DE1027336B - Verfahren zur Herstellung umhuellter Brennstoffelemente fuer die Verwendung in Kernreaktoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei der Herstellung von umhüllten Kernbrennstoffelementen für die Benutzung in Kernreaktoren für Forschungszwecke und zur Energiegewinnung. Derartige Brennstoffelemente bestehen im allgemeinen aus einer Stange aus dem spaltbaren Brennstoff selbst, beispielsweise aus natürlichem oder an U 235 angereichertem Uran oder einem ähnlichen Kernbrennstoff, die in eine Schutzhülle eingebettet ist, die üblicherweise aus Aluminium besteht.

Bisher wurden derartige umhüllte Kernbrennstoffelemente hergestellt, indem zunächst die Aluminiumumhüllungen mit einem geringen Übermaß hergestellt wurden:, beispielsweise durch ein Strangpreßverfahren. Darauf wurden dann die Brennstoff stangen, die vorher durch maschinelle Verarbeitung auf das genaue Maß gebracht worden waren, in diese Schutzhüllen eingeführt. Anschließend wurden dann die Umhüllungen dicht auf die Brennstoffstangen herabgezogen, indem das Ganze durch eine Kaltziehdüse hindurchgezogen wurde.

Es hat sich aber herausgestellt, daß dieses Verfahren in der Praxis gewisse Nachteile besitzt:

a) Es ist eine Umhüllung erforderlich, die eine hohe Integrität aufweist, frei von Porositäten ist und in ihren Dimensionen sehr engen Toleranzen entspricht. Die Herstellung in dieser Beziehung zufriedenstellender Umhüllungen im Strangpreßverfahren bereitet, wie sich herausgestellt hat, erhebliche Schwierigkeiten.

b) Es ist sehr wichtig, guten Wärmeübergang zwischen dem Brennstoffkern und der Umhüllung sicherzustellen, um annehmbare Temperaturen des Brennstoffkernes während der Benutzung des Elementes in einem Reaktor zu erzielen. Für Reaktoren mit hoher Leistung zeigen die Berechnungen eindeutig, daß eine zufriedenstellende Wärmeübertragung nur erreicht werden kann, wenn ein metallurgischer oder mechanischer Verbund hoher Qualität zwischen der Oberfläche des Brennstoffkernes und dem Umhüllungsmaterial hergestellt wird. Ein solcher Verbund kann nicht durch einfaches Herabziehen der Umhüllung auf den Brennstoffkern in einem normalen Ziehprozeß, wie er für Brennstoffelemente verwendet wird, die für Reaktoren niedriger Leistung bestimmt sind, erreicht werden.

Gegenwärtig wird nun vielfach eine Technik benutzt, bei der das Kernmaterial zunächst mit einem Nickelüberzug versehen und die Umhüllung anschließend durch Warmpressen mit dem Brennstoffkern verbunden wird. Dies Verfahren ist jedoch kostspielig und erfordert gleichfalls enge Toleranzen und stranggepreßte Umhüllungen hoher Qualität.

Weiter war es notwendig, getrennte Endstopfen Verfahren zur Herstellung

umhüllter Brennstoffelemente für die

Verwendung in Kernreaktoren

Anmelder:

Atomic Energy of Canada Limited,
ίο Ottawa, Ontario (Kanada)

Vertreter: Dr. W. Müller-Bore, Patentanwalt,
Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität:

Kanada vom 20. Januar 1956

Harrison Scott Milne und Franklin Abrams,

Deep River, Ontario (Kanada),
sind als Erfinder genannt worden

vorzusehen, um die Enden des in der beschriebenen Weise umhüllten Brennstoffelementes abzudichten und anschließend diese Endstopfen fest mit der Umhüllung zu verbinden. Es war bisher üblich, die Verbindung dieser Endstopfen mit den Enden der Umhüllung durch Schweißen herzustellen. Dies ist jedoch eine mühsame und große Sorgfalt erfordernde Arbeit, die erstklassig ausgebildete Arbeitskräfte voraussetzt. Sie ist auch nicht für eine kontinuierliche Fertigung geeignet, da große Sorgfalt aufgewendet werden muß, wenn Porositäten in der Schweißstelle vollständig vermieden werden sollen. Trotzdem wurde dieses schwierige Verfahren für die Herstellung umhüllter Brennstoffelemente lange Jahre hindurch ausgeführt.

