 # 10-6/°C Elastizitätsmodul (Torsion) /% 95 - 10s kg/cm2 I 75 - 103 kg/cm2 An Hand der F i g. 1 bis 7 ist das oben beschriebene Verfahren am Beispiel einer kugelförmigen, mit einem Stopfen verschließbaren Graphithülle näher erläutert. Dabei sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.The second impregnation is only burned in. The pipes prepared in this way are cut to length, provided with a thread, filled with the fuel and sealed with continuously impregnated stoppers. The elements closed in this way are subjected to the second sealing step from the outside, which consists of a triple impregnation. This gives the case the following properties: Diffusion coefficient. . . . . . <1 - 10-g cm? sec- ' Thermal conductivity ....... // 180 kcal / m # h - ° C l 130 kcal / m - h - ° C Thermal expansion coefficient. . . . . . . . . . . . // 2.0 -10-6 / ° C / 2.6 # 10-6 / ° C Modulus of elasticity (torsion) /% 95 - 10s kg / cm2 I 75 - 103 kg / cm2 On the basis of FIG. 1 to 7, the method described above is explained in more detail using the example of a spherical graphite shell that can be closed with a stopper. The same parts are identified by the same reference numerals.

Die F i g. 1 a und 1 b zeigen im Schnitt eine mechanisch fertig bearbeitete Graphithülle 1 und den zu ihrem Verschluß dienenden Stopfen 2.The F i g. 1 a and 1 b show in section a mechanically finished Graphite envelope 1 and the stopper 2 used to close it.

Die F i g. 2a und 2b zeigen einen Schnitt durch eine hinsichtlich ihrer Formgebung vorbearbeitete Graphithülle 1 und den zu ihrem Verschluß dienenden Stopfen 2 vor der Dichtung.The F i g. 2a and 2b show a section through a respect their shape pre-machined graphite shell 1 and used for their closure Plug 2 in front of the seal.

Die F i g. 3 a und 3 b zeigen Graphithülle 1 und Stopfen 2 nach F i g. 2 a bzw. 2 b nach der ersten Dichtungsstufe. Die gedichteten Graphitzonen 3 sind durch kreuzweise Schraffierung kenntlich gemacht.The F i g. 3 a and 3 b show graphite envelope 1 and plug 2 according to FIG. 2 a and 2 b after the first sealing stage. The sealed graphite zones 3 are indicated by cross-hatching.

F i g. 4 zeigt ein Diagramm, aus dem der bei der ersten Dichtungsstufe erreichte Dichtungsgrad innerhalb des Graphitmaterials der Hülle 1 in Abhängigkeit vom Abstand des betrachteten Ortes vom Kugelmittelpunkt zu ersehen ist. Als Abszisse ist im logarithmischen Maßstab der Diffusionskoeffizient [cm2sec-'] aufgetragen, als Ordinate die Größe der Polarkoordinate.F i g. 4 shows a diagram from which the first sealing stage achieved degree of sealing within the graphite material of the shell 1 as a function can be seen from the distance of the observed location from the center of the sphere. As the abscissa the diffusion coefficient [cm2sec- '] is plotted on a logarithmic scale, the ordinate is the size of the polar coordinate.

F i g. 5 zeigt die mechanisch fertigbearbeitete Graphithülle 1 gemäß F i g. 1, in die nach Beendigung der ersten Dichtungsstufe der Brennstoffeinsatz 4 eingesetzt ist und der gedichtete Stopfen 2 unter Verwendung von Kitt 5 eingebracht ist.F i g. 5 shows the mechanically finished graphite shell 1 according to FIG F i g. 1, in which the fuel insert after completion of the first sealing stage 4 is inserted and the sealed stopper 2 is inserted using cement 5 is.

F i g. 6 zeigt einen Schnitt durch die Graphithülle nach F i g. 5, nach Verkokung des Kittmaterials 6 und Beendigung der zweiten Dichtungsstufe.F i g. 6 shows a section through the graphite shell according to FIG. 5, after coking of the cement material 6 and completion of the second sealing stage.

F i g. 7 zeigt ein Diagramm aus dem der nach der zweiten Dichtungsstufe erreichte Dichtungsgrad innerhalb des Graphitmaterials der Hülle in Abhängigkeit vom Abstand des betrachteten Ortes vom Kugelmittelpunkt aufgetragen ist. Die Angabe des Diffusionskoeffizienten in den F i g. 4 und 7 bezieht sich auf den Durchtritt von Luft bei einem mittleren Druck von 0,5 Atmosphären bei Raumtemperatur und ist in cm2sec-' angegeben.F i g. 7 shows a diagram from that after the second sealing stage degree of sealing achieved within the graphite material of the shell as a function of is plotted from the distance of the observed location from the center of the sphere. The information of the diffusion coefficient in Figs. 4 and 7 refer to the passage of air at a mean pressure of 0.5 atmospheres at room temperature and is specified in cm2sec- '.

Claims (12)

Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Hochtemperaturkernreaktor-Brennstoffelementes mit einer Graphithülle, die allseitig gegen Spaltgasdurchtritt durch Einlagerung von Teilchen aus reinem Kohlenstoff in ihre Außen- und Innenfläche abgedichtet ist und einen Brennstoffeinsatz umgibt, bei dem die Dichtung in zwei zeitlich voneinander getrennten Stufen erfolgt und nach dem Einbringen des Brennstoffeinsatzes in die Graphithülle und dem Verschließen der Öffnung der Graphithülle mit einem Graphitstopfen in der zweiten Dichtungsstufe unter gleichzeitiger Dichtung des Verschlusses die Außenfläche der Graphithülle gedichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Dichtungsstufe mindestens die Innenfläche der Graphithülle (1) gedichtet wird und daß die zwei Dichtungsstufen derart aufeinander abgestimmt werden, daß die durch Kohlenstoffeinlagerung in die Innen- und Außenfläche der Graphithülle (1) entstandenen Dichtungsbereiche aneinander ohne eine poröse Zwischenzone angrenzen oder einander durchdringen. Claims 1. A method for producing a high-temperature nuclear reactor fuel element with a graphite shell that prevents the penetration of cracked gas on all sides through storage is sealed by particles of pure carbon in its outer and inner surface and surrounds a fuel insert in which the seal is temporally separated in two separate stages takes place and after the introduction of the fuel feed into the Graphite shell and closing the opening of the graphite shell with a graphite stopper in the second sealing stage with simultaneous sealing of the closure Outer surface of the graphite shell is sealed, characterized in that in the first sealing stage at least the inner surface of the graphite shell (1) sealed and that the two sealing stages are matched to one another in such a way that due to carbon storage in the inner and outer surface of the graphite shell (1) the resulting sealing areas adjoin each other without a porous intermediate zone or penetrate each other. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dichtung in der ersten und/oder zweiten Stufe die Hülle (1) mit einer ganz oder teilweise verkokbaren Kohlenstoffverbindung imprägniert und späterhin gebrannt wird, im Sinne einer Verkokung des durch die Imprägnierung eingebrachten Mittels. 2. The method according to claim 1, characterized in that that for the seal in the first and / or second stage, the shell (1) with a quite or partially coked carbon compound impregnated and is later fired, in the sense of coking of the impregnation introduced agent. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dichtung in der ersten und/oder zweiten Stufe Kohlenstoff pyrolytisch in den Poren der Graphithülle abgeschieden wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that that for the seal in the first and / or second stage carbon is pyrolytic is deposited in the pores of the graphite shell. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Dichtungsgrades der einzelne Dichtungsvorgang mehrfach ausgeführt wird. 4. The method according to any one of the claims 1 to 3, characterized in that to increase the degree of sealing of the individual Sealing process is carried out several times. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der ersten Dichtungsstufe die ersten Imprägnierungen graphitiert werden. 5. The method according to claim 4, characterized characterized in that within the first sealing stage the first impregnations are graphitized. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffeinsatz (4) für sich genau eingepaßt in die gedichtete Graphithülle unter Vakuum eingebracht wird. 6. The method according to any one of claims 4 to 5, characterized in that the fuel insert (4) is introduced for itself precisely fitted into the sealed graphite shell under vacuum. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphithülle (1) durch einen Stopfen (2) aus Graphit, der ebenso wie die Hülle (1) gedichtet worden ist, verschlossen wird. B. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the graphite sheath (1) is closed by a plug (2) of graphite, which has been well as the envelope (1) sealed. B. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschluß ein Schraubverschluß verwendet wird. Method according to claim 7, characterized in that a Screw cap is used. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschluß ein Bajonettverschluß verwendet wird. 9. The method according to claim 7, characterized in that that a bayonet lock is used as a lock. 10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß der Graphithülle mit zylindrischem Ruhesitz, Haftsitz, Festsitz oder Preßsitz ausgebildet wird. 10. The method according to claim 7, characterized in that the closure of the graphite shell with a cylindrical Resting fit, adhesive fit, interference fit or interference fit is formed. 11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (2) mit einem kohlenstoffhaltigen Kitt (5) verkittet wird und anschließend mit der Hülle (1) erhitzt wird, so daß eine Verkokung oder Graphitierung der Kettschicht auftritt. 11. Procedure according to Claim 7, characterized in that the plug (2) with a carbon-containing Putty (5) is cemented and then heated with the shell (1) so that coking or graphitization of the warp layer occurs. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfüllöffnung durch den Stopfen unter Vakuum verschlossen wird.12. Method according to a of claims 7 to 11, characterized in that the filling opening through the Stopper is sealed under vacuum.