Entsprechend der Erfindung werden die Brennstoffstangen umhüllt, indem im Strangpreßverfahren eine Aluminiumumhüllung direkt auf die Brennstoffstange aufgebracht wird. Es hat sich herausgestellt, daß dieses Verfahren eine gleichmäßig umhüllte Stange ergibt mit einem festen und dauerhaften metallurgischen Verbund zwischen der Aluminiumumhüllung und dem Brennstoff kern und daß dieses Verfahren große praktische Vorzüge hinsichtlich der Einfachheit in der Durchführung besitzt.

Vorzugsweise wird der Brennstoffkern vorher mit Nickel überzogen, wodurch, wie sich herausgestellt hat, der Verbund zwischen den Oberflächen erheblich verbessert wird. Es kann auch anderes Überzugsmetall verwendet werden, jedoch hat sich Nickel als am

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folgt. Zwei Aluminiumknüppel werden auf etwa 500° C erwärmt und dann in dk Presse 3 eingebracht. Diese werden durch die Kolben 4 nach unten gepreßt, so daß das Aluminium in die Hohlräume 5 und längs der 5 Durchgänge 6 zu den Öffnungen 7 fließt. Das Verfahren wird so durchgeführt, daß dieses Metall durch die Öffnungen 7 hindurchfließt, bevor das vordere Ende einer Brennstoffstange 1 in den Düsenblock 9 gelangt. Auf diese Weise wird zu Beginn des Strang-

meisten zufriedenstellend erwiesen. Auf das Nickel kann noch ein dünner Kupferüberzug aufgebracht werden.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen an Hand dieser Zeichnungen beschrieben.

'Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt eine Ansicht eines fertigen umhüllten Brennstoffelementes, welches gemäß der Erfindung hergestellt ist;

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch ein solches Brenn- io preßvorganges eine massive Aluminiumrippe gebildet.

Stoffelement; "-" Wenn dann die vordere Kante der Stange 1 zwischen

Fig. 3 zeigt teilweise.-Jm Schnitt eine Frontansicht den Öffnungen 7 erscheint, legt sich das Aluminium

eines Düsenblockes, wie er in einer üblichen senk- um diese Kante herum und bildet dann im Anschluß rechten, hydraulischen "Fresse" verwendet wird-, welche an die zunächst ausgepreßte Rippe in kontinuierlicher für die Herstellung von-Elementen gemäß der Erfrn- 15 Fortsetzung eine Umhüllung auf der Stange. In diesem dung verwendet werden-kann, wobei der Schnitt längs Verfahrensstadium ist die Presse in Fig. 4 dargestellt.

der Linie ΙΙΙ-ΠΙ in Fig,;4 gelegt ist; Das Strangpressen wird dann fortgesetzt, bis die

Fig. 4 ist ein Querschnitt .durch den Düsenblock hintere Kante der Stange 1 an den öffnungen 7 vorbei-

längs der Linie IV-IV in'Fig. 3 bei arbeitender Presse; tritt, worauf die Presse fortfährt, das Metall auszu-

- Fig. 5 ist ein.-Teilsebnitt längs der Linie V-V in 20 pressen und dadurch eine zweite massive Aluminium-

Fig. 4 und zeigt den Düsenblockteil außer Betrieb. rippe am hinteren Ende des Elementes bildet. Auf

Die Brennstoffstangen, wie sie üblicherweise in diese Weise wird die Stange 1 vollkommen umhüllt

Kernreaktoren verwendet werden, bestehen aus läng- und abgedichtet.

liehen Stangen 1 von xechteckigem Querschnitt. In Es ist nicht notwendig, das Verfahren an diesem

dem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung 25 Punkt zu unterbrechen, da, nachdem ein kurzes Stück werden diese Stangen Γ zunächst mit einem Nickel- massive Aluminiumrippe ausgepreßt worden ist, die überzug versehen, der ^^beispielsweise durch Galvani- vordere Kante einer weiteren Brennstoffstange in die sierung aufgebracht werden kann. Sie werden dann Maschine eingesetzt und das Verfahren dann beliebig durch die Düse der Presse 3, die in Fig. 3 bis 5 dar- fortgesetzt werden kann. Die Aluminiumrippe, die auf gestellt ist, hindurchgeschickt, wobei eine Aluminium- 30 diese Weise zwischen den benachbarten Enden von umhüllung 2 hergestellt wird. . zwei Stangen gebildet wird, kann darin in geeigneter

In der Zeichnung sind viele Details, der Presse fort- Weise durchgetrennt werden, so daß eine Reihe umgelassen, da diese üblicher Art sind. Zufriedenstellende hüllter Brennstoffelemente, wie sie in Fig. 1 dargestellt Ergebnisse wurden mit einer senkrechten, hydrau- sind, hergestellt werden, d.h. vollkommen umhüllte lischen 300-t-Presse erreicht. Es könnte jedoch auch 35 Stangen 1, die durch eine durchgehende Umhüllung 2 eine übliche Strangpresse zur Durchführung dieses abgedeckt sind, die ohne Unterbrechung in einen Arbeitsganges verwendet werden. massiven Aluminiumstopfen 12 an jedem Ende aus-

Die PresseS besitzt zunächst ein Kolbenpaar 4, das läuft. Die beiden Enden der Stängel laufen spitz zu, dazu dient, heißes Aluminium in zwei Hohlräume 5 um einen sanften Übergang von dem massiven Stopfen zu pressen, die einen sich kontinuierlich vermindern- 40 12 zu der Umhüllung 2 zu erleichtern, den· Querschnitt aufweisen, der sich nach unten und Es sei noch darauf hingewiesen, daß das fertig um-

einwärts erstreckt und zu. einem Paar konvergierender hüllte Element und entsprechend auch die Stopfen 12, Durchgänge 6 ausläuft, die in einem Paar einander wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, mit etwas verstärkten, gegenüberliegender öffnungen 7 enden, die sich ihrer- wulstförmigen Abschnitten 13 am oberen und unteren seits in die Seiten eines Kanals 8 öffnen. Dieser er- 45 Rand der Umhüllung 2 versehen sind. Diese verstärkstreckt sich quer zu diesen Durchgängen durch den ten Abschnitte werden durch die Form der Düse in Düsenblock 9 der Presse hindurch und geht hinter den
Öffnungen 7. in einen etwas weiteren divergierenden
Kanal 10 in dem Düsenblock 9 über, und dieser Kanal
10 führt schließlich in einen weiteren Durchgang 11 50
in den Hauptkörper dar Presse 3.
. Auf dem Umfang der-Presse sind schraubenförmige
,Nuten 14 vorgesehen, die zur Aufnahme von Heizschlangen dienen, die für. die Erhaltung der gewünschten Temperatur bei dem Arbeitsvorgang vorgesehen 55
sind.

Gemäß der Erfindung wird· die Stange 1 zunächst mit einer etwa 0,0050.bis 0,0075 mm dicken Schicht Nickel überzogen. Anschließend wird sie in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 60 .100 und 200° C erwärmt. Diese Erwärmung kann in einer Vorrichtung erfolgen, mit der die Stange durch die Strangpresse gestoßen wird. Der Nickelüberzug verhindert eine Oxydation des Brennstoffmetalls und liefert eine zufriedenstellende Oberfläche für den Ver- 65 bund mit dem Aluminium. Es ist dafür Sorge zu tragen, daß die Stange nach dem Aufbringen des Überzuges saubergehalten wird, und das Verfahren wird so durchgeführt, daß das. Umhüllen so schnell wie möglich auf das Aufbringen des Nickelüberzuges 70

der Presse hergestellt und sind vorgesehen, um die Anbringung des fertigen Elementes in einem Tragrohr eines Reaktorgehäuses zu erleichtern.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung umhüllter Brennstoffelemente für die Verwendung in Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umhüllung aus Aluminium im Strangpreßverfahren direkt auf eine Stange aus spaltbarem Kernbrennstoff aufgepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stange spaltbaren Brennstoffes durch eine Düse hindurohgef ührt wird, die in einer Presse angebracht ist, und im Strangpreßverfahren eine Schicht Aluminium bei einer erhöhten Temperator direkt auf die genannte Stange ausgepreßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer in der Presse angebrachten Düse zunächst eine Rippe aus Aluminium hergestellt wird und dann die Stange spaltbaren Materials durch die Presse hindurchgeführt wird,

wobei das Auspressen von Aluminium fortgesetzt wird und dadurch eine Umhüllung aus Aluminium rings um die genannte Stange als ununterbrochene Fortsetzung der genannten Rippe hergestellt wird, und anschließend das Auspressen von Aluminium fortgesetzt wird, um eine ähnliche Rippe als ununterbrochene Fortsetzung der genannten Um-

hüllung hinter dem hinteren Ende der genannten Stange herzustellen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange aus spaltbarem Kernbrennstoff vor der Umhüllung mit Aluminium einer Behandlung zur Erzielung eines Nickelüberzuges unterworfen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen